光电效应康普顿效应

关于光电效应康普顿效应1第一页，共三十三页，2022年，8月28日光电效应是在1888年，赫兹做验证电磁波的实验中发现的。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，这种现象称为光电效应。逸出的电子称为光电子。由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。外光电效应内光电效应１、现象一些晶体或半导体在受到光照时，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，这被称为内光电效应。2第二页，共三十三页，2022年，8月28日研究光电效应主要是要解决以下问题：１）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；２）光电子的初动能由什么因素决定；３）产生光电子的条件是什么；４）如何从理论上解释光电效应。3第三页，共三十三页，2022年，8月28日石英窗光线经石英窗照在光电管的阴极Ｋ上，就有电子从阴极表面逸出——光电子。光电子在电场的作用下向阳极Ａ运动，形成光电流。2、光电效应的实验规律阳极阴极AV4第四页，共三十三页，2022年，8月28日光电效应的实验规律：１）光电流与入射光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。所以，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。5第五页，共三十三页，2022年，8月28日２）光电子初动能与入射光频率的关系当K、A间加反向电压，光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阳极，光电流就为0，满足：

光电流恰为0时所加的反向电压Ua称为截止电压。截止电压的大小反映光电子初动能的大小。6第六页，共三十三页，2022年，8月28日实验表明：式中K和U0

都是正数，K

是一个普适恒量，不随金属的种类而变；U0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。表明：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。7第七页，共三十三页，2022年，8月28日3）产生光电效应的条件（截止频率0——红限）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

>0

时，电子才能逸出金属表面。0称为光电效应的红限。而当入射光频率

<0

时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。４）光电效应是瞬时的。要产生光电效应，必须有：截止频率与材料有关与光强无关。当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。从光开始照射，到光电逸出所需时间<10-9s。8第八页，共三十三页，2022年，8月28日光的波动理论与光电效应实验规律相矛盾光的波动理论光电效应实验规律应与光强有关电子从具有一定振幅的光波中吸收与光强无关不论什么频率，只要光足够强，总可连续供给电子足够的能量而逸出。金属材料的截止频率时，无论多强，均无电子逸出。初动能与光强有关无红限有红限初动能与光强无关瞬时响应响应快慢取决光强光强越弱，电子从连续光波中吸收并累积能量到逸出所需的时间越长。只要不论光强多弱，几乎同时观察到光电效应。（小于）能量而逸出其初动能9第九页，共三十三页，2022年，8月28日二、爱因斯坦的光量子假设1、内容：光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也具有粒子性。即认为：一束光是一粒粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。每一个光子的能量为=h。其中为光的频率，h为普朗克常数。不同频率的光子具有不同的能量。一束频率为ν单色平行光的光强，等于单位时间垂直通过单位横截面积的光子数N与每一光子能量h的乘积。为了解释光电效应，1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出光量子假设。10第十页，共三十三页，2022年，8月28日在光电效应中，金属中的一个电子吸收一个光子后，就获得h的能量，2、爱因斯坦光电效应方程式中：A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功；为光电子的最大初动能。一部分用于电子逸出金属表面时需克服金属阻力需做的功Ａ（逸出功）。另一部分变为光电子的初动能Ek0

。由能量守恒可得出：（爱因斯坦光电效应方程）11第十一页，共三十三页，2022年，8月28日初动能及反向截止电压与成正比，而与光强无关。２）的解释3、光电效应的解释由可知，１）截止频率0（红限）的解释当入射光频率

>0

时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。不同金属具有不同的截止频率。12第十二页，共三十三页，2022年，8月28日４）光电效应瞬时性的解释光子与电子发生作用时，光子一次性将h的能量交给电子。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，与光强无关。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。３）光电流正比于光强的解释Ｉ＝Ｎh。光强正比于单位时间流过单位面积的光子数。光强越大，光子数越多。13第十三页，共三十三页，2022年，8月28日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）截止电压与入射光强无关，而与入射光频率具有线性关系。14第十四页，共三十三页，2022年，8月28日例：铂的逸出功为6.3eV，求：铂的截止频率0。解：例：钾的截止频率0=4.621014Hz，以波长=435.8nm的光照射，求：钾放出光电子的初速度。解：15第十五页，共三十三页，2022年，8月28日光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。光在与物质发生作用时表现出粒子性ε＝h

ν，如光电效应，康普顿效应。５、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：上两式左边是描写粒子性的ε

、P；右边是描写波动性的、。h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。16第十六页，共三十三页，2022年，8月28日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过程中应用了光的粒子性，因而成功地解决了这个难题。历史上牛顿也是把光看成粒子流的，但是他的“粒子”模型不对。─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。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舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。17第十七页，共三十三页，2022年，8月28日例：求波长为20nm紫外线光子的能量、动量及质量。解：能量：动量：质量：18第十八页，共三十三页，2022年，8月28日光的散射：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的现象，称为光的散射。散射光的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。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。三、康普顿效应19第十九页，共三十三页，2022年，8月28日

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第二十页，共三十三页，2022年，8月28日实验结果（相对强度）（波长）在散射X

射线中除有与入射波长相同的成分外，还有波长比入射波长更长的射线。

波长的变化量，随散射角的增大而增大。而与入射光的波长0和散射物质都无关。*实验还发现，原子量小的散射物质，康普顿散射较强；原子量大的散射物质，康普顿效应较弱。21第二十一页，共三十三页，2022年，8月28日l

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波长偏移量检测系统晶体l

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散射角l

射线源l

散射体随的增大而增大，与物质种类无关。l

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实验22第二十二页，共三十三页，2022年，8月28日不同散射物质的实验对同一散射角l

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Z16Z26X射线X射线X射线Z6原子序数原子序数原子序数FeFe谱线的强度增强；谱线的强度减弱。各种散射物质对同一散射角，波长偏离量相等。若散射物质的原子序数增加，散射线中23第二十三页，共三十三页，2022年，8月28日

按照经典电磁理论，入射的Ｘ射线是一种电磁波。当Ｘ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）。因而，它只能说明有正常散射存在，即散射光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个现象。康普顿效应也是经典理论无法解释的。经典理论无法解释有散射光波长增大的现象。24第二十四页，共三十三页，2022年，8月28日光子电子电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理。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=h０

的光子组成，并且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25第二十五页，共三十三页，2022年，8月28日碰撞前：光子能量为ho，动量为ho/c；电子的能量为moc2，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第二十六页，共三十三页，2022年，8月28日（2）理论分析由能量守恒及动量守恒（动量守恒分量式）27第二十七页，共三十三页，2022年，8月28日康普顿波长康普顿公式28第二十八页，共三十三页，2022年，8月28日散射光波长的改变量仅与有关散射光子能量减小康普顿公式（3）结论与的关系与物质无关，是光子与自由电子间的相互作用。29第二十九页，共三十三页，2022年，8月28日l

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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

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康普顿效应30第三十页，共三十三页，2022年，8月28日康普顿效应与光电