大学物理量子力学初步光电效应和康普顿效应ppt课件

1、1 金属及其化合物在电磁波照射下发射电子的金属及其化合物在电磁波照射下发射电子的景象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。景象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。实验安装：实验安装：GD为光电管，为光电管，光经过石英窗口照射光经过石英窗口照射阴极阴极K，光电子从阴极，光电子从阴极外表逸出。外表逸出。光电子在电场加速下向光电子在电场加速下向阳极阳极A A 运动，构成光电流。运动，构成光电流。实验规律如下：实验规律如下：ARiVAKGDI1.2 光电效应光电效应演示qh21.实验规律：实验规律：在频率在频率 一定时，一定时， Ii m1mi2miiU1I2IcU 12II 0 单位时间内，阴极单

2、位时间内，阴极K逸出的电子数逸出的电子数N与入射的光强成与入射的光强成正比。即正比。即 饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。 ARiVAKGDI 光强光强 I 对饱和光电流对饱和光电流 im的影响：的影响：3 与频率与频率 有关，有关，0cUKU Uc0 CsNa Ca截止电压截止电压Uc 与光强与光强 I 无关无关,K常数；常数；U0与资料有关。与资料有关。 当当 K K、A A 间加反向电压，光间加反向电压，光电子抑制电场力作功，当电压电子抑制电场力作功，当电压到达某一值到达某一值 UC UC 时，光电流恰时，光电流恰为为 0 0。 UC UC 称截止电压。

3、称截止电压。ARiVAKGDI 截止电压的大小反映光电子截止电压的大小反映光电子初动能的大小。初动能的大小。2max21mvEk |CUe 频率的影响：频率的影响：4产生光电效应的必要条件：产生光电效应的必要条件：入射光频率大于阴极资料入射光频率大于阴极资料的截止频率的截止频率 0 -0 -红限红限 对于每种金属资料，都相对于每种金属资料，都相应有一确定的截止频率应有一确定的截止频率 0 0。 CUsC0UnZsC01U02U0201CU当入射光频率当入射光频率 0 0 时，电时，电子才干逸出金属外表；子才干逸出金属外表；当入射光频率当入射光频率 0 0 时，时，无论光强多大也无电子逸出无论光

4、强多大也无电子逸出金属外表。金属外表。存在红限频率存在红限频率。 KU00 5 *能解释：经典实际以为光强越大，能量越多，打能解释：经典实际以为光强越大，能量越多，打出的光电子多，饱和电流应该越大。出的光电子多，饱和电流应该越大。2.动摇实际的困难动摇实际的困难 光电转换时间极短光电转换时间极短 10-9s(即使光非常非常弱即使光非常非常弱)。*不能解释：经典实际以为光强越大，能量越多，不能解释：经典实际以为光强越大，能量越多，光电子的初动能也该大。初动能应正比光强，不应光电子的初动能也该大。初动能应正比光强，不应与频率有关。而且经典实际以为只需光强足够大，与频率有关。而且经典实际以为只需光强

5、足够大，总能有光电子产生，无法解释红限的存在。总能有光电子产生，无法解释红限的存在。 *不能解释不能解释 ：经典以为光能量分布在波面上，吸：经典以为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。收能量要时间，即需能量的积累过程。 为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的根底上提出光子实际，提出了光量子假设。根底上提出光子实际，提出了光量子假设。6一一. .爱因斯坦的光子实际爱因斯坦的光子实际(1905(1905年年) )光的发射、传播、吸收都是光的发射、传播、吸收都是量子化的，一束光就是以速量子化的，一束光就是以速率率 c 运动的一束光子流。运

6、动的一束光子流。光子能量光子能量 h 不是不是nh 开展了普朗克开创的量子论：开展了普朗克开创的量子论： 1.3 光的二象性光的二象性 光子光子 光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒方式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为 E =h 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。7Amvhm 221 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分耗费在电子逸出功一部分耗费在电子逸出功A A，另一部分变为光电子的，另一部分变为光电子的初动能初动能 Ek Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：A A为电

7、子逸出金属外表所需作功的最小值，为电子逸出金属外表所需作功的最小值，称为逸出功。称为逸出功。二二. .光子实际对光电效应的解释光子实际对光电效应的解释饱和光电流正比于光强的解释饱和光电流正比于光强的解释 光强正比于单位时间流过单位面积光强正比于单位时间流过单位面积 的光子数。光强的光子数。光强越大，光子数越多。越大，光子数越多。 金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。强越大，光电子越多，光电流越大。8不同金属具有不同的红限频率。不同金属具有不同的红限频率。0*c0红限波长红限波长hA 0 eKA KU0 KU00

