光電效應(yīng) 康普頓散射

光電效應(yīng)康普頓散射第一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢(shì)物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對(duì)論量子論非線性時(shí)間t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對(duì)論量子論1600170018001900第二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日第三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日近年來的發(fā)展：*粒子物理高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動(dòng)力學(xué)、重整化方法。*天體物理運(yùn)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和理論對(duì)宇宙各種星球進(jìn)行觀測(cè)和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng)用經(jīng)典、量子、廣義相對(duì)論、等離子體物理和粒子物理。**太陽中微子短缺問題**引力波存在的問題**物體的速度能否超過光速的問題第四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日**非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理物理學(xué)發(fā)展的總趨向：*學(xué)科之間的大綜合。*相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。二十世紀(jì)物理學(xué)中兩個(gè)重要的概念：場(chǎng)和對(duì)稱性從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時(shí)期的三個(gè)重大問題的提出光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)。黑體輻射問題，即所謂“紫外災(zāi)難”。原子的線光譜和原子結(jié)構(gòu)。第五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日11.2

光電效應(yīng)愛因斯坦光量子假說11.2.1光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，為光電效應(yīng)的基本裝置。S：真空的玻璃容器m：石英玻璃窗A：陽極K：陰極（金屬板）UGmSAK當(dāng)紫外線或波長(zhǎng)很短的可見光照在陰極時(shí)，金屬板將釋放電子即光電子。第六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日（1）飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比?；蛘哒f：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)成正比U0312UIIS0如圖即為相同頻率，不同入射光強(qiáng)度1、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）Is稱為飽和光電流U0稱為遏止電壓（I=0的電壓）（2）光電子的初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，而與入射光的頻率成正比。第七頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日U03U02U01312UIIS0紅限頻率截止電壓的大小反映光電子初動(dòng)能的大小由上圖可知：I=0時(shí)有截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明：Ua對(duì)不同金屬有不同值,eUa稱逸出功第八頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日（3）產(chǎn)生光電效應(yīng)的金屬具有一定的截止頻率。由可知，只有當(dāng)從金屬表面逸出的電子才具有初動(dòng)能，即產(chǎn)生光電效應(yīng)。（4）光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性，或說響應(yīng)速度很快，10-9秒。只要，則在光照射金屬表面后，幾乎立即就有光電子逸出，與光的強(qiáng)度無關(guān)。

幾種純金屬的截止頻率金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.29第九頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日

*經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該大，光電子的初動(dòng)能也該大，即初動(dòng)能正比于光強(qiáng)。但實(shí)驗(yàn)上光電子初動(dòng)能只與頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。*只要頻率高于紅限，既使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于紅限時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。而經(jīng)典認(rèn)為有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。

*瞬時(shí)性。經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過程。11.2.2經(jīng)典理論的困難例如：強(qiáng)度為1W/m2的光照在金屬Na

上，需107秒即115天電子才能逸出（經(jīng)典）第十頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日11.2.3愛因斯坦的光量子假說1、愛因斯坦光量子假說：光子論假設(shè)：一束光是一粒一粒以速度c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱光子，但它們?nèi)员Ａ纛l率、波長(zhǎng)的概念認(rèn)為光不僅在與物質(zhì)相互作用時(shí)（發(fā)射和吸收），具有粒子性，而且在傳播過程中也有粒子性。一個(gè)頻率為的光子具有能量，其中h為普朗克常數(shù)，值為：由相對(duì)論知識(shí)可知：第十一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日可見：光子即具有粒子特性m、P，又具有波動(dòng)性、我們將這種波動(dòng)性和粒子性并存的性質(zhì)稱為光的波粒二象性。光的波動(dòng)性（p）和粒子性（）是通過普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。2、用光量子假說解釋光電效應(yīng)（1）由可看出，光子的初動(dòng)能與光的頻率成正比，而與光強(qiáng)無關(guān)。該式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程由能量守恒得：A為逸出功第十二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日（2）當(dāng)入射光子的能量小于逸出功時(shí)，光電子的初動(dòng)能為零，不能逸出；只有當(dāng)hA時(shí)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。截止頻率=A/h（3）光的強(qiáng)弱只表明光子數(shù)的多少，而光子的能量恒定。一個(gè)光子的能量是一次地被電子吸收，所以，只要hA，電子吸收光子即逸出，具有瞬時(shí)性。第十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日3光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動(dòng)控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警等.光電倍增管放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖第十四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日

