第2节光电效应和康普顿效应

1第二节光电效应康普顿效应21887年赫兹发现了光电效应。1.什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现象，称为光电效应。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。由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。一、光电效应由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电性能增强的现象。•外光电效应•内光电效应3AKGV阳极阴极W石英窗光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。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，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。2.光电效应的实验规律1.光电效应实验当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值U0时，光电流恰为0。U0称反向遏止电压。光电子动能转换成电势能2max21mvEk||0Ue截止电压的大小反映光电子初动能的大小。4AGVK阳极阴极W石英窗2.光电效应实验规律①.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。②.截止频率0----红限对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率0。•当入射光频率0时，电子才能逸出金属表面；•当入射光频率0时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。当0时，与光强无关。0kE光电子初动能||0U反向遏止电压光电流正比于光强。③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间10-9s。5经典理论无法解释光电效应的实验结果。经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。63.爱因斯坦的光量子假设1.内容光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为的光是由大量能量为=h光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。Amvhm221在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子的动能Ek0。由能量守恒可得出：2.爱因斯坦光电效应方程式中：A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功；为光电子的最大初动能。2021mKmvE7初动能及反向遏止电压与成正比，而与光强无关。（2）,0kE||0U的解释3.光电效应的解释||00UeEkAh由可知，eAehU0（1）截止频率0（红限）的解释,00kE,0AhhA0,AhhA0当入射光频率0时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。不同金属具有不同的截止频率。（3）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的光子数。光强越大，光子数越多。8（4）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，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。例1：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率0。解：hA0J106.1eV11934190106.6106.13.6Hz106.914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。9例2：钾的截止频率0=4.621014Hz，以波长=435.8nm的光照射，求钾放出光电子的初速度。解：AEk00221hmvh02cmhve149831341062.4108.4351031011.9106.62m/s51072.5hA0美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。4.光电效应理论的验证10放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。4.光电效应在近代技术中的应用1.光控继电器K1K2K3K4K5KA可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2.光电倍增管11由相对论光子的质能关系2mcEh光子的质量2/cEm2/ch5.光子的质量、能量和动量由相对论质速关系20)/(1cvmm00m有所以，光子的静止质量为零。光子的能量就是动能。mccEPchh2mcEh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：420222cmcpEpcE光子的动量：12例：求波长为20nm紫外线光子的能量、动量及质量。解：hJ1095.919983410201031063.6hc能量动量hP93410201063.6kgm/s103.326质量2cEmkg1011.1352819)103(1095.913二、康普顿效应1.光的散射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，光的偏振状态也不同。2.康普顿效应在X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，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长0和散射物质都无关。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。14*实验还发现，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。波长的改变量满足如下关系：2sin220这种改变波长的散射称为康普顿效应。式中：称为康普顿波长，它表示散射角为90o时，散射波长改变的值。m12104.2康普顿效应也是经典理论无法解释的。它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等而无法解释有的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这个现象。15X射线是由一些能量为=h的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，X-ray03.康普顿效应的光量子理论解释在轻原子中，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。碰撞前：光子能量为ho，动量为ho/c；电子的能量为moc2，动量为零。碰撞后：光子散射角为，光子能量为h，动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它的能量为，动量为。2201cvvm22201cvcm16chP/00mvPchP/反冲电子碰撞过程能量守恒22202001ccvmhcmhP0PeP动量守恒①cos1cos2200cvvmchchsin1sin0220cvvmch②③17联立以上三式，可以解得：02sin220cmh其中：m1034.2120cmh为康普顿波长散射波长改变量：2sin220cmh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，同时电子获得一部分能量，使散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。22202001ccvmhcmhcos1cos2200cvvmchchsin1sin0220cvvmch2sin22Cmh018注意几点:2sin220cmh①.散射波长改变量的数量级为1012m，对于可见光波长~107m，，所以观察不到康普顿效应。②.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，散射光频率不变。④.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。③.当=0时，光子频率保持不变；=时，光子频率减小最多。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。19三、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，康普顿效应。光子能量和动量为hE上两式左边是描写粒子性的E、P；右边是描写波动性的、。h将光的粒子性与波动性联系起来。hchP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述。波粒二象性是客观物质的共同属性。