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1、光电效应 康普顿效应1第1页，本讲稿共32页光电效应是在光电效应是在1888年，赫兹做验证电磁波的实年，赫兹做验证电磁波的实验中发现的。验中发现的。一、光电效应一、光电效应 当光照射到金属表面上时，有电子从金属表面逸出，当光照射到金属表面上时，有电子从金属表面逸出，这种现象称为这种现象称为光电效应光电效应。逸出的电子称为。逸出的电子称为光电子光电子。由于金属表面的电子吸收外界的光子，由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。的束缚而逸出金属表面的现象。外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应、现象、现象一些晶体或半导体在受到光照时，其内部的原子一些晶体或半导
2、体在受到光照时，其内部的原子释放的光电子仍留在材料内部，使材料的导电性增强，释放的光电子仍留在材料内部，使材料的导电性增强，这被称为内光电效应。这被称为内光电效应。2第2页，本讲稿共32页研究光电效应主要是要解决以下问题：研究光电效应主要是要解决以下问题：）当光照射到金属表面时，从金属表面逸出来的光当光照射到金属表面时，从金属表面逸出来的光电子数和什么因素有关；电子数和什么因素有关；）光电子的初动能由什么因素决定；光电子的初动能由什么因素决定；）产生光电子的条件是什么；产生光电子的条件是什么；）如何从理论上解释光电效应。如何从理论上解释光电效应。3第3页，本讲稿共32页石英窗 光线经石英窗照光
3、线经石英窗照在光电管的阴极上，在光电管的阴极上，就有电子从阴极表面就有电子从阴极表面逸出逸出光电子。光电子。光电子在电场的光电子在电场的作用下向阳极运动，作用下向阳极运动，形成形成光电流光电流光电流光电流。2、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律阳极阴极AV4第4页，本讲稿共32页光电效应的实验规律：光电效应的实验规律：光电效应的实验规律：光电效应的实验规律：）光电流与入射光强的关系）光电流与入射光强的关系饱和光电流强度与入射饱和光电流强度与入射光强度成正比。光强度成正比。所以，所以，单位时间从金属表面逸出的总的光电子单位时间从金属表面逸出的总的光电子数与入射光强成正比。数与入射光强成正比。
4、5第5页，本讲稿共32页）光电子初动能与入射光频率的关系）光电子初动能与入射光频率的关系 当当 K、A 间加反向电压，光间加反向电压，光电子克服电场力作功。当逸出时电子克服电场力作功。当逸出时初速度最大的光电子也不能到达初速度最大的光电子也不能到达阳极，光电流就为阳极，光电流就为0，满足：，满足：光电流恰为光电流恰为0时所加的反向时所加的反向电压电压 Ua 称为称为截止电压截止电压。截止电压的大小反映光电子初动能的大小。截止电压的大小反映光电子初动能的大小。6第6页，本讲稿共32页实验表明：式中式中 K 和和U0 都是正数，都是正数，K 是一个是一个普适恒量，不随金属的种类而变；普适恒量，不随
5、金属的种类而变；U0对同一种金属是一个恒量，不同金属对同一种金属是一个恒量，不同金属U0的值不同，即与金属的种类有关。的值不同，即与金属的种类有关。表明：表明：光电子逸出时的最大初动能随入射光的频率线性光电子逸出时的最大初动能随入射光的频率线性增加，而与入射光的强度无关。增加，而与入射光的强度无关。7第7页，本讲稿共32页3）产生光电效应的条件（截止频率）产生光电效应的条件（截止频率 0 红限）红限）对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率 0。所以，当入射光频率所以，当入射光频率 0 时，电子才能逸出金属时，电子才能逸出金属表面。表面。0 称为
6、光电效应的称为光电效应的红限。红限。而当入射光频率而当入射光频率 0 时，无论光强多大也无电子时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。逸出金属表面。）光电效应是瞬时的。）光电效应是瞬时的。要产生光电效应，必须有：要产生光电效应，必须有：截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关。光强无关。当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。从光开始照射，到光电逸出所需时间从光开始照射，到光电逸出所需时间 0 时，电子才能逸出金属表面，时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。产生光电效应。不同金属具有不不同金属具有不同的截止频率。同的截止频率。12
