光电效应与康普顿效应比较

光电效应与康普顿效应比较物理与信息科学学院2009届毕业论文（设计）PAGE光电效应与康普顿效应的比较周嘉夫（天水师范学院物理与信息科学学院，甘肃天水741001）摘要:光电效应和康普顿效应是光的粒子性的两个重要证据，通过对两效应实验规律的比较及产生条件的分析，论述两效应之间存在的本质差异，进一步说明光电效应和康普效应虽然都是光子与原子的作用过程，但产生条件和现象却是根本不同的。关键词:光电效应康普顿效应光子散射电子自由电子差异能量作用比较TheComparisonofPhotoelectricEffectandKonptonEffectZhouJiafu(SchoolofPhysicsandInformationScience,TianshuiNormaluniversity,Abstract:PhotoelectriceffectandComptoneffectistheparticlenatureoflightaretwoimportantevidence.EffectofthetwoexperimentsandproductionofcomparativelawanalysisoftheconditionsdiscussedbetweenthetwoeffectsofdifferencesinthephotoelectriceffectandfurtherComptonEffectAlthoughtheyareboththeroleofphotonandatom,butphenomenaarisingfromtheconditionsanditisstep-by-stepwiththefundamental.Keywords:Scattering,Electron,PhotoelectricEffect,KonptonEffec,FreeElectron，Photon，Function，Energy，ComparisonPAGE1当频率为的光子与原子相互作用时,由于作用的形式及产生的后果不同，出现的现象主要有：①光子继续按原来的方式运动,就好象那儿没有原子存在一样,而原子也不受任何扰动;②产生光电效应,光子的能量被原子吸收,转移给某个电子,使该电子脱离原子的束缚(从原子中电离),形成一个自由电子和一个正离子;③产生康普顿效应,在该效应中,光子被原子内较松散的外层电子所散射,光子失掉一部分能量变为电子的反冲动能,散射光子的频率减小,由于原子核对外层电子束缚得很松,可把原子的外层电子看作自由电子。除此之外,光子与原子的相互作用,还可能会产生其它一些更复杂的现象，这里不再赘述。本文仅讨论将光电效应和康普顿效应作为光的粒子性的两个有力证据,说明光不仅具有分立的能量,而且还具有一定的动量。用爱因斯坦的光子理论可以圆满解释光电效应和康普顿效应的实验结果。现行光学教材[1][2][3]中,均没有深入讨论两种效应的本质上差异。为什么它们同是光子与电子的碰撞过程,却引起了截然不同的两种效应?本文从实验事实出发,对光电效应和康普顿效应规律和本质作了比较。1光电效应和康普顿效应实验规律的比较3光电效应和康普顿效应微观本质上的差异光电效应与康普顿效应产生的条件及现象是根本不同的[6]。光电效应中,光子将全部能量转移给原子中的束缚电子而使其电离并脱离原子,且不发生任何光辐射。康普顿效应中,光子与原子作用的结果,使光子被散射出来,且散射光子的能量变小(波长变大)。另外,产生光电效应要求的光子能量较小(紫外附近);产生康普顿效应要求的光子能量较大(X射线)。下面从光子与电子碰撞(即光子与原子的作用)的情况来证明:①静止或运动的自由电子都不能吸收光子,光电效应是由于束缚电子吸收光子而产生的。②康普顿效应是由于光子与自由电子相互作用而引起的光的散射的结果。3.1处于静止状态的自由电子不能吸收光子设原来静止的自由电子与光子碰撞后吸收了光子而以的速度运动,则由能量守恒定律有：（1）式中和分别是电子的静止质量和运动质量,为入射光子的频率。又由动量守恒定律有：（2）由（1）式得：由（2）式得：显然,分别由能量守恒定律和动量守恒定律决定的电子运动速度不相同,说明自由电子吸收光子这一过程不能同时满足自然界普遍存在的能量守恒定律和动量守恒定律,表明这一过程是不能发生的。3.2处于运动状态的自由电子也不能吸收光子为了简便起见,假设碰撞前电子的运动速度与入射光子的速度相互垂直,光子与处于运动状态的自由电子碰撞后被吸收,则由能量守恒定律应有：（3）式中为电子的静止质量,为电子碰撞前的动质量,为电子碰撞后的动质量。又由动量守恒定律有：X方向：Y方向：将两式取平方并相加,得：（4）由式(3)得：由式(4)得：可见,由式(3)和式(4)决定的速度不同,即这一过程不能同时满足能量守恒定律和动量守恒定律,表明此过程亦不能发生。3.3只有束缚电子才能吸收光子而产生光电效应因为电子被束缚,故必然具有一束缚能量:,这样电子方能吸收光子,此时的能量守恒定律为:即：,当<<c时，有：显然,若,则>0,即发生光电效应。这便是爱因斯坦的光电效应方程。3.4光子与自由电子作用,产生康普顿效应康普顿效应是入射光子被原子中束缚很弱的电子散射后产生的波长变长(能量变小)的现象。为了简单,一般光学教科书均采用由光子与自由电子产生弹性碰撞的假设,按能量守恒定律和动量守恒定律给出与实验事实相一致的解释[7],在此就不再复述了。从前面的讨论可见,光电效应与康普顿效应的根本差异在于:光电效应是光子与原子中束缚电子相互作用而产生的现象;而康普顿效应是光子与原子外层束缚较松散的电子相互作用所产生的现象。要说明的是产生康普顿效应的X射线(ev)的能量远大于电子的束缚能。可见在康普顿效应中把外层电子看作是自由的是可行的。但对光电效应,入射光子一般为紫外光,其能量与金属中电子的束缚能比较接近,故束缚电子就不能看作是自由电子了。结束语由光电效应和康普顿效应实验规律的比较，可以得到光子理论可以完满的解释两效应的实验规律，而波动理论则不能很好的解释。光电效应或康普顿效应或其它现象的发生也只是光子与原子在不同条件作用下的一种宏观统计结果。而光子与束缚或自由电子的作用也使的两效应有了本质的差异。这样就更全面和更深入的认识了光电效应和康普顿效应。参考文献:[1]母国光,战元令.光学[M].北京：人民教育出版社,1978.619-642.[2]姚启均.光学教程[M].北京：人民教育出版社,1981.403-426.[3]赵凯华,钟锡华.光学：下册[M].北京：北京大学出版社,1984.258-285.[4]徐云.对于康普顿散射中λ′>λ的解释