康普顿效应康普顿效应（课堂PPT）

1、117.2 光的粒子性21717世纪明确形成世纪明确形成了两大对立学说了两大对立学说牛顿牛顿惠更斯惠更斯微粒说微粒说波动说波动说1919世纪初证明了世纪初证明了波动说的正确性波动说的正确性由于波动说没有由于波动说没有数学基础以及牛数学基础以及牛顿的威望使得微顿的威望使得微粒说一直占上风粒说一直占上风1919世纪末光电效应现象使得世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在爱因斯坦在2020世纪初提出了世纪初提出了光子说：光具有粒子性光子说：光具有粒子性对光学的研究对光学的研究从很早就开始了从很早就开始了 3圆屏衍射圆屏衍射圆孔衍射圆孔衍射钢针的衍射钢针的衍射增透膜增透膜薄膜干涉薄膜干涉镜面检测镜面检测光的

2、干涉和衍射现象表明光确实是一种波光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波45光电效应光电效应 当光线（包括不可见光）照射在当光线（包括不可见光）照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为象，称为光电效应光电效应。逸出的电子称为。逸出的电子称为光电子光电子。62.2.光电效应的电路图光电效应的电路图VGK阳极阳极阴极阴极A光电子在电场作用下形成光电子在电场作用下形成光电流光电流7光照不变，增大光照不变，增大U UAKAK，G G表中电流达到某一值后表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。不再增大，即达到饱和值。实验表明：实验表明：入射光越强，饱和电流越大入射光

3、越强，饱和电流越大3.3.光电效应的实验规律光电效应的实验规律8 将电源反接，电场反向，则光将电源反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。碍作用。 当当 K K、A A 间加反向电压，光间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达电子克服电场力作功，当电压达到某一值到某一值 U Uc c 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。 U Uc c称称遏止电压遏止电压。(2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率VGK阳极阳极阴极阴极为什么会存在遏止电压？为什么会存在遏止电压？9vc221eUvmcecv速率最大的是a.遏止电压遏止电压EEUFKA10I

4、UcOU光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压11IIsUaOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流实验表明实验表明: :12 当入射光的频率减小到某一数值时，即使当入射光的频率减小到某一数值时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了，称为经没有光电子了，称为截止频率或是极限截止频率或是极限频率频率，这就是说，当入射光的频率低于截，这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。止频率时不发生光电效应。 实验表明：不同

5、的金属的极限频率不同。实验表明：不同的金属的极限频率不同。b.存在截止频率存在截止频率13实验结果：即使入射光的强度实验结果：即使入射光的强度非常微弱，非常微弱，电流电流表指针也几乎是随着入射光照表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过射所经过的时间不超过10109 9 秒秒（这个现象一般称作（这个现象一般称作“光电光电子的瞬时发射子的瞬时发射”）。）。光电效应在极短的时间内完成 (3)具有瞬时性具有瞬时性VGAK阳极阳极阴极阴极14二二.经典理论解释光电效应的疑难经典理论解释光电效应的疑难 1.1. 经典认

6、为，经典认为，按照经典电磁理论，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，的力也就越大，光电子逸出的能量也光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率什么截止频率。15 2 2. .光电效应实验表明：只要频率高于极限光电效应实验表明：只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低频率，即使光强很弱

7、也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电于极限频率时，无论光强再大也没有光电流流。3.3.光电效应具有瞬时性。而光电效应具有瞬时性。而经典认为光能经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。能量的积累过程。 16光本身就是由一个个不可分光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为割的能量子组成的，频率为的光的能量子为的光的能量子为h。这些能。这些能量子后来被称为量子后来被称为光子光子。爱因斯坦的光子说爱因斯坦的光子说hE 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：了启发，他提出：17

8、2.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程0WEhk0WhEk或光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功金属的逸出功 W0221cekvmE 一个电子吸收一个光子的能量一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能后，一部分能量用来克服金属的逸出功量用来克服金属的逸出功，剩下的表现为逸，剩下的表现为逸出后电子的初动能出后电子的初动能Ek，即：，即：18使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的做这种金属的逸出功逸出功。书书32页表格页表格1 几种金属的逸出功和极限频率几种金属的逸出功和极限频率193.3.光子说对光电效应的解释光子说对光电效应的解

9、释爱因斯坦方程表明，光电子的初动能爱因斯坦方程表明，光电子的初动能E Ek k与入与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hh 时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出， 就是光电就是光电效应的截止频率。效应的截止频率。hWc0电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金属光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。时产生的光电子多，因而饱和电流大。20 3. 3. 从方程可

