第2节光电效应和康普顿效应.ppt

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1、1,第二节,光电效应 康普顿效应,2,1887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。,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,3,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

2、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,截止电压的大小反映光电子初动能的大小。,4,2.光电效应实验规律,.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。,.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。,光电子初动能,反向遏止电压,光电流正比于光强。,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。,

3、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。,6,3.爱因斯坦的光量子假设

4、,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。,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。,7,初动能及反向遏止电压与 成正比,而与光强无关。,3.光电效应的解释,(1)截止频率0(红限)的解释,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。

5、,(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:,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=4.621014Hz,以波长=435.8nm的光照射,求钾放出光电子的初速度。,解:,美国物理学家密立

6、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,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,可对微弱光线进行放大,可使光电流放大105108 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,光子的质量,5.光子的质量、能量和动量,由相对论质速关系,有,所以,光子的静止质量为零。,光子的能量就是动能。,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:,光子的动量:,

7、12,例:求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。,解:,能量,动量,质量,13,1.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

8、量满足如下关系:,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。,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。,15,X 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,,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ho,动量为ho/c;电子的能量为moc2,动量为零。,碰撞后:光子散射角为,

9、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。,16,碰撞过程能量守恒,动量守恒,17,联立以上三式,可以解得:,其中:,为康普顿波长,散射波长改变量:,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。,18,注意几点:,.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。,.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。,.在重原子

10、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。,.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,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,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。,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。,

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