第4章 奇妙的有色和無色世界熱輻射——光與物質(zhì)的相互作用2：光電效應(yīng)

1、4-14-1光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛因斯坦方程愛因斯坦方程 一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)：可見光或紫外光射到某些金屬表面上光電效應(yīng)：可見光或紫外光射到某些金屬表面上時(shí)，有電子從表面逸出的現(xiàn)象。時(shí)，有電子從表面逸出的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置mAVKAR光電流光電流: 這些這些光電子光電子在在電場的作用下飛向陽極電場的作用下飛向陽極二、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律二、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律1、單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的、單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)與入射光電子數(shù)與入射光強(qiáng)度成正比光強(qiáng)度成正比 光電子光電子入入入入NINeiIS U0-Ua1I2I3Ii2si1si3siKAUUU)(飽和siiU從從K射出的電子

2、全部飛向陽極射出的電子全部飛向陽極A，形成，形成飽和電流飽和電流。設(shè)單位。設(shè)單位時(shí)間從時(shí)間從K飛出飛出N個(gè)電子，則個(gè)電子，則經(jīng)典物理的解釋是：電子從金屬中逸出要克服阻經(jīng)典物理的解釋是：電子從金屬中逸出要克服阻力作功。光強(qiáng)越大，光振輻力作功。光強(qiáng)越大，光振輻E0越大，受強(qiáng)迫的電越大，受強(qiáng)迫的電子振動(dòng)動(dòng)能越大，能克服阻力逸出金屬表面的電子振動(dòng)動(dòng)能越大，能克服阻力逸出金屬表面的電子越多。故與光強(qiáng)成正比子越多。故與光強(qiáng)成正比2 2、光電子的最大初動(dòng)能隨入射光的頻率增大而線、光電子的最大初動(dòng)能隨入射光的頻率增大而線性增大，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)性增大，與入射光的強(qiáng)度無關(guān) 1）實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)）實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)U=0

3、時(shí)，乃至?xí)r，乃至U 0的散射線存在（的散射線存在（Compton散射）。散射）。2341原始原始 =450 =900 =13500.700.75 ()強(qiáng)強(qiáng)度度原子量較小的物質(zhì)散射較強(qiáng)。原子量較小的物質(zhì)散射較強(qiáng)。原子量大的物質(zhì)，原子量大的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)較弱康普頓效應(yīng)較弱 。散射線波長的增量散射線波長的增量 與散射角與散射角 有關(guān)有關(guān)（ 增增加，加， 增加增加, 一定，一定， 一定，與散射物質(zhì)無關(guān)）一定，與散射物質(zhì)無關(guān)）1925192619251926年，中國物理學(xué)家吳有訓(xùn)用其它物質(zhì)年，中國物理學(xué)家吳有訓(xùn)用其它物質(zhì)代替石墨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)代替石墨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn) 02sin2)cos1 (2ccmc

4、mhec121043. 2二、康普頓散射的解釋二、康普頓散射的解釋康普頓散射是光與物質(zhì)的相互作用，先要搞清：康普頓散射是光與物質(zhì)的相互作用，先要搞清：在什么條件下發(fā)生的相互作用？在什么條件下發(fā)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？ 經(jīng)典散射，用經(jīng)典電磁理論經(jīng)典散射，用經(jīng)典電磁理論受迫振動(dòng)頻率等于入射線頻率；受迫振動(dòng)頻率等于入射線頻率； 在獅子面前兔子沒有被束縛！在獅子面前兔子沒有被束縛！好有一比！好有一比！竹竹籠籠1、Compton散射是光和自由電子的相互作用散射是光和自由電子的相互作用因因X射線的頻率高，能量在射線的頻率高，能量在104eV數(shù)量級，數(shù)量級，而而石墨中的電子

5、所受的束縛能量僅有幾個(gè)電子石墨中的電子所受的束縛能量僅有幾個(gè)電子伏特。伏特。相當(dāng)于是沒受束縛的自由電子。相當(dāng)于是沒受束縛的自由電子。2、自由電子不會(huì)吸收光子，而只能以碰撞的形式、自由電子不會(huì)吸收光子，而只能以碰撞的形式進(jìn)行相互作用。進(jìn)行相互作用。康普頓的分析：康普頓的分析：過程滿足能量守恒及動(dòng)量守恒過程滿足能量守恒及動(dòng)量守恒20Cm碰碰 撞撞 前前碰碰 撞撞 后后電子電子光子光子反沖電子反沖電子光子光子能量能量動(dòng)量動(dòng)量2mC0hh000 nChnChVm=+=+3 3、ComptonCompton實(shí)驗(yàn)的意義實(shí)驗(yàn)的意義1）證實(shí)了光子理論的正確性）證實(shí)了光子理論的正確性 ，說明了光子具有，說明了光

6、子具有 質(zhì)量、質(zhì)量、 能量、動(dòng)量能量、動(dòng)量-光具有粒子光具有粒子 性。性。2）在微觀領(lǐng)域內(nèi)，同樣嚴(yán)格遵守動(dòng)量守恒和能）在微觀領(lǐng)域內(nèi)，同樣嚴(yán)格遵守動(dòng)量守恒和能 量守恒。量守恒。AHCompton（18921952年）美國物理學(xué)年）美國物理學(xué)家，家，1927年獲諾貝爾獎(jiǎng)年獲諾貝爾獎(jiǎng)nChVm00 nCh例：已知例：已知X X光子的能量為光子的能量為0.60MeV0.60MeV，在康普頓散射，在康普頓散射后，波長變化了后，波長變化了20%20%，求反沖電子動(dòng)能。，求反沖電子動(dòng)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射線能量：射線能量：000ChhE)(1048. 22 . 12 . 012000m)(1007. 21060. 11060. 01031063. 6/1219683400mEhC20Cm2mC0hh