10、以看出光电子初动能和照射从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系光的频率成线性关系 4.4.从光电效应方程中，当初动能为零时，从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率：可得极极限频率： 爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 1. 光强大，光子数多，释放的光电子也光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。多，所以光电流也大。 2. 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。表面逸出，所以不需时间的累积。 21由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光

11、电效应的实验规律效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。光的波动理论。 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效光电效应应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。22爱因斯坦由于爱因斯坦由

12、于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。23放大器放大器控制机构控制机构 可以用于自动控可以用于自动控制，自动计数、自动制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。报警、自动跟踪等。5.5.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用1.1.光控继电器光控继电器K1K2K3K4K5KA可对微

13、弱光线进行放可对微弱光线进行放大，可使光电流放大大，可使光电流放大105 108 倍，灵敏度倍，灵敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、军事等方面。科研、军事等方面。2.2.光电倍增管光电倍增管24应 用 光电管光电源电流计IAK25康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应(1892-1962)美国物理学家美国物理学家第第2 2课时课时261.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播因而传播方向发生改变方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射2.2.康普顿效应康普顿效应19181918 - - 19221922年康普顿在做年康

14、普顿在做 X 射线通过射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角与散射角有关，而与入射线波长和散射有关，而与入射线波长和散射物质都无关物质都无关。27X 射线管射线管RGX射线谱仪射线谱仪光阑光阑1B2B 石墨体（石墨体（散射物散射物）A晶晶体体C调节调节A对对R的方位，可使不同方向的方位，可使不同方向的散射线进入光谱仪。的散射线进入光谱仪。28康普顿实验指出康普顿实验指出散射光中除了和入射光波长散射光中除了和入射光波

15、长相同的射线之外，还相同的射线之外，还出现一种波长出现一种波长大于大于的新的射线。的新的射线。改变波长的散射改变波长的散射康普顿散射康普顿散射康普顿效应康普顿效应散射散射X射线的波长中有两个峰值射线的波长中有两个峰值 和和 且且 与散射角与散射角 有关有关29康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！30康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： 1.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波

16、方向的新的散射波长 。 2.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，称的现象，称为为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为0 =0O=45O=90O=135O. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长. 0 31遇到的困难遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时经典电磁理论在解释康普顿效应时2. 2. 无法解释波长改变和散射角的关系。无法解释波长改变和散射角的关系。射光频率应等于入射光频率。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时

17、，物质中带电粒子将作受迫振动，过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1. 1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通根据经典电磁波理论，当电磁波通32光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的子能量几乎不变，波长不变。子能量几乎不变，波长不变。小于原子质量，根据碰撞理论，小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光碰撞前后光光子将与整个原子交换能量光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远由于光子质量远2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，是散射光的波长大于入射光的波长。是散射光的波长大于入

18、射光的波长。 部分能量传给电子部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于散射光子的能量减少，于1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一若光子和外层电子相碰撞，光子有一结果，具体解释如下：结果，具体解释如下： 333. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。有关，所以波长改变和散射角有关。光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释34康普顿效应的定量分析康普顿效应的定量分析hYX0meYXhvm（1）碰撞前）碰撞前（2）碰撞后）碰撞后（3）动量守恒）动量守恒光子在自由电子上的散射光子在自由电子上的散射Xnch vm0nch 35由能

19、量守恒由能量守恒:由动量守恒由动量守恒:202)(cmhmc 最后得到：最后得到：2sin220 cmh coscosmvchch sinsin0mvch康普顿散射康普顿散射 公式公式 此式说明此式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定：波长改变与散射物质无关，仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。于散射角；波长改变随散射角增大而增加。 36cmhc0 电子的康普顿波长电子的康普顿波长其值为其值为0243. 0c 37三三. .康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； （2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上

20、证实了“光子具有动量光子具有动量” 的假设；的假设；（3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，在微观世界的单个碰撞事件中， 动量和能量守恒定律仍然是成立的。动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。38192

21、51926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，四、吴有训对研究康普顿效应的贡献四、吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。0120 （1897-19771897-1977） 吴有训吴有训39光子的能量和动量光子的能量和动量2

22、mcE hchcchmcP2hE 2chm40hE hP动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的41称为电子的称为电子的Compton波长波长)cos1 ( c只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时，康普顿效应才显可比拟时，康普顿效应才显著，著，因此要用因此要用X射线才能观察到射线才能观察到康普顿散射，用可康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角 有关，有关，而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）42注意几点注意几点: :2sin2