光电效应与康普顿散射的区别

实验事实 与公式推导
效应
1.康普顿效应的历史意义
• 如果说是爱因斯坦提出了光子论，那么。康普顿效应就是对光子论的应用与 检验。 虽然爱因斯坦最早提出光子具有动量和能量的特点，但是爱因斯坦并 没有继续这一方面的研究。在1923年，德拜（Debye）和康普顿（Compton） 分别独立提出可以用动量和能量守恒来刻画X射线光子和电子的散射。这一发 现 完善了光子的粒子属性，不仅具有单独的能量hν，还携带者动量hν/c，并 像粒子一样发生散射。
子称为光子，但它们任保留频率、波长的概念，认为光不 仅在与物质相互作用时（发射和吸收），具有粒子性，在 传播过程也一样。 • 一个频率为ν的光子具有能量E = hν，由相对论可知= E/=hν/，P=E/c=hν/c=h/λ 可见，光子既具有粒子特性、P， 又具有波动性ν、λ，我们将这种波动性和粒子性并存的性 质称为波粒二象性。 • 由爱因斯坦光电效应方程：½mv20 = hν- A，（A为逸出功）
光电效应 康普顿效应 两者区别 现代应用
2.2光电效应的实验规律 2.1光电效应的实验原理 1.2爱因斯坦光量子假说 1.1经典理论的困难
光电效应 1、爱因斯坦对光电效应的理论解释
2、光电效应的实验验证
1.1经典理论的困难
• 经典物理学认为光强越大，饱和电流应该越大，光电子的 初动能也越大。但实验证明光电子的初动能只与频率有关， 而与光强无关。只要光的频率大于某一临界频率，即使光 强很弱，也是能产生光电流的；当频率低于时，无论光强 再大也没有光电流。
2020/11/29
1.2爱因斯坦光量子假说
• 1.2.2用光量子假说解释光电效应 • （1）由 E= hν- A可看出，光子的初动能与光的频率成正比，
而与光强无关。 • （2）当入射光子的能量小于逸出功时，光电子的初动能
为零，不能逸出；只有当 hν>A时，才能产生光电效应。 截止频率ν= A/h。 • 光的强弱只表明光子数的多少，而光子的能量恒定。一个 光子的能量是一次地被电子吸收，所以，只要hν>A，电子 吸收光子即逸出，具有瞬时性。
康普顿散射是光子和电子间的弹性碰撞过程。通过测量入射光子和散射光子 的能量和运动方向，我们可以确定其能量和动能的变化，并与爱因斯坦关系 的预言相对比。利用高能粒子（50~100keV）轰击金属靶材，得到X射线，再 与电子进行碰撞。结果表明，入射光子是X射线时，能够清晰地反映出光子能 量和动能的变化，并与爱因斯坦关系式符合得很好，这就是康普顿效应。
光电效应与康普顿散射的区别
康普顿效应：康普顿效应是美国物理学家康普顿在 研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了 一个新的现象，即散射光中除了有原波长λ0的x光外， 还产生了波长λ>λ0的x光，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。
光电效应：光照射到某些物质上，引起物质的电性质 发生变化，这类光致电变的现象统称为光电效应 （photo-electrical effect）。
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2.康普顿效应的实验事实与公式推导
• 2.1实验事实
通过康普顿实验装置，令X射线照射在石墨上，利用晶 体谱仪测量散射X射线波长与散射角θ满足如下关系
这就是 康普顿散射公式。
其中，是电子质量，
称为康普顿波长。特
别的，如果将用石墨原子的质（≈23000）代替，那么就会
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2.康普顿效应的实验事实与公式推导
• 2.1实验事实 • 当频率的光场入射时，其振动的电场分量将迫使电子在电场
振荡方向发生振荡，电子的受迫振荡将辐射出频率的辐射， 其中。经典理论预言，散射电磁波的频率与电子入射频率的 作用时间，以及辐射强度有关。 然而康普顿的实验结果表明，散射电磁波的频率与入射X射 线的强度及曝光时间完全相关，仅与散射角度无关。经典图 像失效！ • 用量子物理来解释：光子的粒子特性使康普顿效应的解释变 得非常直接。X射线光子的部分能量通过碰撞给予了电子， 因此，散射的光子频率降低。
如右图，是研究光电效应 的一种简单装置，在光电管 的阳阴极之间加上直流电 压U。当用单射光照射阴极 时，就会有光电子逸出， 它们将在加速电场的Βιβλιοθήκη Baidu用 下飞向阳极，形成光电流I。
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2.2光电效应的实验规律
• 2.2.1饱和光电流强度I和入射光强成正比 • 若用一定频率和强度的单色光照射阴极，改变加
在两极的电压U，测量光电流I的变化，则可得到， 如下图所示。实验表明，光电流I随着负向电压U 的减小而增大，并逐渐趋于饱和值。
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2.2光电效应的实验规律
• 2.2.1光电子的最大动能随入射光频率的增加而增加
•
如下图，当两极电压为零时，光电流不为零；只有当两极间加了
反向电压U=-<0时，光电流I才为零，称为截止电压。当U=0时，两极
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2.1光电效应的实验原理
• 光电效应是电磁波理论所无法解释的。1905年爱因斯坦依 照普朗克常量的量子假设，提出了关于光的本性的光子假 设：当光与物质相互作用时，其能流集中在一些叫光子的 粒子上，每个光子都具有能量hν。当金属中的自由电子从 入射光吸收一个光子的能量时，一部分消耗于电子从金 属表面逸出所需要的逸出功A，其余转变为电子的动能。
• 根据经典理论，电子的逸出需要比较长时间的积累。估算 结果表明，以光强为1μW/的光照射到钠金属的表面，要 使其中的电子获得1eV的能量，约需107 s，这与光电效应 中光电流对光照的的快速响应（10-9<s）完全不相符合。
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1.2爱因斯坦光量子假说
• 1.2.1爱因斯坦光量子假说：光子论 • 假设：一束光是一粒一粒以速度c运动的粒子流，这些粒
间没有外加电场，有光电子具有足够的动能从阴极飞到阳极，从而形
成光电流；只有当加一个反向电压，并且足够大以至于等于-时，就
是那些具有最大初动能的光电子，也必须将其初动能全部用于克服外
电场力做功，从而在外电场的作用下刚刚到达阳极，就返回阴极，使
其在回路中不形成光电流。
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历史意义
康
普 顿