光电效应和康普顿效应联系和区别

浅析光电效应和康普顿效应的联系和区别

光的粒子性对应的现象分别为光电效应和康普顿效应。光电效应是电子吸收光子，而康普顿效应是光子与电子发生弹性碰撞。为什么会产生这样的区别呢？它们之间又有什么样的联系呢？同样是

用光子去打击电子，为什么用可见光照射表现为光电效应，而用x 射线照射就表现为康普顿效应呢？为什么用可见光照射时有些电

子可以吸收光子，而用x射线照射电子就不吸收光子，却表现为光子与电子的碰撞呢？

首先要明确与光子发生相互作用的电子所处的状态有两种，即自由态和束缚态。

在光电效应中，入射光是可见光和紫外光，这些光子的能量不过是几个电子伏特，这和金属中电子的束缚能量有相同的数量级，不能把金属中的电子看做是自由的。电子可以吸收光子，产生光电效应。考虑光子、电子和原子核三者的能量和动量的变化，遵循非相对论能量守恒定律和动量守恒定律（电子获得速度v不大，满足非相对论条件v

当光子入射到金属表面时，光子的能量全部为金属中的电子吸收，电子把这能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分变成电子离开金属表面后的动能，按能量守恒定律，有

在康普顿散射中，入射光是x光，这些光子的能量为104~105 电子伏特，而原子序数低的原子中，原子核对电子的束缚弱，电离能仅几电子伏特，在x光子与电子作用时，电离能可以略去不计，因此对于所有原子序数低的原子，都可以假定散射过程仅是光子和电子的相互作用，把电子看作自由电子，且在受到光子作用之前是静止的。对于x光子与原子外层电子的相互作用，电子不能吸收光子，只能发生光子与电子碰撞。考虑光子和电子的能量、动量变化，遵循相对论能量和动量守恒定律。

当然，原子中也有被束缚得紧密的电子，特别是重原子中被束缚得紧密的电子更多些，当光子打在这些电子上时，实际上等于和整个原子相碰（把整个原子看作自由粒子），原子的质量比电子的质量大得多（最轻的氢原子的质量比电子的质量约大2000倍），因此，由于碰撞，光子传给原子本身而使其运动的能量很小，亦即δλ的变化很小，这个变化实际上观察不到。这就是散射光中有波长不变的谱线的原因。

由（5）式可以看出，用可见光入射时，也会产生康普顿效应。一群可见光光子照射到金属表面时，一部分光子被电子吸收，从金属中放射出光电子，产生光电效应。一部分光子与金属中的电子碰撞，光子把一部分能量传给电子，电子仍留在金属内，但电子的能量状态发生改变，光子与电子碰撞后散射，失去一部分能量，波长改变了。但波长的相对改变量太小，不易观察到。虽可以产生康普顿效应，但波长的相对改变量表现不出来，所以光电效应占主导地

位。

用x射线入射时，也会产生光电效应，即也存在光子被吸收而放出电子的过程，但这是原子（不是原子的外层电子）吸收光子，从原子里发射出电子。这有两种可能的物理过程，一种是原子吸收光子的能量，从原子某一内壳层射出电子，此时原子呈激发态，伴随发射次级x射线的光子。另一种是原子吸收x光子处于激发态，当原子的激发能传给自己的一个深层电子时，从一个深电子层（一般是k电子层）中放出一个电子，深度较浅的电子壳l、m或n电子层中的一个电子跃入原来电子空出来的位置，此即俄歇效应（在2004年江苏省自主命制的高考试题第10题中有所体现）。但用x射线照射原子序数低的元素物质时，原子吸收光子而产生光电子的概率很小，光电效应不显著，主要表现为康普顿效应。

由以上的讨论可以看出，虽然光电效应和康普顿效应均为电子和光子的相互作用，但彼此还是存在着区别的，当光子的能量与电子的束缚能同数量级时，主要表现为光电效应；当光子能量远大于电子的束缚能量，主要表现为康普顿效应。

（作者单位江苏省镇江第一中学）