第2节 光电效应和康普顿效应精选文档.ppt

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1、第2节 光电效应和康普顿效应1本讲稿第一页，共十九页 1887 1887年赫兹发现了光电效应。年赫兹发现了光电效应。1.1.什么是光电效应什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为现象，称为光电效应光电效应。逸出的电子称为光电子。逸出的电子称为光电子。如带电小锌球在紫外线照射下会失去负电荷带上正电。如带电小锌球在紫外线照射下会失去负电荷带上正电。由于金属表面的电子吸收外界的光子，由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。束缚而逸出金属表面的现象。一、光电效应一、光电效应 由于半导体表面的电

2、子吸收外界的光子，由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电使其导电性能增强的现象。性能增强的现象。外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应2本讲稿第二页，共十九页阳阳极极阴阴极极石英窗石英窗 光线经石英窗照在阴极上，便有电光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出子逸出-光电子。光电子。光电子在电场作用下形成光电流。光电子在电场作用下形成光电流。将换向开关反接，电场反向，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。阻碍作用。2.2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律1.1.光电效应实验光电效应实验 当当 K K、A A 间加反向电压，光电间加

3、反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某子克服电场力作功，当电压达到某一值一值 U U0 0 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。U U0 0称称反向遏止电压。反向遏止电压。光电子动能转换成电势能光电子动能转换成电势能 截止电压的大小反映光电截止电压的大小反映光电子初动能的大小。子初动能的大小。3本讲稿第三页，共十九页阳阳极极阴阴极极石英石英窗窗2.2.光电效应实验规律光电效应实验规律.光电流与光强的关系光电流与光强的关系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。.截止频率截止频率0-红限红限对于每种金属材料，都相应的有一确定的对于每种金属材料，都相应的有一确定的

4、截止频率截止频率0。当入射光频率当入射光频率 0 时，电子才能逸出时，电子才能逸出金属表面；金属表面；当入射光频率当入射光频率 0 时，时，与光强无关。与光强无关。光电子初动能光电子初动能反向遏止电压反向遏止电压光电流正比于光强。光电流正比于光强。光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间 0 时，电子才能逸出金属表面，产时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。生光电效应。不同金属具有不同不同金属具有不同的截止频率。的截止频率。（3）光电流正比于光强的解释）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

5、 的光子数。光强越大，的光子数。光强越大，光子数越多。光子数越多。7本讲稿第七页，共十九页（4）光电效应瞬时性的解释）光电效应瞬时性的解释 电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。强无关。爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被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，因为它完全违背了光的波动理论。物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。例例1：铂的逸出功为铂的逸出功为6.3eV，求铂的截

6、止频率，求铂的截止频率0。解：解：金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，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。光电子越多，光电流越大。8本讲稿第八页，共十九页例例2：钾的截止频率钾的截止频率0=4.621014Hz，以波长，以波长=435.8nm的的光照射，求钾放出光电子的初速度。光照射，求钾放出光电子的初速度。解：解：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“光电效应光电效应”实实验，结果在验，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 的值与理论值的值与理论值完全一致，又一次证明了完全一致

7、，又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证9本讲稿第九页，共十九页放大器放大器控制机构控制机构 可以用于自动控制，可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动计数、自动报警、自动跟踪等。自动跟踪等。4.4.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可对微弱光线进行放大，可对微弱光线进行放大，可使光电流放大可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，倍，灵敏度高，用在工程、天文、科用在工程、天文、科研、军事等方面。研、军事等方面。2.2.光电倍增管光电倍增管10本讲稿第十页，共十九页由相对论光子的质能关系由

8、相对论光子的质能关系光子的质量光子的质量5.5.光子的质量、能量和动量光子的质量、能量和动量由相对论质速关系由相对论质速关系有有所以，光子的所以，光子的静止质量为零静止质量为零。光子的能量就是动能。光子的能量就是动能。由狭义相对论能量和动量的关系式由狭义相对论能量和动量的关系式光子的能量和动量的关系式为：光子的能量和动量的关系式为：光子的动量：光子的动量：11本讲稿第十一页，共十九页例：例：求波长为求波长为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。解：解：能量能量动量动量质量质量12本讲稿第十二页，共十九页二、康普顿效应二、康普顿效应1.1.光的散射光的散射 光束

