光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)

關(guān)于光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)1第一頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(yīng)是在1888年，赫茲做驗(yàn)證電磁波的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。一、光電效應(yīng)當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。由于金屬表面的電子吸收外界的光子，克服金屬的束縛而逸出金屬表面的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)１、現(xiàn)象一些晶體或半導(dǎo)體在受到光照時(shí)，其內(nèi)部的原子釋放的光電子仍留在材料內(nèi)部，使材料的導(dǎo)電性增強(qiáng)，這被稱為內(nèi)光電效應(yīng)。2第二頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日研究光電效應(yīng)主要是要解決以下問題：１）當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，從金屬表面逸出來的光電子數(shù)和什么因素有關(guān)；２）光電子的初動(dòng)能由什么因素決定；３）產(chǎn)生光電子的條件是什么；４）如何從理論上解釋光電效應(yīng)。3第三頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日石英窗光線經(jīng)石英窗照在光電管的陰極Ｋ上，就有電子從陰極表面逸出——光電子。光電子在電場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極Ａ運(yùn)動(dòng)，形成光電流。2、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極AV4第四頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：１）光電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。所以，單位時(shí)間從金屬表面逸出的總的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。5第五頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日２）光電子初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功。當(dāng)逸出時(shí)初速度最大的光電子也不能到達(dá)陽(yáng)極，光電流就為0，滿足：

光電流恰為0時(shí)所加的反向電壓Ua稱為截止電壓。截止電壓的大小反映光電子初動(dòng)能的大小。6第六頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)表明：式中K和U0

都是正數(shù)，K

是一個(gè)普適恒量，不隨金屬的種類而變；U0對(duì)同一種金屬是一個(gè)恒量，不同金屬U0的值不同，即與金屬的種類有關(guān)。表明：光電子逸出時(shí)的最大初動(dòng)能隨入射光的頻率線性增加，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。7第七頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日3）產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件（截止頻率0——紅限）對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率0

。

所以，當(dāng)入射光頻率

>0

時(shí)，電子才能逸出金屬表面。0稱為光電效應(yīng)的紅限。而當(dāng)入射光頻率

<0

時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。４）光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。要產(chǎn)生光電效應(yīng)，必須有：截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，幾乎立即就有光電子逸出。從光開始照射，到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。8第八頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光的波動(dòng)理論與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律相矛盾光的波動(dòng)理論光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)電子從具有一定振幅的光波中吸收與光強(qiáng)無(wú)關(guān)不論什么頻率，只要光足夠強(qiáng)，總可連續(xù)供給電子足夠的能量而逸出。金屬材料的截止頻率時(shí)，無(wú)論多強(qiáng)，均無(wú)電子逸出。初動(dòng)能與光強(qiáng)有關(guān)無(wú)紅限有紅限初動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān)瞬時(shí)響應(yīng)響應(yīng)快慢取決光強(qiáng)光強(qiáng)越弱，電子從連續(xù)光波中吸收并累積能量到逸出所需的時(shí)間越長(zhǎng)。只要不論光強(qiáng)多弱，幾乎同時(shí)觀察到光電效應(yīng)。（小于）能量而逸出其初動(dòng)能9第九頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日二、愛因斯坦的光量子假設(shè)1、內(nèi)容：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也具有粒子性。即認(rèn)為：一束光是一粒粒以光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子，簡(jiǎn)稱光子。每一個(gè)光子的能量為=h。其中為光的頻率，h為普朗克常數(shù)。不同頻率的光子具有不同的能量。一束頻率為ν單色平行光的光強(qiáng)，等于單位時(shí)間垂直通過單位橫截面積的光子數(shù)N與每一光子能量h的乘積。為了解釋光電效應(yīng)，1905年愛因斯坦在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上提出光量子假設(shè)。10第十頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日在光電效應(yīng)中，金屬中的一個(gè)電子吸收一個(gè)光子后，就獲得h的能量，2、愛因斯坦光電效應(yīng)方程式中：A為電子逸出金屬表面所需作的功，稱為逸出功；為光電子的最大初動(dòng)能。一部分用于電子逸出金屬表面時(shí)需克服金屬阻力需做的功Ａ（逸出功）。另一部分變?yōu)楣怆娮拥某鮿?dòng)能Ek0

。由能量守恒可得出：（愛因斯坦光電效應(yīng)方程）11第十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日初動(dòng)能及反向截止電壓與成正比，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。２）的解釋3、光電效應(yīng)的解釋由可知，１）截止頻率0（紅限）的解釋當(dāng)入射光頻率

>0

時(shí)，電子才能逸出金屬表面，產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同金屬具有不同的截止頻率。12第十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日４）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋光子與電子發(fā)生作用時(shí)，光子一次性將h的能量交給電子。只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無(wú)需積累能量的時(shí)間，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。金屬內(nèi)電子吸收一個(gè)光子可以釋放一個(gè)光電子。光強(qiáng)越大，光電子越多，光電流越大。３）光電流正比于光強(qiáng)的解釋Ｉ＝Ｎh。光強(qiáng)正比于單位時(shí)間流過單位面積的光子數(shù)。光強(qiáng)越大，光子數(shù)越多。13第十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日一般處理光電效應(yīng)的問題，要用到以下幾個(gè)關(guān)系：（愛因斯坦光電效應(yīng)方程）截止電壓與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而與入射光頻率具有線性關(guān)系。14第十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日例：鉑的逸出功為6.3eV，求：鉑的截止頻率0。解：例：鉀的截止頻率0=4.621014Hz，以波長(zhǎng)=435.8nm的光照射，求：鉀放出光電子的初速度。解：15第十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光在傳播過程中表現(xiàn)出波動(dòng)性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。光在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性ε＝h

