-光電效應(yīng)康普頓散射

1、119.2光的量子性光的量子性一. 光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦方程 光照射到金屬表面時(shí)，有電子從金屬表面逸光照射到金屬表面時(shí)，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。出的現(xiàn)象。GVGDKA光光 光電效應(yīng)中光電效應(yīng)中產(chǎn)生的電子產(chǎn)生的電子稱為稱為“光電子光電子”。 光電子由光電子由K飛向飛向A，回，回路中形成路中形成光電流光電流。2（一）光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（一）光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置入射光入射光光電流光電流陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極 1. 單位時(shí)間內(nèi)從金屬單位時(shí)間內(nèi)從金屬陰陰極逸出的電子數(shù)與入射光極逸出的電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比強(qiáng)成正比光電流的伏安特性曲線光電流的伏安特性曲線U0U O1sIs2II光強(qiáng)

2、高光強(qiáng)高光強(qiáng)低光強(qiáng)低3 2. 入射光的頻率小于入射光的頻率小于金屬的紅限頻率時(shí)，不論金屬的紅限頻率時(shí)，不論光多強(qiáng)都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)光多強(qiáng)都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)|amUem 221 )(0Uke )(0kUek kU0 0212 mm kU00 0 稱為這種金屬的稱為這種金屬的紅限頻率紅限頻率(截止頻率截止頻率) 。 對(duì)于給定的金屬，當(dāng)照射光頻率小于金屬的紅限對(duì)于給定的金屬，當(dāng)照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無(wú)論光的強(qiáng)度如何，都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。頻率，則無(wú)論光的強(qiáng)度如何，都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。44. 光電效應(yīng)的瞬時(shí)性光電效應(yīng)的瞬時(shí)性 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論光強(qiáng)如何微弱，從光照射到光電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論光強(qiáng)如何微弱

3、，從光照射到光電子出現(xiàn)延遲時(shí)間不超過(guò)子出現(xiàn)延遲時(shí)間不超過(guò)109 s。 3. 光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率線性增加光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率線性增加與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)紅限頻率紅限頻率遏止電壓與頻率的關(guān)系曲線遏止電壓與頻率的關(guān)系曲線5 光的電磁波說(shuō)不能解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律光的電磁波說(shuō)不能解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律 3. 3.不應(yīng)該存在紅限頻率不應(yīng)該存在紅限頻率 0 0 1. 1.金屬中電子從光波中吸取能量金屬中電子從光波中吸取能量 2. 2.光波中電振動(dòng)使金屬內(nèi)電子作受迫振動(dòng)光波中電振動(dòng)使金屬內(nèi)電子作受迫振動(dòng)這些都與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律相背離這些都與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律相背離光電效應(yīng)不會(huì)

4、在瞬間發(fā)生光電效應(yīng)不會(huì)在瞬間發(fā)生入射光越弱，積累時(shí)間越長(zhǎng)入射光越弱，積累時(shí)間越長(zhǎng)積累超過(guò)逸出功后才能從金屬逸出成光電子積累超過(guò)逸出功后才能從金屬逸出成光電子而與入射光的頻率無(wú)關(guān)而與入射光的頻率無(wú)關(guān)光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能也越大光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能也越大受迫振動(dòng)平均動(dòng)能與入射光強(qiáng)成正比受迫振動(dòng)平均動(dòng)能與入射光強(qiáng)成正比6（二）、愛(ài)因斯坦的光子假（二）、愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)設(shè) 愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在普朗克的量子假設(shè)基礎(chǔ)上提出：普朗克的量子假設(shè)基礎(chǔ)上提出：光是由一個(gè)個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)的光是由一個(gè)個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)的光子光子組成的粒子流組成的粒子流 hE sJ 1063. 634 h普朗克常量普朗克常量單位時(shí)間投射到金

5、屬板單位面積上的光子數(shù)單位時(shí)間投射到金屬板單位面積上的光子數(shù) NhS 頻率為頻率為 的一個(gè)的一個(gè)光子光子的能量為的能量為為為N，則入射光的強(qiáng)度則入射光的強(qiáng)度為為在傳播過(guò)程中，也保留一份一份的性質(zhì)在傳播過(guò)程中，也保留一份一份的性質(zhì)輻射能不僅在發(fā)射和吸收時(shí)是一份一份的輻射能不僅在發(fā)射和吸收時(shí)是一份一份的7愛(ài)因斯坦光子理論愛(ài)因斯坦光子理論 光在空間傳播時(shí)，也具有粒子性光在空間傳播時(shí)，也具有粒子性.一束光是一束以一束光是一束以光速光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子，簡(jiǎn)稱為運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子，簡(jiǎn)稱為光子光子.每一個(gè)光子的能量就是每一個(gè)光子的能量就是 = hv ，不同頻率的光子，不同頻率