9、通过光学性质不均匀的介质时，从侧面可以看到光的光束通过光学性质不均匀的介质时，从侧面可以看到光的现象称为现象称为光的散射光的散射。光在各个方向上散射光强的分布与光的波长有关，光在各个方向上散射光强的分布与光的波长有关，光的偏振状态也不同。光的偏振状态也不同。2.2.康普顿效应康普顿效应 在在 X 射线通过物质散射时，散射线中除有与入射线波长相射线通过物质散射时，散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更大的射线，其波长的改变量同的射线外，还有比入射线波长更大的射线，其波长的改变量与散射角与散射角 有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 0和散射物质都无关。和散射物质都无关。引言

10、：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光是由光子组成的还是康普顿实验。是由光子组成的还是康普顿实验。13本讲稿第十三页，共十九页*实验还发现，实验还发现，原子量小的散射物质，康普顿散射较强；原子量小的散射物质，康普顿散射较强；原子量大的散射物质，康普顿效应较弱。原子量大的散射物质，康普顿效应较弱。波长的改变量满足如下关系：波长的改变量满足如下关系：这种改变波长的散射称为这种改变波长的散射称为康普顿效应。康普顿效应。式中：式中：称为康普顿波长，它表示称为康普顿波长，它表示散射角为散射角为90o时，散射波长改变的值。时，散射波长改变的值。康普顿效

11、应也是经典理论无法解释的。康普顿效应也是经典理论无法解释的。它它只能说只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等而无法解释有等而无法解释有 的存在及其所存在的康普顿效应的的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。实验规律。康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这个现象。康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这个现象。14本讲稿第十四页，共十九页 X 射线是由一些能量为射线是由一些能量为=h 的的光子组成，并且这些光子与自由电子光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，发生完全弹性碰撞，X-ray3.3.康普顿效应的光量子理论解释康普顿

12、效应的光量子理论解释 在轻原子中在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，可以把电子原子核对电子的束缚较弱，可以把电子看作是静止的自由电子。看作是静止的自由电子。碰撞前：碰撞前：光子能量为光子能量为h o，动量为，动量为h o/c；电子的能量为电子的能量为moc2，动量为零。，动量为零。碰撞后：碰撞后：光子散射角为光子散射角为，光子能量为光子能量为h，动量为，动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它，它的能量为的能量为 ，动量为，动量为 。15本讲稿第十五页，共十九页反冲电子反冲电子反冲电子反冲电子碰撞过程能量守恒碰撞过程能量守恒动量守恒动量守恒16本讲稿第

13、十六页，共十九页联立以上三式，可以解得：联立以上三式，可以解得：其中：其中：为康普顿波长为康普顿波长散射波长改变量：散射波长改变量：康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当一个光子与散康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后，光子将沿某一方向散射，同射物质中的一个自由电子碰撞后，光子将沿某一方向散射，同时电子获得一部分能量，使时电子获得一部分能量，使散射的光子能量减小，频率减小，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。波长变长。17本讲稿第十七页，共十九页注意几点注意几点:.散射波长改变量散射波长改变量 的数量级为的数量级为 10-12m，对于可见光波，对于

14、可见光波长长 10-7m，所以观察不到康普顿效应。，所以观察不到康普顿效应。.散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与原散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后，能量不变，散射光频子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后，能量不变，散射光频率不变。率不变。.在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。.当当=0 时，光子频率保持不变；时，光子频率保持不变；=时，光子频率时，光子频率减小最多。减小最多。康

15、普顿散射进一步证实了光子理论的正确性，还证明了在微观康普顿散射进一步证实了光子理论的正确性，还证明了在微观领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。18本讲稿第十八页，共十九页三、光的波粒二象性三、光的波粒二象性光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。顿效应。光子能量和动量为光子能量和动量为上两式左边是描写粒子性的上两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写波动性；右边是描写波动性的的、。h 将光的粒子性与波动性联系起来。将光的粒子性与波动性联系起来。关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。述。波粒二象性是客观物质的共同属性。波粒二象性是客观物质的共同属性。19本讲稿第十九页，共十九页