第4章 奇妙的有色和无色世界热辐射——光与物质的相互作用2：光电效应

1、4-14-1光电效应光电效应 爱因斯坦方程爱因斯坦方程 一、光电效应一、光电效应光电效应：可见光或紫外光射到某些金属表面上光电效应：可见光或紫外光射到某些金属表面上时，有电子从表面逸出的现象。时，有电子从表面逸出的现象。实验装置实验装置mAVKAR光电流光电流: 这些这些光电子光电子在在电场的作用下飞向阳极电场的作用下飞向阳极二、光电效应实验规律二、光电效应实验规律1、单位时间内从金属表面逸出的、单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光电子数与入射光强度成正比光强度成正比 光电子光电子入入入入NINeiIS U0-Ua1I2I3Ii2si1si3siKAUUU)(饱和siiU从从K射出的电子

2、全部飞向阳极射出的电子全部飞向阳极A，形成，形成饱和电流饱和电流。设单位。设单位时间从时间从K飞出飞出N个电子，则个电子，则经典物理的解释是：电子从金属中逸出要克服阻经典物理的解释是：电子从金属中逸出要克服阻力作功。光强越大，光振辐力作功。光强越大，光振辐E0越大，受强迫的电越大，受强迫的电子振动动能越大，能克服阻力逸出金属表面的电子振动动能越大，能克服阻力逸出金属表面的电子越多。故与光强成正比子越多。故与光强成正比2 2、光电子的最大初动能随入射光的频率增大而线、光电子的最大初动能随入射光的频率增大而线性增大，与入射光的强度无关性增大，与入射光的强度无关 1）实验表明：当）实验表明：当U=0

3、时，乃至时，乃至U 0的散射线存在（的散射线存在（Compton散射）。散射）。2341原始原始 =450 =900 =13500.700.75 ()强强度度原子量较小的物质散射较强。原子量较小的物质散射较强。原子量大的物质，原子量大的物质，康普顿效应较弱康普顿效应较弱 。散射线波长的增量散射线波长的增量 与散射角与散射角 有关有关（ 增增加，加， 增加增加, 一定，一定， 一定，与散射物质无关）一定，与散射物质无关）1925192619251926年，中国物理学家吴有训用其它物质年，中国物理学家吴有训用其它物质代替石墨进行实验时发现代替石墨进行实验时发现 02sin2)cos1 (2ccmc

4、mhec121043. 2二、康普顿散射的解释二、康普顿散射的解释康普顿散射是光与物质的相互作用，先要搞清：康普顿散射是光与物质的相互作用，先要搞清：在什么条件下发生的相互作用？在什么条件下发生的相互作用？相互作用的形式是什么？相互作用的形式是什么？ 经典散射，用经典电磁理论经典散射，用经典电磁理论受迫振动频率等于入射线频率；受迫振动频率等于入射线频率； 在狮子面前兔子没有被束缚！在狮子面前兔子没有被束缚！好有一比！好有一比！竹竹笼笼1、Compton散射是光和自由电子的相互作用散射是光和自由电子的相互作用因因X射线的频率高，能量在射线的频率高，能量在104eV数量级，数量级，而而石墨中的电子

5、所受的束缚能量仅有几个电子石墨中的电子所受的束缚能量仅有几个电子伏特。伏特。相当于是没受束缚的自由电子。相当于是没受束缚的自由电子。2、自由电子不会吸收光子，而只能以碰撞的形式、自由电子不会吸收光子，而只能以碰撞的形式进行相互作用。进行相互作用。康普顿的分析：康普顿的分析：过程满足能量守恒及动量守恒过程满足能量守恒及动量守恒20Cm碰碰 撞撞 前前碰碰 撞撞 后后电子电子光子光子反冲电子反冲电子光子光子能量能量动量动量2mC0hh000 nChnChVm=+=+3 3、ComptonCompton实验的意义实验的意义1）证实了光子理论的正确性）证实了光子理论的正确性 ，说明了光子具有，说明了光

6、子具有 质量、质量、 能量、动量能量、动量-光具有粒子光具有粒子 性。性。2）在微观领域内，同样严格遵守动量守恒和能）在微观领域内，同样严格遵守动量守恒和能 量守恒。量守恒。AHCompton（18921952年）美国物理学年）美国物理学家，家，1927年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖nChVm00 nCh例：已知例：已知X X光子的能量为光子的能量为0.60MeV0.60MeV，在康普顿散射，在康普顿散射后，波长变化了后，波长变化了20%20%，求反冲电子动能。，求反冲电子动能。已知：已知：E0=h 0=0.6MeV=0.2 0求求:Ee=?解：入射的解：入射的X射线能量：射线能量：000ChhE)(1048. 22 . 12 . 012000m)(1007. 21060. 11060. 01031063. 6/1219683400mEhC20Cm2mC0hh