7、第12页，本讲稿共32页 ）光电效应瞬时性的解释）光电效应瞬时性的解释光子与电子发生作用时，光子与电子发生作用时，光子一次性将光子一次性将h 的的能能量量 交给电子交给电子。只要光子频率大于截止频率，电子。只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。强无关。金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。光强越大，光电子越多，光电流越大。）光电流正比于光强的解释）光电流正比于光强的解释h 。光强正比于单位时间流过单位面积的光子光强正比于单位
8、时间流过单位面积的光子数。数。光强越大，光子数越多。光强越大，光子数越多。13第13页，本讲稿共32页一般处理光电效应的问题，要用到以下几个关系：（爱因斯坦光电效应方程）截止电压与入射光截止电压与入射光强无关，而与入射光频强无关，而与入射光频率具有线性关系。率具有线性关系。14第14页，本讲稿共32页例：例：铂的逸出功为铂的逸出功为6.3eV，求：求：铂的截止频率铂的截止频率 0。解：解：例：例：钾的截止频率钾的截止频率 0=4.62 1014Hz，以波长，以波长=435.8nm的光照射，的光照射，求：求：钾放出光电子的初速度。钾放出光电子的初速度。解：解：15第15页，本讲稿共32页 光在传
9、播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。偏振现象。光在与物质发生作用时表现出粒子性光在与物质发生作用时表现出粒子性 h ，如，如光电效应，康普顿效应。光电效应，康普顿效应。、光的波粒二象性、光的波粒二象性、光的波粒二象性、光的波粒二象性 相对论能量和动量关系 光子 光子能量和动量为：光子能量和动量为：上两式左边是描写粒子性的上两式左边是描写粒子性的 、P；右边是描写波动；右边是描写波动性的性的 、。h 将光的粒子性与波动性联系起来。将光的粒子性与波动性联系起来。波粒二象性是客观物质的共同属性。波粒二象性是客观物质的共同属性。16第16页，本讲稿共
10、32页 经典物理解释光电效应遇到的困难在于它仅看经典物理解释光电效应遇到的困难在于它仅看到了光的波动性，爱因斯坦在光与物质相互作用的到了光的波动性，爱因斯坦在光与物质相互作用的过程中应用了光的粒子性，因而成功地解决了这个过程中应用了光的粒子性，因而成功地解决了这个难题。难题。历史上牛顿也是把光看成粒子流的，但是他的历史上牛顿也是把光看成粒子流的，但是他的“粒子粒子”模型不对。模型不对。光的波粒二象性光的波粒二象性光具有波动性，又有粒子性，即具有波粒二象性。光具有波动性，又有粒子性，即具有波粒二象性。关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取
11、舍，而应该把它们看作是光的本性的说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。两种不同侧面的描述。17第17页，本讲稿共32页例：例：求波长为求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。紫外线光子的能量、动量及质量。解：解：能量：能量：动量：动量：质量：质量：18第18页，本讲稿共32页光的散射：光的散射：光束通过光学性质不均匀的介质（如雾、含有悬光束通过光学性质不均匀的介质（如雾、含有悬浮物的液体）时，会发生一部分光线偏离原来的方向浮物的液体）时，会发生一部分光线偏离原来的方向的现象，称为的现象，称为光的散射光的散射。散射光的波长与入射光的波长几乎相等，这可以散射光的
12、波长与入射光的波长几乎相等，这可以由经典的电磁理论得到圆满解释。由经典的电磁理论得到圆满解释。爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光是由光子组成的还是康普顿实验。是由光子组成的还是康普顿实验。三、康普顿效应三、康普顿效应三、康普顿效应三、康普顿效应19第19页，本讲稿共32页 1923年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分。实验装置20第20页，本讲稿共32页实验结果（相对强度）（波长）在散射在散射X 射线中除有射线中除有与入射波长相同的成分外，与入射波长相同的成分外，还有波长比入射波长更长还有波长比入
13、射波长更长的射线的射线。波长的变化量，随波长的变化量，随散射角的增大而增大。散射角的增大而增大。而与入射光的波长而与入射光的波长 0 0和和散射物质都无关。散射物质都无关。*实验还发现，实验还发现，原子量原子量小的散射物质，康普顿散小的散射物质，康普顿散射较强；原子量大的散射射较强；原子量大的散射物质，康普顿效应较弱。物质，康普顿效应较弱。21第21页，本讲稿共32页l l l 波长偏移量检测系统晶 体 散射角 射射 线线 源源l 散射体散射体散射体散射体l 实验22第22页，本讲稿共32页 X射线X射线X射线23第23页，本讲稿共32页按照经典电磁理论按照经典电磁理论，入射的射线是一种，入射
