光電效應 康普頓散射

光電效應康普頓散射第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學經典物理現(xiàn)代物理力學熱學電磁學光學相對論量子論非線性時間t關鍵概念的發(fā)展力學電磁學熱學相對論量子論1600170018001900第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日近年來的發(fā)展：*粒子物理高能加速器產生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學、重整化方法。*天體物理運用物理學實驗方法和理論對宇宙各種星球進行觀測和研究，從而得出相應的天文規(guī)律的學科。應用經典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子物理。**太陽中微子短缺問題**引力波存在的問題**物體的速度能否超過光速的問題第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日**非平衡熱力學及統(tǒng)計物理物理學發(fā)展的總趨向：*學科之間的大綜合。*相互滲透結合成邊緣學科。二十世紀物理學中兩個重要的概念：場和對稱性從經典物理學到量子力學過渡時期的三個重大問題的提出光電效應康普頓效應。黑體輻射問題，即所謂“紫外災難”。原子的線光譜和原子結構。第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日11.2

光電效應愛因斯坦光量子假說11.2.1光電效應的實驗規(guī)律如圖所示，為光電效應的基本裝置。S：真空的玻璃容器m：石英玻璃窗A：陽極K：陰極（金屬板）UGmSAK當紫外線或波長很短的可見光照在陰極時，金屬板將釋放電子即光電子。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日（1）飽和光電流強度與入射光強度成正比。或者說：單位時間內從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光強成正比U0312UIIS0如圖即為相同頻率，不同入射光強度1、光電效應的實驗規(guī)律（實驗結果）Is稱為飽和光電流U0稱為遏止電壓（I=0的電壓）（2）光電子的初動能與入射光強度無關，而與入射光的頻率成正比。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日U03U02U01312UIIS0紅限頻率截止電壓的大小反映光電子初動能的大小由上圖可知：I=0時有截止電壓與入射光頻率有線性關系實驗證明：Ua對不同金屬有不同值,eUa稱逸出功第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日（3）產生光電效應的金屬具有一定的截止頻率。由可知，只有當從金屬表面逸出的電子才具有初動能，即產生光電效應。（4）光電效應具有瞬時性，或說響應速度很快，10-9秒。只要，則在光照射金屬表面后，幾乎立即就有光電子逸出，與光的強度無關。

幾種純金屬的截止頻率金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.29第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日

*經典認為光強越大，飽和電流應該大，光電子的初動能也該大，即初動能正比于光強。但實驗上光電子初動能只與頻率有關，而與光強無關。*只要頻率高于紅限，既使光強很弱也有光電流；頻率低于紅限時，無論光強再大也沒有光電流。而經典認為有無光電效應不應與頻率有關。

*瞬時性。經典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。11.2.2經典理論的困難例如：強度為1W/m2的光照在金屬Na

上，需107秒即115天電子才能逸出（經典）第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日11.2.3愛因斯坦的光量子假說1、愛因斯坦光量子假說：光子論假設：一束光是一粒一粒以速度c運動的粒子流，這些粒子稱光子，但它們仍保留頻率、波長的概念認為光不僅在與物質相互作用時（發(fā)射和吸收），具有粒子性，而且在傳播過程中也有粒子性。一個頻率為的光子具有能量，其中h為普朗克常數(shù)，值為：由相對論知識可知：第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日可見：光子即具有粒子特性m、P，又具有波動性、我們將這種波動性和粒子性并存的性質稱為光的波粒二象性。光的波動性（p）和粒子性（）是通過普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。2、用光量子假說解釋光電效應（1）由可看出，光子的初動能與光的頻率成正比，而與光強無關。該式稱為愛因斯坦光電效應方程由能量守恒得：A為逸出功第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日（2）當入射光子的能量小于逸出功時，光電子的初動能為零，不能逸出；只有當hA時，才能產生光電效應。截止頻率=A/h（3）光的強弱只表明光子數(shù)的多少，而光子的能量恒定。一個光子的能量是一次地被電子吸收，所以，只要hA，電子吸收光子即逸出，具有瞬時性。第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日3光電效應在近代技術中的應用光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等.光電倍增管放大器接控件機構光光控繼電器示意圖第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日

例1設有一半徑為的薄圓片，它距光源1.0m.此光源的功率為1W，發(fā)射波長為589nm的單色光.假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數(shù).解第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日1920年，美國物理學家康普頓在觀察X射線被物質散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分.一實驗裝置11.3康普頓效應第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日二實驗結果（相對強度）（波長）1.在散射X

射線中除有與入射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線.2.波長的增加量與散射角有關。3.當散射角確定時，波長的增加量與散射物質的性質無關。4.散射的強度與散射物質有關。原子量小的散射較強，即正常峰較低。反之相反。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日經典電磁理論預言，散射輻射具有和入射輻射一樣的頻率.經典理論無法解釋波長變化.三經典理論的困難第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日光子電子電子反沖速度很大，需用相對論力學來處理.（1）物理模型入射光子（X射線或射線）能量大

.固體表面電子束縛較弱，可視為近自由電子.四量子解釋電子光子

電子熱運動能量，可近似為靜止電子.范圍為：第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日（2）理論分析能量守恒動量守恒第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日康普頓波長康普頓公式實驗總結的結果:可見：實驗與理論結果符合的相當好！！第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日散射光波長的改變量僅與有關散射光子能量減小康普頓公式（3）結論第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日康普頓散射進一步證實了光子論，證明了光子能量、動量表示式的正確性，光確實具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的過程中嚴格遵守能量、動量守恒定律。應用光子概念解釋康普頓散射:（1）一個光子與散射物中一個自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞后，光子將沿某一方向散射，即康普頓散射的方向。在碰撞時，光子的一部分能量傳給電子，所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即散射光波的波長要比入射光波的波長大。（2）若光子與原子中束縛很強的電子碰撞，由于整個原子的質量比光子大得多，光子的能量沒有顯著變化所以散射光的頻率沒有顯著變化，即散射光波的波長與入射光波的波長相等。第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日解（1）例波長的X射線與靜止的自由電子作彈性碰撞,在與入射角成角的方向上觀察,問（2）反沖電子得到多少動能？（1）散射波長的改變量為多少？（3）在碰撞中，光子的能量損失了多少？（2）反沖電子的動能

（3）光子損失的能量＝反沖電子的動能第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日例1、在康普頓散射中，入射光的波長為0.030?，反沖電子速度為c×60%.求：散射光子的波長及散射角。解：由已知，入射光的能量，散射光子的能量因光子與電子碰撞時能量守恒，所以電子獲得的動能為而由相對論：