光電效應(yīng) 康普頓散射

11.1物理學(xué)的分支及近年來的發(fā)展物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對論量子論非線性物理學(xué)時間t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對論量子論1600170018001900從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時期的三個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)。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、狄拉克量子電動力學(xué)、重整化方法。*天體物理運用物理學(xué)實驗方法和理論對宇宙各種星球進行觀測和研究，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**非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計物理物理學(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。二十世紀物理學(xué)中兩個重要的概念：場和對稱性從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時期的三個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)。11.2

光電效應(yīng)愛因斯坦光量子假說11.2.1光電效應(yīng)的實驗規(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當紫外線或波長很短的可見光照在陰極時，金屬板將釋放電子即光電子。（1）飽和光電流強度與入射光強度成正比。或者說：單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光強成正比U0312UIIS0上圖即為相同頻率，不同入射光強度的實驗曲線。1、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律（實驗結(jié)果）Is稱為飽和光電流U0稱為遏止電壓（I=0時的電壓）（2）光電子的初動能與入射光強度無關(guān)，而與入射光的頻率滿足線性關(guān)系。U03U02U01312UIIS0紅限頻率截止電壓的大小反映光電子初動能的大小由上圖可知：I=0時有截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系實驗證明：Ua對不同金屬有不同值,eUa稱逸出功（3）產(chǎn)生光電效應(yīng)的金屬具有一定的截止頻率。由可知，只有當從金屬表面逸出的電子才具有初動能，產(chǎn)生光電效應(yīng)。（4）光電效應(yīng)具有瞬時性，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*經(jīng)典理論認為光強越大，飽和電流應(yīng)該大，光電子的初動能也該大，即初動能正比于光強。但實驗上光電子初動能只與頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。*只要頻率高于紅限，既使光強很弱也有光電流；頻率低于紅限時，無論光強再大也沒有光電流。而經(jīng)典認為有無光電效不應(yīng)與頻率有關(guān)。*瞬時性。經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。11.2.2經(jīng)典理論的困難例如：強度為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）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運動的粒子流，這些粒子稱光子，但它們?nèi)员Ａ纛l率、波長的概念 光不僅在與物質(zhì)相互作用時（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：由相對論知識可知：可見：光子既具有粒子性m、P，又具有波動性、，這種波動性和粒子性并存的性質(zhì)稱為光的波粒二象性。光的波動性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）由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知，光子的初動能與光的頻率成正比，而與光強無關(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（2）當入射光子的能量小于逸出功時，光電子的初動能為零，不能逸出；只有當hA時，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。截止頻率=A/h（3）

光的強弱只表明光子數(shù)的多少，而一個光子具有的能量是恒定的。一個光子的能量只能一次性的被電子吸收，所以，只要hA，電子吸收光子即逸出，具有瞬時性。3光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等.光電倍增管放大器接控件機構(gòu)光光控繼電器示意圖例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)射波長為589nm的單色光.假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，試計算在單位時間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù).解：例2、如圖所示，在一次光電效應(yīng)實驗中得出的遏止電壓與入射光頻率之間的關(guān)系曲線。（1）求證：對不同材料的金屬，線的斜率相同;（2）從圖中的數(shù)據(jù)求出普朗克常數(shù)h。05.010.01.02.0|U0|(V)(×1014Hz)解：由試驗結(jié)果知：遏止電壓與入射光頻率之間滿足：由上式可知：遏止電壓與入射光頻率成正比且斜率K與金屬材料無關(guān)。由：兩式對比有：1920年，美國物理學(xué)家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分.一實驗裝置11.3康普頓效應(yīng)二實驗結(jié)果（相對強度）波長1.在散射X

射線中除有與入射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線.2.波長的增加量與散射角有關(guān)。3.當散射角確定時，波長的增加量與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。4.散射的強度與散射物質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射較強，即正常峰較低。反之相反。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變化。三經(jīng)典理論的困難光子電子電子反沖速度很大，需用相對論力學(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動能量，可近似為靜止電子.范圍為：光子電子電子反沖速度很大，需用相對論力學(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.三量子解釋電子光子電子熱運動能量，可近似為靜止電子.范圍為：（2）理論分析能量守恒動量守恒康普頓波長康普頓公式實驗測量的結(jié)果:可見：實驗與理論結(jié)果符合的相當好??！散射光波長的改變量僅與有關(guān)散射光子能量減小康普頓公式（3）結(jié)論康普頓散射驗證了光子論，驗證了光子能量、動量表達式的正確性，光確實具有波粒二象性。另外也驗證了在光電相互作用過程中能量、動量守恒定律仍然成立。應(yīng)用光子概念解釋康普頓散射:（1）一個光子與散射物中一個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，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，即散射光波的波長要比入射光波的波長大。（2）若光子與原子中束縛很強的電子碰撞，由于整個原子的質(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，即散射光波的波長與入射光波的波長相等。解（1）例3、波長的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能？（1）散射波長的改變量為多少？（3）在碰撞中，光子的能量損失了多少？（2）反沖電子的動能（3）光子損失的能量與反沖電子的動能相等例4、在康普頓散射中，入射光的波長為0.030?，反沖電子速度為c×60%.求：散射光子