6、的光子具有不同的能量具有不同的能量. 根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換律根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換律:Amhm221A為逸出功為逸出功或或Ahmm221愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程8對(duì)光電效應(yīng)的解釋對(duì)光電效應(yīng)的解釋(1) 光電流隨光強(qiáng)增加而增加光電流隨光強(qiáng)增加而增加因?yàn)橐驗(yàn)?光強(qiáng)光強(qiáng) 光子數(shù)光子數(shù)N 電子數(shù)電子數(shù) Ne 光電流光電流(2) 存在遏止電勢(shì)差存在遏止電勢(shì)差(紅限頻率紅限頻率)Ahmm 221)(hAh hA 0 0221eUekmm )(0kUek )(0vvh kU00 hA (3) 足夠大光子的能量足夠大光子的能量hv，能被電子立刻吸收，能被電子立刻吸收,電子一電子一次吸收一個(gè)光子，不需

7、要任何積累時(shí)間次吸收一個(gè)光子，不需要任何積累時(shí)間（光電效應(yīng)的紅限頻率）（光電效應(yīng)的紅限頻率）9 1916年年,密立根密立根（R.A.Milikan）做了精確的光）做了精確的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，利用電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，利用Ua 的直線斜率的直線斜率K，定出，定出 h = 6.56 10-34J.s。有聲電影、電視、閃光計(jì)數(shù)器、自動(dòng)控制中都有著有聲電影、電視、閃光計(jì)數(shù)器、自動(dòng)控制中都有著重要作用重要作用愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦(1879 1955)由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)，對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)， 獲得獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 美國(guó)物理學(xué)家密立根花了近十年時(shí)

8、間從實(shí)驗(yàn)上美國(guó)物理學(xué)家密立根花了近十年時(shí)間從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程并算出了普朗克常量證實(shí)了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程并算出了普朗克常量.并說(shuō)明了光具有粒子性并說(shuō)明了光具有粒子性愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)圓滿地解釋了光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)圓滿地解釋了光電效應(yīng)10（三）、光的波粒二象性（三）、光的波粒二象性描述光的波動(dòng)性：描述光的波動(dòng)性：波長(zhǎng)波長(zhǎng) ，頻率頻率 描述光的粒子性：描述光的粒子性：能量能量 ，動(dòng)量，動(dòng)量P P光子的能量光子的能量 h 2201cumm 光子無(wú)靜質(zhì)量光子無(wú)靜質(zhì)量 m0=0 420222cmcp 光子的動(dòng)量光子的動(dòng)量 hchcp 光具有光具有波粒二象性波粒二象性 h hp 1

9、1二、康普頓效應(yīng) 19221923年年,康普頓康普頓( Compton)研究了研究了X射線被射線被較輕物質(zhì)較輕物質(zhì)(石墨、石蠟等石墨、石蠟等)散射后散射后X光的成分光的成分.發(fā)現(xiàn)除了發(fā)現(xiàn)除了有與原有與原X射線相同波長(zhǎng)的成分外，還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成射線相同波長(zhǎng)的成分外，還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成分，這種現(xiàn)象稱為或康普頓效應(yīng)分，這種現(xiàn)象稱為或康普頓效應(yīng) 。1. 康普頓散射實(shí)驗(yàn)康普頓散射實(shí)驗(yàn)j j+ 光闌光闌X 射線管射線管探探測(cè)測(cè)器器X 射線譜儀射線譜儀晶體晶體 0散射波長(zhǎng)散射波長(zhǎng) , , 0 0 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì)) 012X-射線管射線管散射光散射光入射光方向入射光方向j j光譜儀光譜儀光譜儀光

10、譜儀二、康普頓效應(yīng)二、康普頓效應(yīng)散射光中出現(xiàn)波長(zhǎng)增大的成分散射光中出現(xiàn)波長(zhǎng)增大的成分13實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律j j=0=00 0j j=45=450 0j j=90=900 0I Ij j=135=1350 0 0 0(1) 散射散射X射線中射線中除原波長(zhǎng)除原波長(zhǎng) 0外，外，出現(xiàn)了波長(zhǎng)出現(xiàn)了波長(zhǎng) 0的新散射波的新散射波 。(2) = - 0 ,新波長(zhǎng)新波長(zhǎng) 隨散射隨散射角角j j 的的增大而增大。的的增大而增大。(3)不同元素的不同元素的散射物質(zhì)，在同散射物質(zhì)，在同一散射角下波長(zhǎng)改變一散射角下波長(zhǎng)改變 相同相同,波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為 的散射光強(qiáng)度隨散射物的散射光強(qiáng)度隨散射物原子序數(shù)的增加而減小原子序數(shù)的增