例1設(shè)有一半徑為的薄圓片，它距光源1.0m.此光源的功率為1W，發(fā)射波長(zhǎng)為589nm的單色光.假定光源向各個(gè)方向發(fā)射的能量是相同的，試計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù).解第十五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日1920年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長(zhǎng)發(fā)生變化了的成分.一實(shí)驗(yàn)裝置11.3康普頓效應(yīng)第十六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日二實(shí)驗(yàn)結(jié)果（相對(duì)強(qiáng)度）（波長(zhǎng)）1.在散射X

射線中除有與入射波長(zhǎng)相同的射線外，還有波長(zhǎng)比入射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線.2.波長(zhǎng)的增加量與散射角有關(guān)。3.當(dāng)散射角確定時(shí)，波長(zhǎng)的增加量與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。4.散射的強(qiáng)度與散射物質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射較強(qiáng)，即正常峰較低。反之相反。第十七頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)典電磁理論預(yù)言，散射輻射具有和入射輻射一樣的頻率.經(jīng)典理論無法解釋波長(zhǎng)變化.三經(jīng)典理論的困難第十八頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日光子電子電子反沖速度很大，需用相對(duì)論力學(xué)來處理.（1）物理模型入射光子（X射線或射線）能量大

.固體表面電子束縛較弱，可視為近自由電子.四量子解釋電子光子

電子熱運(yùn)動(dòng)能量，可近似為靜止電子.范圍為：第十九頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日（2）理論分析能量守恒動(dòng)量守恒第二十頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日康普頓波長(zhǎng)康普頓公式實(shí)驗(yàn)總結(jié)的結(jié)果:可見：實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果符合的相當(dāng)好??！第二十一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日散射光波長(zhǎng)的改變量?jī)H與有關(guān)散射光子能量減小康普頓公式（3）結(jié)論第二十二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了光子論，證明了光子能量、動(dòng)量表示式的正確性，光確實(shí)具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的過程中嚴(yán)格遵守能量、動(dòng)量守恒定律。應(yīng)用光子概念解釋康普頓散射:（1）一個(gè)光子與散射物中一個(gè)自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞后，光子將沿某一方向散射，即康普頓散射的方向。在碰撞時(shí)，光子的一部分能量傳給電子，所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即散射光波的波長(zhǎng)要比入射光波的波長(zhǎng)大。（2）若光子與原子中束縛很強(qiáng)的電子碰撞，由于整個(gè)原子的質(zhì)量比光子大得多，光子的能量沒有顯著變化所以散射光的頻率沒有顯著變化，即散射光波的波長(zhǎng)與入射光波的波長(zhǎng)相等。第二十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日解（1）例波長(zhǎng)的X射線與靜止的自由電子作彈性碰撞,在與入射角成角的方向上觀察,問（2）反沖電子得到多少動(dòng)能？（1）散射波長(zhǎng)的改變量為多少？（3）在碰撞中，光子的能量損失了多少？（2）反沖電子的動(dòng)能

（3）光子損失的能量＝反沖電子的動(dòng)能第二十四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日例1、在康普頓散射中，入射光的波長(zhǎng)為0.030?，反沖電子速度為c×60%.求：散射光子的波長(zhǎng)及散射角。解：由已知，入射光的能量，散射光子的能量因光子與電子碰撞時(shí)能量守恒，所以電子獲得的動(dòng)能為而由相對(duì)論：