8、= 与实验得到的红限频率与实验得到的红限频率 完全一致。完全一致。Ahmv 02021 Ahvm 2m21对比实验规律对比实验规律heK 得出得出0c=UKU CmeUmv其其中中：221初动能及反向遏止电压与初动能及反向遏止电压与 成正比，而与光强无关。成正比，而与光强无关。, kE |CU的解释的解释AeUhC 为为逸逸出出电电势势eAUAeU/00 截止频率截止频率 0 0 红限的解释红限的解释9 电子吸收光子时间很短，只需光子频率大于截止电子吸收光子时间很短，只需光子频率大于截止频率，电子就能立刻逸出金属外表，无需积累能量的频率，电子就能立刻逸出金属外表，无需积累能量的时间，与光强无关

9、。时间，与光强无关。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时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成认，由于它完全违背了光的并未被物理学家们广泛成认，由于它完全违背了光的动摇实际。动摇实际。密立根整整化了密立根整整化了10年时间，抑制了重年时间，抑制了重重困难，利用巧妙而复杂的安装，于重困难，利用巧妙而复杂的安装，于1915年完成了光电效应的高精度实验。年完成了光电效应的高精度实验。heK 密立根密立根-密立根在实验中准确地丈量得密立根在实验中准确地丈量得斜率斜率K K，计算得普朗克常数，计算得普朗克常数 h = 6.57 h = 6.57 10-34 Js 10-

10、34 Js光电效应瞬时性的解释10 这对爱因斯坦光子假设也是极大的支持。这对爱因斯坦光子假设也是极大的支持。两个不同的实际与实验得出如此接近的结果，这两个不同的实际与实验得出如此接近的结果，这在量子论开展初期具有极为艰苦的意义。在量子论开展初期具有极为艰苦的意义。密立根密立根- 1923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根还经过著名的油滴实验研讨根本电荷，密立根还经过著名的油滴实验研讨根本电荷，证明电荷有最小单位。证明电荷有最小单位。爱因斯坦爱因斯坦-1921年获诺贝尔物理奖年获诺贝尔物理奖光子的能量：光子的能量：光子的质量：光子的质量： hchmcp 0,02 mchm 光子的动量：光子的

11、动量： = h 普朗克根据黑体辐射实验求得普朗克根据黑体辐射实验求得h = 6.358 10-34 Js光子光子 11产生的光电子最大动能产生的光电子最大动能Ek=1.0eVEk=1.0eV。求能使该金属产。求能使该金属产生光电效应的入射光的最大波长。生光电效应的入射光的最大波长。解：解：kEhA hEchEhAkk 0nmEhchcck61200 例题：以波长例题：以波长=410nm=410nm的紫光入射某种金属时，的紫光入射某种金属时，12解：解：0221 hmvh 02 cmhve 149831341062. 4108 .4351031011. 9106 . 62sm /1072. 55

12、 例题：钾的截止频率例题：钾的截止频率0 =4.620 =4.621014Hz1014Hz，以波，以波长长=435.8nm=435.8nm的光照射，求钾放出光电子的初的光照射，求钾放出光电子的初速度。速度。13解：解： hE J1095. 919 983410201031063. 6 hc 能量能量动量动量 hP 93410201063. 6 kgm/s103 . 326 质量质量2cEm kg1011. 135 2819)103(1095. 9 例题：求波长为例题：求波长为20 nm 20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。紫外线光子的能量、动量及质量。14 = h = knhp式中式中n

13、k 2 康普顿散射是光显示出其粒子性的又一著名实验。康普顿散射是光显示出其粒子性的又一著名实验。1922-1923年，康普顿研讨了年，康普顿研讨了 X 射线在石墨上的散射：射线在石墨上的散射：光子的能量：光子的能量：光子的动量：光子的动量：称为波矢量称为波矢量通常令通常令 ，圆频率，圆频率 = 2 = 2 ，2=h1.4 康普顿散射康普顿散射15 光阑光阑X 射线管晶体晶体探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪测波长测强度测波长测强度 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 一一. .康普顿散射的实验安装与规律：康普顿散射的实验安装与规律：16康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X

14、X 射线的散射射线的散射 按经典电磁实际：按经典电磁实际： 假设入射假设入射X 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 不会改动的！不会改动的！17 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方向的新的散射波长 。但是，散射中出现了但是，散射中出现了 0 的的 景象，称为康普顿散射。景象，称为康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为0 =0Oj=45Oj=90Oj=Oj. . . . . . . . . .oA0.7000.750波长波长. . 0 2.新波长新波长 随散射角随散射角 的的增大而增大。增大而增大。j j)c

15、os1 (j j c实验测得实验测得 c = 0.0241 c 称为电子的称为电子的Compton波长波长康普顿散射的特点：康普顿散射的特点：18 X射线的光子与静止的自在电子之间是弹性碰撞，射线的光子与静止的自在电子之间是弹性碰撞， 并假设在碰撞过程中能量守恒并假设在碰撞过程中能量守恒,动量守恒。动量守恒。定性分析定性分析: :光子把部分能量传给了电子，光子能量光子把部分能量传给了电子，光子能量减小减小, ,频率变小频率变小, ,因此波长就变长。因此波长就变长。 X射线光子与射线光子与“静止的静止的“自在电子发生碰撞。自在电子发生碰撞。 石墨中的外层电子在原子中结合较弱，束缚能石墨中的外层电

