光电效应与康普顿效应

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

Photoelectric effect and Compton effect

Abstract

This article has carried on the simple introduction to the photoelectric effect and the Compton effect respectively, of the photoelectric effect and Compton effect on the basic principles and its experimental analogy method a simple overview describes the Einstein photoelectric equation and use X-ray projection of graphite experiments. And on the photoelectric effect and Compton effect of the similarities and differences were analyzed. The physical nature of both the same, but the two observation conditions and the optical absorption of quantum energy in varying degrees, both in the process produced particles are also different.

Keyword:photoelectric effect; Compton effect; Einstein's photoelectric equation; optoelectronics; scattering

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。

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h v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hυ

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

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。