1--2光电效应和康普顿效应.ppt

1、,一）光电效应,R,K1,K2,E,G,V,1）光电子数与入射光强 成正比；,从K射出的电子全部飞向阳极A，形成饱和电流,设单位时间从K飞出n个电子，则：,1）光电子数与入射 光强 成正比；,经典物理的解释是：电子从金 属中逸出要克服阻力作功。光 强越大，光振辐E0越大，受强 迫的电子振动动能越大，能克 服阻力逸出金属表面的电子越 多。故与光强成正比,实验表明：当U=0时， 乃至U0时，即电场阻止电子飞向阳极，但仍 有电子飞向阳极，说明光电子有初动能。,当反向电压增至一定值Ua时，光电流,Ua称为遏止电压,2）光电子数的初动能与 入射光的频率有关，而 与入射光强度无关。,这说明初动能最大的电子

2、也不能到达阳极，即 电子的初动能：,实验还表明：遏止电压与入射光频率成线性关系,式中： U0-决定于金 属性质,k-与金属性 质无关的 普适恒量,（3）式代入（1）（2）两式：,又,令,称为红限频率,入射光频率要大于U0 / k 才能产生光电效应,注意：,每种金属都有各自对应的 红限频率。,红限频率对应于光电子初 动能为零时的入射光频率 。小于红限频率的入射光 都不能产生光电流。,经典物理解释不了此规律,经典物理理解释不了此规律,按经典物理电磁理论，光强愈大，电磁波振辐 愈大，电子受强迫力愈大，故光电子初动能应 与入射光强相关，更不应存在红限频率。,3）光照后，光电子可立即从金属中逸出。,实验

3、表明：当光照射后，几乎不要时间（10-9s） 便有光电子从阴极逸出。,这一点也是经典物理不能解释的。,3）光照后，光电子可立即从金属中逸出。,实验表明：当光照射后，几乎不要时间（10-9s） 便有光电子从阴极逸出。,这一点也是经典物理不能 解释的。,按经典物理，电子从 光波场中吸取能量要有一 定的时间积累，光强愈小 ，积累的时间越长。对钾 金属而言，用相距3m远的 一瓦的光源，经计算，要 76分钟才有光电子逸出,R,K1,K2,E,G,V,即光不仅在发射和吸收时表现出量子性，而且在空间 传播时也表现出量子性-提出了辐射的电磁场也具有量 子性。,二）爱因斯坦光子假设（1905年）,光是一束以C运

4、动着的粒子流，每一个光子 所带能量=h，不同的频率的光子具有不同 的能量。,光子理论对光电效应的解释：,1）解释光电子数与光强成正比,依假设：一能流密度为S的光量子（光子）组 成的单色光，单位时间通过垂直于光传播方向 的单位面积的光子数为n，则：,为单色光频率,显然，光强越大（S大），单位时间入射到金属 表面的光子数n越大，获得光子的电子数也越多 即光电子数与光强成正比。,2）解释光电子的初动能与入射频率有关，而与 入射光光强无关,当光照射到金属内部的电子 它一次吸收了一个能量为h 的光子，在上升到表面时将 失去一部分能量A，依能量 守恒定律：,若电子刚好在金属表面，则A有极小值A0，电子 可

5、获得最大动能,A0称为“逸出功”或“功函数”,爱因斯坦光 电效应方程,h,A,2）解释光电子的初动能与入射频率有关，而与 入射光光强无关,A0称为“逸出功”或“功函数”,爱因斯坦光 电效应方程,将（10）式改写成：,初动能与频率 有关,与（5）式对照：,由此得红 限频率：,3）解释光电效应的瞬时性,电子一吸收一个光子，勿需 能量的积累过程。,爱因斯坦理论圆满地解释了 光电效应。1912年因此获诺贝 尔奖,1916年密立根（Milikan）对 光电效应进行了精密测量也 由此获诺贝尔奖（另一原因 是他用油滴法精确地测定了 电子电量）,h,A,引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光 是由光

6、子组成的还是康普顿实验。,Compton实验是X射线散射的实验，按经典理论是X射线的电场迫使散射物中的电子作强迫振荡，而向周围辐射同频率的电磁波的过程。,Compton实验否定了这一说法。,一）康普顿实验,早在1904年伊夫（AS . Eve)发现射线 被物质散射后波长变长的现象,康普顿 相继研究了射线及X射线的散射,他先 确定了伊夫的发现又用自制的X射线分 光计,测定了X射线经石墨沿不同方向的 散射的定量关系,1923年发表论文作出了解释.,1)实验装置,2)实验结果:,散射线中有与入射线相同的散 射线存在，也有波长0的散 射线存在（Compton散射）。,三)康普顿散射的解释,康普顿散射是

7、光与物质的相互作用，先要搞清：,在什么条件下发生的相互作用？,相互作用的形式是什么？,1）Compton散射是光和自由电子的相互作用,因X射线的频率高，能量在104eV数量级，而 石墨中的电子所受的束缚能量仅有几个电子 伏特。相当于是没受束缚的自由电子。,在狮子面前兔子没有被束缚！,好有一比！,竹 笼,2）自由电子不会吸收光子，而只能以碰撞的形式 进行相互作用。,证明：（反证法）,若一静止的电子吸收了一频率 为的光子后以速度v运动。依能量守恒：,h,依动量守恒：,一个不能同时遵守能量守恒和动量守恒的过程是不能实现 的，故光与自由子的相互作用只能以弹性碰撞的方式进行,矛 盾,康普顿的分析：,碰撞

8、前：,碰撞 后：,碰 撞 前,碰 撞 后,电子,光子,反冲电子,光子,能量,动量,0,若过程满足能量守恒及动量守恒,康普顿的分析：,碰撞前：,碰撞 后：,（1）式写为：,依余弦定理,康普顿的分析：,式（3）2-（5）,碰撞前：,碰撞 后：,式（3）2-（5）得：,即：,即：,（m）,（）,.(10),.(11),称康普顿波长,（）,（m）,.(10),.(11),注意：,上式与实验符合得很好，波 长偏移与散射物质无关， 仅决定于散射角。,散射光中有原来入射波波长 是光子和束缚很强的电子 （即整个原子）相互作用的结果。,注意：,上式与实验符合得很好，波 长偏移与散射物质无关， 仅决定于散射角。,散射光中有原来入射波波长 是光子和束缚很强的电子 （即整个原子）相互作用的结果。,乒乓球,原子质量小的物质，原子对电 子的束缚也较小 相对而言， 自由电子多，康普顿散射强,Compton实验的意义,A）证实了光子理论的正确性，说明了光子具有 质量、能量、动量-光具有粒子性。,Compton实验的意义,A）证实了光子理论的正确性 ，说明了光子具有 质量、 能量、动量-光具有粒子 性。,B）在微观领域内，同样严格遵守动量守恒和能 量守恒。,AHCompton（18921952年）美国物理学 家，1927年获诺贝尔奖,例：已知X光子的能量为0.60MeV，在康普顿 散射后