16、子在原子中结合较弱，束缚能eV, eV, 在室温下的热运动能量在室温下的热运动能量 kT10-2eV kT10-2eV，所以可以为，所以可以为 这些电子是静止的自在电子。这些电子是静止的自在电子。 eV104 X光的光子能量很大，波长光的光子能量很大，波长1的的X射线射线 ,二二. .对康普顿散射的解释对康普顿散射的解释19按能量与动量守恒定律应有按能量与动量守恒定律应有vmnhnhmchcmh 002200 解出的波长偏移解出的波长偏移和实验结果符合得相当好！和实验结果符合得相当好！e自在电子自在电子(静止静止)0 hvm j jm0h j jj j cos10243. 0)cos1 (00

17、 cmh定量计算：定量计算：20jchP/00mvPchP/22202001ccvmhcmh P P0P PeP P动量守恒动量守恒j j cos1cos2200cvvmchch j j sin1sin0220cvvmch 碰撞过程能量守恒碰撞过程能量守恒推导：推导：21m1043.2120 cmhc 波长最大改动量：波长最大改动量：2 2 c = 4.8c = 4.810-10-3nm3nm 可见，康普顿效应中，发生波长改动的缘由可见，康普顿效应中，发生波长改动的缘由是：当一个光子与散射物质中的一个自在电子碰是：当一个光子与散射物质中的一个自在电子碰撞后，电子获得一部分能量，散射的光子能量减

18、撞后，电子获得一部分能量，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。二步过程，见小，频率减小，波长变长。二步过程，见P19P19联立以上三式，可以解得：联立以上三式，可以解得：0 )cos1 (j j c实验测得实验测得 c = 0.0241 c 称为电子的称为电子的Compton波长波长222. 为什么在散射线中还察看到有与原波长的射线？为什么在散射线中还察看到有与原波长的射线？3. 为什么用可见光做散射实验，察看不到为什么用可见光做散射实验，察看不到 波长的偏移景象？波长的偏移景象？ 光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子 的碰撞，应看做是光子和整个原子

19、的碰撞。的碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞。 最大为最大为 0 0048048；是可见光波长的；是可见光波长的10-510-5 1. 1. 为什么为什么 与散射物的种类无关？与散射物的种类无关？散射物中的电子都看成自在电子了。散射物中的电子都看成自在电子了。光光子子原原子子mm 弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量， 即即 散射光子波长不变。散射光子波长不变。讨论：讨论：234.为什么康普顿效应中的自在电子为什么康普顿效应中的自在电子 不能像光电效应不能像光电效应 那样吸收光子那样吸收光子 而是散射光子？而是散射光子？假设静止的自在电子吸收光子，假设静止的自

20、在电子吸收光子，不能够！不能够！cv 2200mccmh 000nvmnch 220/1/cvmm 2211cvcv 自在电子不能够吸收光子，不能同时满足能自在电子不能够吸收光子，不能同时满足能量守恒和动量守恒，只能散射光子。量守恒和动量守恒，只能散射光子。24 5. 为什么在光电效应中只思索为什么在光电效应中只思索 “光子光子电子系统的电子系统的 能量守恒，不思索动量守恒？能量守恒，不思索动量守恒？在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，与与X射线相比，光子能量较低，电子与射线相比，光子能量较低，电子与整个原子的联络不能忽略，电子不能视为自在的。整个原子的

21、联络不能忽略，电子不能视为自在的。在光电效应中，原子也要参与动量交换，在光电效应中，原子也要参与动量交换， “光子光子电子系统动量不守恒。电子系统动量不守恒。251 1有力地支持了爱因斯坦有力地支持了爱因斯坦“光量子假设；光量子假设； 2 2初次在实验上证明了初次在实验上证明了“光子具有动量光子具有动量 的假设；的假设；3 3证明了在微观世界的单个碰撞事件中，证明了在微观世界的单个碰撞事件中， 动量和能量守恒定律依然是成立的。动量和能量守恒定律依然是成立的。康普顿的胜利也不是一帆风顺的，在他早期的康普顿的胜利也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，不断以为散射光频率的改动是由于几篇论文中，不断

22、以为散射光频率的改动是由于“混进来了某种荧光辐射；在计算中起先只混进来了某种荧光辐射；在计算中起先只思索能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。思索能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于1927 1927 年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。三三. .康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义2619251926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，1923年年,参与了发现康普顿效应的研讨任务。参与了发现康普顿效应的研讨任务。对证明康普顿效应作出了对证明康普顿效应作出了重要奉献。重要奉献。在同一散射角在同一散射角( )丈量各种波长的散射光强度，丈量各种波长的散射光强度，作了大量作了大量 X 射线散射实验，射线散射实验，0120 j j1897-19771897-1977 吴有训吴有训吴有训先生曾任清华物理系主任、吴有训先生曾任清华物理系主任、中国科学院付院长。他的学生中中国科学院付院长。他的学生中有多人