光电效应 康普顿散射

光电效应康普顿散射第一页，共二十七页，2022年，8月28日物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900第二页，共二十七页，2022年，8月28日第三页，共二十七页，2022年，8月28日近年来的发展：*粒子物理高能加速器产生新粒子，已发现300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。**太阳中微子短缺问题**引力波存在的问题**物体的速度能否超过光速的问题第四页，共二十七页，2022年，8月28日**非平衡热力学及统计物理物理学发展的总趋向：*学科之间的大综合。*相互渗透结合成边缘学科。二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出光电效应康普顿效应。黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。原子的线光谱和原子结构。第五页，共二十七页，2022年，8月28日11.2

光电效应爱因斯坦光量子假说11.2.1光电效应的实验规律如图所示，为光电效应的基本装置。S：真空的玻璃容器m：石英玻璃窗A：阳极K：阴极（金属板）UGmSAK当紫外线或波长很短的可见光照在阴极时，金属板将释放电子即光电子。第六页，共二十七页，2022年，8月28日（1）饱和光电流强度与入射光强度成正比。或者说：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比U0312UIIS0如图即为相同频率，不同入射光强度1、光电效应的实验规律（实验结果）Is称为饱和光电流U0称为遏止电压（I=0的电压）（2）光电子的初动能与入射光强度无关，而与入射光的频率成正比。第七页，共二十七页，2022年，8月28日U03U02U01312UIIS0红限频率截止电压的大小反映光电子初动能的大小由上图可知：I=0时有截止电压与入射光频率有线性关系实验证明：Ua对不同金属有不同值,eUa称逸出功第八页，共二十七页，2022年，8月28日（3）产生光电效应的金属具有一定的截止频率。由可知，只有当从金属表面逸出的电子才具有初动能，即产生光电效应。（4）光电效应具有瞬时性，或说响应速度很快，10-9秒。只要，则在光照射金属表面后，几乎立即就有光电子逸出，与光的强度无关。

几种纯金属的截止频率金属截止频率4.5455.508.06511.53铯钠锌铱铂19.29第九页，共二十七页，2022年，8月28日

*经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大，即初动能正比于光强。但实验上光电子初动能只与频率有关，而与光强无关。*只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。

*瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。11.2.2经典理论的困难例如：强度为1W/m2的光照在金属Na

上，需107秒即115天电子才能逸出（经典）第十页，共二十七页，2022年，8月28日11.2.3爱因斯坦的光量子假说1、爱因斯坦光量子假说：光子论假设：一束光是一粒一粒以速度c运动的粒子流，这些粒子称光子，但它们仍保留频率、波长的概念认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性。一个频率为的光子具有能量，其中h为普朗克常数，值为：由相对论知识可知：第十一页，共二十七页，2022年，8月28日可见：光子即具有粒子特性m、P，又具有波动性、我们将这种波动性和粒子性并存的性质称为光的波粒二象性。光的波动性（p）和粒子性（）是通过普朗克常数联系在一起的。2、用光量子假说解释光电效应（1）由可看出，光子的初动能与光的频率成正比，而与光强无关。该式称为爱因斯坦光电效应方程由能量守恒得：A为逸出功第十二页，共二十七页，2022年，8月28日（2）当入射光子的能量小于逸出功时，光电子的初动能为零，不能逸出；只有当hA时，才能产生光电效应。截止频率=A/h（3）光的强弱只表明光子数的多少，而光子的能量恒定。一个光子的能量是一次地被电子吸收，所以，只要hA，电子吸收光子即逸出，具有瞬时性。第十三页，共二十七页，2022年，8月28日3光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.光电倍增管放大器接控件机构光光控继电器示意图第十四页，共二十七页，2022年，8月28日

例1设有一半径为的薄圆片，它距光源1.0m.此光源的功率为1W，发射波长为589nm的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.解第十五页，共二十七页，2022年，8月28日1920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.一实验装置11.3康普顿效应第十六页，共二十七页，2022年，8月28日二实验结果（相对强度）（波长）1.在散射X

射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线.2.波长的增加量与散射角有关。3.当散射角确定时，波长的增加量与散射物质的性质无关。4.散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射较强，即正常峰较低。反之相反。第十七页，共二十七页，2022年，8月28日经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率.经典理论无法解释波长变化.三经典理论的困难第十八页，共二十七页，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.（1）物理模型入射光子（X射线或射线）能量大

.固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.四量子解释电子光子

电子热运动能量，可近似为静止电子.范围为：第十九页，共二十七页，2022年，8月28日（2）理论分析能量守恒动量守恒第二十页，共二十七页，2022年，8月28日康普顿波长康普顿公式实验总结的结果:可见：实验与理论结果符合的相当好！！第二十一页，共二十七页，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）结论第二十二页，共二十七页，2022年，8月28日康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。应用光子概念解释康普顿散射:（1）一个光子与散射物中一个自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞后，光子将沿某一方向散射，即康普顿散射的方向。在碰撞时，光子的一部分能量传给电子，所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即散射光波的波长要比入射光波的波长大。（2）若光子与原子中束缚很强的电子碰撞，由于整个原子的质量比光子大得多，光子的能量没有显著变化所以散射光的频率没有显著变化，即散射光波的波长与入射光波的波长相等。第二十三页，共二十七页，2022年，8月28日解（1）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？（2）反冲电子的动能

（3）光子损失的能量＝反冲电子的动能第二十四页，共二十七页，2022年，8月28日例1、在康普顿散射中，入射光的波长为0.030Å，反冲电子速度为c×60%.求：散射光子的波长及散射角。解：由已知，入射光的能量，散射光子的能量因光子与电子碰撞时能量守恒，所以电子获得的动能为而由相对论：