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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、
2、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,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
3、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。,6,3.爱因斯
4、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。,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
5、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：,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
6、。,解：,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,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
7、关系式为：,光子的动量：,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
8、质，康普顿效应较弱。,波长的改变量满足如下关系：,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
9、，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 。,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
10、，能量不变，散射光频率不变。,.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。,.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。,
