[理學(xué)]大學(xué)物理教程112光電效應(yīng)康普頓散射

1、光照射在金屬及其化合物的表面上發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。,實(shí)驗(yàn)裝置-光電管,電路中出現(xiàn)的電流形成光電流,在陰極金屬表面逸出的電子稱為光電子,一 光電效應(yīng),紅限（截止）頻率,只有當(dāng)入射光頻率 ?大于一定的頻率? 0 時(shí)，才會產(chǎn)生光電效應(yīng)，? 0 稱為截止頻率或紅限頻率！,當(dāng)入射光的頻率給定后(? > ?0 )，光電流與入射光強(qiáng)成正比,,在入射光強(qiáng)一定時(shí)光電流會隨U的增大，最后達(dá)到一飽和值im。,飽和光電流,飽和電流與入射光強(qiáng)成正

2、比,當(dāng)電壓為零時(shí)光電流并不為零，甚至反向電壓不太大時(shí)仍有光電流存在，當(dāng)反向電壓大到一定數(shù)值Ua 時(shí)光電流完全變?yōu)榱?。稱Ua為遏止電壓。,遏止電壓,遏止電壓隨入射光頻率的增加而增加，兩者成線性關(guān)系，與入射光強(qiáng)無關(guān)，即,Ua = K? - U0,當(dāng)入射光無論如何弱，光電子在光照射的瞬間可產(chǎn)生，馳豫時(shí)間不超過10-9 s,光電效應(yīng)瞬時(shí)發(fā)生的,二 愛因斯坦的光量子假設(shè),光電效應(yīng)的成因：金屬表面對電子具有束縛作用，電子脫離金屬表面所需要的能量，

3、所需的最少能量稱為逸出功 (work function)，用 A表示。,其中Ephoton為吸收的電磁波能量,電子逸出功、光電子的動能、和光子的能量滿足關(guān)系：,若用極微弱的光照射，陰極電子積累能量達(dá)到逸出功A需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不可能瞬時(shí)發(fā)生！,按照光的經(jīng)典電磁理論：光波的強(qiáng)度與頻率無關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無關(guān)，不存在截止頻率！,1 經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難,(3) 電子在離開金屬面時(shí)具有的初動能:,2 愛因斯坦光量子

4、假設(shè),為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦假設(shè),(1) 光是由一顆一顆的光子（光量子）組成。每個(gè)光子的能量與其頻率成正比，即,(2) 一個(gè)光子只能整個(gè)地被電子吸收或放出。光量子具有“整體性”。,光電效應(yīng)方程,電子離開金屬表面的動能至少為零，故當(dāng) ? < A/h時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。可發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率即紅限頻率,利用愛因斯坦光電方程可以解釋：,不同金屬的A不同，則紅限頻率不同。,斜率K與金屬材料種類無關(guān)，截距U0 與金屬材料A有關(guān),可看

5、出Ua- ? 曲線的斜率相同，但在橫軸上的截距不同。即：,遏止電壓與入射光頻率成線性關(guān)系，與入射光強(qiáng)無關(guān),顯然電子初動能與Ua 之間有關(guān)系,,由直線斜率K的測量可以確定（光電效應(yīng)）普朗克常數(shù)。,Millikan 極力反對愛因斯坦的光子假說，花了十年測量光電效應(yīng)，得到了遏止電壓和光子頻率的嚴(yán)格線性關(guān)系,,,* 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,,Albert Einstein ( 1879―1955 ),美國物理學(xué)家，1921年由于他在光電效應(yīng)方

6、面的工作而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),R. A. Millikan(密立根),研究元電荷和光電效應(yīng)，通過油滴實(shí)驗(yàn)證明電荷有最小單位，1923諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主,(1) 光電管,光信號→電信號,用于光信號的記錄、自動控制等,* 光電效應(yīng)的應(yīng)用,(2) 光電倍增管,光信號→電信號,用于弱光電信號的放大——可將光電流放大數(shù)百萬倍。,3 光的波粒二象性,光的干涉和衍射現(xiàn)象是光的波動性的直接證據(jù)，光電效應(yīng)又說明了光具有粒子行為。這就是說

