光电效应与康普顿效应

1光电效应与康普顿效应专业：机械设计制造及其自动化学号：5901108267姓名：李庆摘要本文对光电效应和康普顿效应进行了简单介绍，分别对光电效应和日康普顿效应的基本原理和其实验类推法进行了简单的概述，介绍了爱因斯坦光电方程和用X射线投射石墨实验。同时本文对光电效应和康普顿效应的相同之处和不同之处进行了分析。两者的物理本质相同，但是两者观测的条件和对光量子能量的吸收程度不同，两者在过程中产生的粒子也不同。关键词：光电效应；康普顿效应；爱因斯坦光电方程；光电子；散射PhotoelectriceffectandComptoneffectAbstractThisarticlehascarriedonthesimpleintroductiontothephotoelectriceffectandtheComptoneffectrespectively,ofthephotoelectriceffectandComptoneffectonthebasicprinciplesanditsexperimentalanalogymethodasimpleoverviewdescribestheEinsteinphotoelectricequationanduseX-rayprojectionofgraphiteexperiments.AndonthephotoelectriceffectandComptoneffectofthesimilaritiesanddifferenceswereanalyzed.Thephysicalnatureofboththesame,butthetwoobservationconditionsandtheopticalabsorptionofquantumenergyinvaryingdegrees,bothintheprocessproducedparticlesarealsodifferent.Keyword:photoelectriceffect;Comptoneffect;Einstein'sphotoelectricequation;optoelectronics;scattering2一、引言1877年赫兹在实验室中发现了光电效应，并且证明了电磁波的存在。德国科学家普朗克在研究“电磁场辐射的能量分布”、时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的。而是一份一份的才符合他所观察到的实验现象。1905年，爱因斯坦从普朗克的能量子假说中得到启发，提出了光量子的概念和光电效应方程，成功的解释了光电效应的实验规律。1916年密立根作出了全面的实验验证，光量子学说才开始得到人们的承认。康普顿效应是人们在研究X射线时发现的。1897年塞格纳克发现了X射线在照射物质上时会产生二次辐射，这为以后进一步研究X射线的性质打下了基础。随着欧洲各国科学家对科学的痴迷，许多科学家致力于研究X射线的领域。1912年劳厄在实验室中发现了X射线衍射现象，这对X射线波动说提供了有力证据。1923年康普顿在总结前人的基础上再加上自己的对X射线的研究和认识发表了《X射线受轻元素散射的量子理论》。他在这篇文章里提出了康普顿效应，并且运用爱因斯坦的光亮子假说对其做出了解释说明。二、光电效应与康普顿效应简介1光电效应原理所谓光电效应就是当光照射到一个洁净的金属或半导体材料表面上时，入射光的频率v超过某一值时，就有明显的电子发射出。逸出的电子称为光电子。每个光量子具有能量hv其中h是普朗克常数，v是光的频率。在光辐照下，光子进入物体后与电子作用，如果电子是自由的，则吸收光子能量的电子，克服物体表面垒势阻挡而逸出物体表面进而产生光电子。3图表1光电效应示意图光电效应分为光电子发射、光电导效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电效应光的电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响.2光电效应的实验类推法—————爱因斯坦光电方程光电效应根据爱因斯坦的光电理论，当光子照射到物体表面上时，光子的能量能够被物体中一些特殊的自由电子完全吸收。电子吸收光子的能量后，能量增加，如果电子吸收的能量hv足够大能够满足电子脱离原子所需的能量和托物体表面时的逸出功，那么电子将脱离物体表面成为光电子。爱因斯坦方程hυ=(1/2)mv^2+I+W方程式中(1/2)mv^2是脱出物体的光电子的初动能。金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为hυ=(1/2)mv^2+W假如hυW,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属，产生光电效应的最小光频率(极限频率)υ0。由hυ0=W确定。相应的极限波长为λ0=C/υ0=hc/W。发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加，因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。3康普顿效应原理X射线通过轻物质发生散射时，散射光中还有一种波长比入射光波长略大的射4线，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应。美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长略大，他认为这是光子和电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。