11、加而減小.14n 康普頓效應(yīng)的解釋康普頓效應(yīng)的解釋 1922年康普頓接受了愛(ài)因斯坦的光量子理論，年康普頓接受了愛(ài)因斯坦的光量子理論，將將X-射線與物質(zhì)的散射看成是光子與原子中的電子射線與物質(zhì)的散射看成是光子與原子中的電子的碰撞，很好地解釋了康普頓效應(yīng)。的碰撞，很好地解釋了康普頓效應(yīng)。X射線光子與原子中的電子的碰撞可分為兩類：射線光子與原子中的電子的碰撞可分為兩類：能量能量104eV與自由電子與自由電子與整個(gè)原子與整個(gè)原子束縛能約幾個(gè)束縛能約幾個(gè)eV光子光子碰撞碰撞原子中外層電子原子中外層電子視為視為原子中內(nèi)層電子原子中內(nèi)層電子束縛能大束縛能大碰撞碰撞151. 光子與原子中外層電子的碰撞光子與原

12、子中外層電子的碰撞碰前碰前光子光子電子電子能量能量0hv20cm動(dòng)量動(dòng)量chv00碰后碰后能量能量hv2mc動(dòng)量動(dòng)量chvvme0mchv0 xy光子光子vmj j exychv1600, cc m1043. 2120C cmh 與實(shí)驗(yàn)非常吻合！與實(shí)驗(yàn)非常吻合！能量守恒能量守恒2200mchvcmhv 動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒x 方向方向 j jcoscos0vmchvchv y 方向方向 j jsinsin0vmchv 解得解得)cos1 (00jcmh因因172. 光子與原子中內(nèi)層電子的碰撞光子與原子中內(nèi)層電子的碰撞02sin220 j j Mch 波長(zhǎng)變長(zhǎng)散射光來(lái)自光子與原子外層電子碰撞波長(zhǎng)變長(zhǎng)

13、散射光來(lái)自光子與原子外層電子碰撞光量子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋：光量子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋：能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律適用于微觀粒子能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律適用于微觀粒子 波長(zhǎng)不變的散射光來(lái)自光子與整個(gè)原子的碰撞波長(zhǎng)不變的散射光來(lái)自光子與整個(gè)原子的碰撞（內(nèi)層電子）（內(nèi)層電子）以上推理過(guò)程還說(shuō)明：以上推理過(guò)程還說(shuō)明：182.康普頓效應(yīng)的光量子解釋康普頓效應(yīng)的光量子解釋 經(jīng)典電磁理論難解釋為什么有經(jīng)典電磁理論難解釋為什么有 0的散射的散射 康普頓的解釋康普頓的解釋: 入射入射X射線為一束光子射線為一束光子, 光子與散射物質(zhì)中的低能光子與散射物質(zhì)中的低能自由電子發(fā)生自由電子發(fā)生彈性碰撞彈性碰撞,碰

14、撞過(guò)程中碰撞過(guò)程中能量與動(dòng)量守恒能量與動(dòng)量守恒。 當(dāng)光子和原子外層電子碰撞，光子的一部分能量傳給當(dāng)光子和原子外層電子碰撞，光子的一部分能量傳給電子電子, 光子的能量減少，頻率變低光子的能量減少，頻率變低,因此波長(zhǎng)變長(zhǎng)。因此波長(zhǎng)變長(zhǎng)。 若光子和內(nèi)層電子相碰撞時(shí)，光子相當(dāng)于和整個(gè)大質(zhì)若光子和內(nèi)層電子相碰撞時(shí)，光子相當(dāng)于和整個(gè)大質(zhì)量原子作彈性碰撞，碰撞前后光子能量幾乎不變，故量原子作彈性碰撞，碰撞前后光子能量幾乎不變，故波長(zhǎng)有不變波長(zhǎng)有不變的成分的成分。 因?yàn)楣庾雍驮油鈱右驗(yàn)楣庾雍驮油鈱印白杂呻娮幼杂呻娮印迸鲎?，原子核的影碰撞，原子核的影響可忽略，碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，因響可忽略，碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，因而波長(zhǎng)改變只與散射角有關(guān)。而波長(zhǎng)改變只與散射角有關(guān)。19康普頓效