7、，在某些情況下光突出顯示出波動性，而在另一些情況下則突出顯示出粒子性，將這種現(xiàn)象稱為光的波粒二象性。,頻率為 ，波長為 的光波對應(yīng)的光子的能量、動量分別為,由質(zhì)能關(guān)系 ，還可求得光子的質(zhì)量為,解（1）黃光的能量、質(zhì)量和動量分別為,例 已知銫的逸出功A=1.9eV,用鈉黃光 =589.3nm照射銫。計(jì)算：（1）黃光的能量、質(zhì)量和動量；（2）銫在光電效應(yīng)中釋放的光電子的動能；（3）銫的遏止電

8、壓、紅限頻率。,(2)銫在光電效應(yīng)中釋放的光電子的動能為,(3)銫的遏止電壓為,紅限頻率為,康普頓 (A.H. Compton),除光電效應(yīng)外，光波的量子性還表現(xiàn)在光散射的康普頓效應(yīng)。該效應(yīng)是光顯示出其粒子性的又一著名實(shí)驗(yàn)。,1927諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主,1922-1923年，康普頓研究了X射線在石墨上的散射，在散射的X射線中不但存在與入射線波長相同的射線，同時(shí)還存在波長大于入射線波長的射線成份——康普頓效應(yīng)。,三 康普頓效應(yīng),,

9、,,散射光,,1 康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置,2 實(shí)驗(yàn)規(guī)律,1) 散射光除原波長?0外，還出現(xiàn)了波長大于?0的新的散射波長? 。,,,2 實(shí)驗(yàn)規(guī)律,2) 波長差Δ? = ?- ?0 隨散射角的增大而增大。,,2 實(shí)驗(yàn)規(guī)律,3) 新波長的譜線強(qiáng)度隨散射角? 的增加而增加，但原波長的譜線強(qiáng)度降低。,,4) 對不同的散射物質(zhì)，只要在同一個(gè)散射角下，波長的改變量?-?0都相同，與散射物質(zhì)無關(guān)！,2 實(shí)驗(yàn)規(guī)律,,經(jīng)

10、典電磁理論的困難： 如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光的波長是不會改變的—不能解釋散射中的新波長成份,X射線光子與原子“內(nèi)層電子”的彈性碰撞,3 康普頓效應(yīng)的理論解釋,康普頓認(rèn)為：X光的散射應(yīng)是光子與原子內(nèi)層和外層電子的碰撞的結(jié)果。,內(nèi)層電子與核結(jié)合較為緊密（keV)，他認(rèn)為碰撞實(shí)際上可以看作是發(fā)生在光子與質(zhì)量很大的整個(gè)原子間的碰撞——光子基本上不失去能量——保持原性質(zhì)不變（波長不變）。,1) 定性解釋,,X射線光子與原

11、子“外層電子”的彈性碰撞,外層電子與核結(jié)合較弱（幾個(gè)eV）——與X光子相比，這些電子近似看成為“靜止”的“自由”電子—— 光子與電子的彈性碰撞—光子失去部分能量，頻率?，波長 ? ——康普頓效應(yīng),康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒。,,2) 定量計(jì)算,X 射線光子與“靜止”的“自

12、由電子”彈性碰撞,康普頓波長為普適常量，與物質(zhì)種類無關(guān)！理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。,只有當(dāng)入射波長?0與?c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。對可見光來講，,說明,不可能觀測到康普頓效應(yīng),康普頓效應(yīng)中的自由電子不能像光電效應(yīng)那樣吸收光子而是散射光子。若靜止的自由電子吸收光子,不可能！,自由電子不可能吸收光子，只能散射光子。,,例 已知入射波長為 。（1）求在 方