ν，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。５、光的波粒二象性相對(duì)論能量和動(dòng)量關(guān)系光子

光子能量和動(dòng)量為：上兩式左邊是描寫粒子性的ε

、P；右邊是描寫波動(dòng)性的、。h將光的粒子性與波動(dòng)性聯(lián)系起來。波粒二象性是客觀物質(zhì)的共同屬性。16第十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)典物理解釋光電效應(yīng)遇到的困難在于它僅看到了光的波動(dòng)性，愛因斯坦在光與物質(zhì)相互作用的過程中應(yīng)用了光的粒子性，因而成功地解決了這個(gè)難題。歷史上牛頓也是把光看成粒子流的，但是他的“粒子”模型不對(duì)。─光的波粒二象性光具有波動(dòng)性，又有粒子性，即具有波粒二象性。關(guān)于光的本性問題，我們不應(yīng)該在微粒說和波動(dòng)說之間進(jìn)行取舍，而應(yīng)該把它們看作是光的本性的兩種不同側(cè)面的描述。17第十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日例：求波長(zhǎng)為20nm紫外線光子的能量、動(dòng)量及質(zhì)量。解：能量：動(dòng)量：質(zhì)量：18第十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光的散射：光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的介質(zhì)（如霧、含有懸浮物的液體）時(shí)，會(huì)發(fā)生一部分光線偏離原來的方向的現(xiàn)象，稱為光的散射。散射光的波長(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)幾乎相等，這可以由經(jīng)典的電磁理論得到圓滿解釋。愛因斯坦斷言：光是由光子組成，但真正證明光是由光子組成的還是康普頓實(shí)驗(yàn)。三、康普頓效應(yīng)19第十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日

1923年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長(zhǎng)發(fā)生變化了的成分。實(shí)驗(yàn)裝置20第二十頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)結(jié)果（相對(duì)強(qiáng)度）（波長(zhǎng)）在散射X

射線中除有與入射波長(zhǎng)相同的成分外，還有波長(zhǎng)比入射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線。

波長(zhǎng)的變化量，隨散射角的增大而增大。而與入射光的波長(zhǎng)0和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。*實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，原子量小的散射物質(zhì)，康普頓散射較強(qiáng)；原子量大的散射物質(zhì)，康普頓效應(yīng)較弱。21第二十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日l(shuí)

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波長(zhǎng)偏移量檢測(cè)系統(tǒng)晶體l

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散射角l

射線源l

散射體隨的增大而增大，與物質(zhì)種類無(wú)關(guān)。l

~

實(shí)驗(yàn)22第二十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日不同散射物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)同一散射角l

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Z16Z26X射線X射線X射線Z6原子序數(shù)原子序數(shù)原子序數(shù)FeFe譜線的強(qiáng)度增強(qiáng)；譜線的強(qiáng)度減弱。各種散射物質(zhì)對(duì)同一散射角，波長(zhǎng)偏離量相等。若散射物質(zhì)的原子序數(shù)增加，散射線中23第二十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日

按照經(jīng)典電磁理論，入射的Ｘ射線是一種電磁波。當(dāng)Ｘ射線通過物質(zhì)時(shí)，將引起散射物質(zhì)中的帶電粒子受迫振動(dòng)。帶電粒子將以入射電磁波一樣的頻率作電磁振動(dòng)，并向各個(gè)方向輻射出和入射頻率相同的電磁波（散射波）。因而，它只能說明有正常散射存在，即散射光的頻率與入射光頻率相等?？灯疹D用光子的概念簡(jiǎn)單而成功地解釋了這個(gè)現(xiàn)象?？灯疹D效應(yīng)也是經(jīng)典理論無(wú)法解釋的。經(jīng)典理論無(wú)法解釋有散射光波長(zhǎng)增大的現(xiàn)象。24第二十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光子電子電子反沖速度很大，需用相對(duì)論力學(xué)來處理。入射光子（X射線或射線）能量大。固體表面電子束縛較弱，可視為自由電子。電子光子

電子熱運(yùn)動(dòng)能量，可近似為靜止電子。范圍為：X射線是由一些能量為=h０

的光子組成，并且這些光子與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞。3.康普頓效應(yīng)的光量子理論解釋25第二十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日碰撞前：光子能量為ho，動(dòng)量為ho/c；電子的能量為moc2，動(dòng)量為零。碰撞后：光子散射角為，光子能量為h，動(dòng)量為h/c；電子飛出的方向與入射光子的夾角為，它的能量為，動(dòng)量為。光子電子電子光子26第二十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日（2）理論分析由能量守恒及動(dòng)量守恒（動(dòng)量守恒分量式）27第二十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日康普頓波長(zhǎng)康普頓公式28第二十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日散射光波長(zhǎng)的改變量?jī)H與有關(guān)散射光子能量減小康普頓公式（3）結(jié)論與的關(guān)系與物質(zhì)無(wú)關(guān)，是光子與自由電子間的相互作用。29第二十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日l(shuí)

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X

射線其光子能量比可見光光子能量大上萬(wàn)倍原子核與內(nèi)層電子組成的原子實(shí)外層電子散射體康普頓最初用石墨，其原子序數(shù)不太大、電子結(jié)合能不太高。l

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康普頓效應(yīng)30第三十頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日康普頓效應(yīng)與光電