14、的射线是一种电磁波。当射线通过物质时，将引起散射物电磁波。当射线通过物质时，将引起散射物质中的带电粒子受迫振动。带电粒子将以入射质中的带电粒子受迫振动。带电粒子将以入射电磁波一样的频率作电磁振动，并向各个方向电磁波一样的频率作电磁振动，并向各个方向辐射出和入射频率相同的电磁波（散射波）。辐射出和入射频率相同的电磁波（散射波）。因而，因而，它只能说明它只能说明有正常散射存在，即有正常散射存在，即散射光散射光的频率与入射光频率相等的频率与入射光频率相等。康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这个现象。个现象。康普顿效应也是经典理论无法解释的。康普顿效应也是经典理
15、论无法解释的。经典理论无法解释有散射光波长增大的现象。经典理论无法解释有散射光波长增大的现象。24第24页，本讲稿共32页光子电子 电子反冲速度很大，需用电子反冲速度很大，需用相对论力学相对论力学来处理。来处理。入射光子（X 射线或 射线）能量大。固体表面电子束缚较弱，可视为固体表面电子束缚较弱，可视为自由电子自由电子。电子光子 电子热运动能量 ，可近似为静止电子。范围为：X 射线是由一些能量为射线是由一些能量为 =h 的光子组成，并且的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞。这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞。3.康普顿效应的光量子理论解释康普顿效应的光量子理论解释25第25页，本
16、讲稿共32页碰撞前：碰撞前：光子能量为光子能量为h o，动量为，动量为h o/c；电子的能量电子的能量为为moc2，动量为零。，动量为零。碰撞后：光子散射角为，光子能量为h，动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它的能量为 ，动量为 。光子电子电子光子26第26页，本讲稿共32页（2）理论分析由能量守恒及动量守恒由能量守恒及动量守恒（动量守恒分量式）（动量守恒分量式）27第27页，本讲稿共32页 康普顿波长康普顿波长 康普顿公式28第28页，本讲稿共32页 散射光波长的改变量 仅与 有关 散射光子能量减小散射光子能量减小康普顿公式（3）结论结论 与 的关系与物质无关，是光子与自由电子
17、间的相互作用。29第29页，本讲稿共32页l l l l l l l l l X 射 线 其光子能量比可见光光子能量大上万倍原子核与内层电子组成的原子实外层电子散 射 体康普顿最初用石墨，其原子序数不太大、电子结合能不太高。l l 康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应30第30页，本讲稿共32页康普顿效应与光电效应的异同 康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互作用。作用。在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能量为子能量为ev数量级，与原子中电子的束缚能相差不远，数量级，与原子中电子的束缚能相差不
18、远，光子能量全部交给电子使之逸出光子能量全部交给电子使之逸出，并具有初动能。光，并具有初动能。光电效应证实了此过程服从能量守恒定律。电效应证实了此过程服从能量守恒定律。在康普顿效应中，入射光为在康普顿效应中，入射光为X射线或射线或 g g 射线，光子射线，光子能量为能量为104 ev 数量级甚至更高，远大于散射物质中电数量级甚至更高，远大于散射物质中电子的束缚能，原子中的外层的电子可视为自由电子，子的束缚能，原子中的外层的电子可视为自由电子，光子能量只被自由电子吸收了一部分并发生散射光子能量只被自由电子吸收了一部分并发生散射。康。康普顿效应证实了此过程可视为弹性碰撞过程，能量、普顿效应证实了此过程可视为弹性碰撞过程，能量、动量均守恒，更有力地证实了光的粒子性。动量均守恒，更有力地证实了光的粒子性。31第31页，本讲稿共32页解：（1）（2）反冲电子的动能反冲电子的动能（3）光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能 例 波长 的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射角成 角的方向上观察,问（2）反冲电子得到多少动能？（1）散射波长的改变量 为多少？（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？32第32页，本讲稿共32页