他假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒。他按照这个假设列出方程，并求出了散射前后的波长差，结果跟实验数据完全符合。这不仅证明了他的假设，还证明了微观粒子同样遵守能量守恒定理和动量守恒定理。图表2康普顿效应示意图4康普顿效应类推法-用X射线投射石墨实验康普顿将X射线投射到石墨上，然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强度。当角θ=0时，只有等于入射频率的单一频率光。当θ≠0（如45°、90°）时，发现存在两种频率的散射光。一种频率与入射光相同，另一种频率则比入射光低。后者随角度增加偏离增大。实验结果(1)散射光中除了和原波长λ0相同的谱线外还有λ＞λ0的谱线。(2)波长的改变量Δλ=λ-λ0随散射角φ(散射方向和入射方向之间的夹角)的增大而增加.(3)对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量Δλ相同。波长为λ的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。康普顿利用光子理论成功地解释了这些实验结果。X射线的散射是单个电子和单个光子发生弹性碰撞的结果。碰撞前后动量和能量守恒，化简后得到Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(φ/2)称为康普顿散射公式。5λ=h/(m0c)称为电子的康普顿波长。三、光电效应与康普顿效应的相同之处光电效应和康普顿效应在物理本质上是相同的，它们研究的对象不是整个所有的入射光束和散射光束，而是光束中的个别光子与散射物质中的个别特殊电子之间产生相互作用。它们都是光子与原子系统的碰撞，只是由于入射光子的能量不同才产生的结果。光电效应主要是产生电子，而康普顿效应的产生物主要是波长改变了的散射光，并且也产生了向电子传递动能。并且两种效应所对应的爱因斯坦方程和康普顿公式都是建立在光子假设的基础上的。另外在研究两种效应时都用到了能量守恒定律。四、光电效应与康普顿效应不同之处1两者观测的条件不同根据爱因斯坦光电效应方程：hυ=(1/2)mv^2+I（I表示使自由电子从金属中逸出所需的最小能量、υ表示光电子的速率、m为电子的静质量），判断物体是否会发生光电效应，其不但决定了入射光子的能量，还决定于金属对自由电子的束缚力，但是只要入射光子的能量大于自由电子从金属中逸出所须的能量，光电效应就可以发生。因此每一种金属要发生光电效应对其照射光的波长要求都有一个极限波长，即每一种金属都有一个极限波长，对应的光子的能量一般为2-5ev相当于波长620-248nm，即在可见光区和紫外线光区。如果入射光的光波更短即频率更大，光子能量大于中等原子中某一只空壳电子结合能时主要是吸收方式。如果入射光的光子能量等于某一支壳电子结合能时，吸收的几率最大（如k吸收峰，发生在原子从k层释放一个电子所需的最少能量处）但是当光子能量小于电子结合能时，则不能发生。在理论上来说一切光频率范围内的光都会发生康普顿效应。它被散射后光波波长的减少量与散射角的余弦值成正比。但是在可见光的区间内，由于谱线太宽，散射光强度太弱因此人们无法观察到，但是对于所有的物质当光子能量在1-3Mev区间时康普顿效应明显易于观察，而对于轻元素来说要到达10Mev或者更高能量才会很显著。但是如果光子能量大于或等于1.02Mev的情况下，光子会和物质还会发生另一种现象，电子对的产生，也就是一个光子消失了，同时产生一对正负电子。6由此可见，在可见光和紫外区，一般只能满足观察到明显的光电效应，而能量较高的X射线和能量较低的Y射线照射到物质上时，同时可以观察到原子的光电效应和康普顿效应。如果能量更高时，可能会在同时发生光电效应、康普顿效应和电子对的产生。但是三者发生的比重跟元素的原子系数相关很大。2两者对光量子能量的吸收程度不同在光电效应中，一个自由的电子会完全吸收一个光子的能量，然后克服金属对它的束缚作用，从金属表面逸出。原来的光子消失了。在原子的某层电子吸收一个光子的能量，然后从原子中逃出来，在这个过程中光子也随着电子吸收其所有的能量后消失了。由此可知，无论是什么样光电效应，都是一个受束缚的自由电子，完全吸收某一光子的所有能量，克服各种阻力做功，从而摆脱金属对它的束缚从其表面逸出，成为真正的自由的光电子。在康普顿效应中，X射线被散射后，除了其部分波长不变外，还会有其他部分波长会变长。这说明光子在和电子发生相互作用时原来的光子消失了，电子吸收了光子的能量，一部分能量表现为电子的动能，其余部分的能量表现为新光子的形式。显而易知新光子的能量小于入射光子的能量，所以散射光中出现了波长较长的一些光子。这个过程可以看成一个光子与一个原来静止的自由电子发生完全弹性碰撞，从而产生一个新的光子的过程。所以说在康普顿效应中，电子吸收了光子的一部分能量。五、参考文献（References）[1]杨际青.爱因斯坦方程与光电效应实验外推法[R].大学物理,003(22):25-45.[2]刘彦安.光电效应与康普顿效应的异同[J]技，2008(23):199-201.[3]王先明，朱配平，艾尔肯，查新未.光电效应中金属与光电子的分析[R].大学物理，2007(26):35-40.[4]李咏梅.光电效应与康普顿散射中光子和电子的相互作用[J].曲阜师范大学学报,2009(35):83-85.[5]陈星,李剑龙,韩文琪,曹思雁.γ射线做康普顿散射测量[J].理实验2006(6)[6]张贞,杨延宁,李福星.光电效应和康普顿效应的微观本质差异[R].延安大学学报，2004(23):30-32.