光电效应与康普顿效应

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1、光电效应与康普顿效应　　我们已明确指出光的本质是电磁波，它具有波动的性质．但近代物理又证明，光除了具有波动性之外还具有另一方面的性质，即粒子性．至于光具有粒子性，最好的例证就是著名的“光电效应”和“康普顿效应”．由于光电效应与康普顿效应研究的都是光子与电子之间的相互作用，这就使有些人自然产生一个疑问：既然研究的对象相同，那么，为什么有时讨论光电效应，有时又讨论康普顿效应呢？到底两种效应有什么区别？有什么联系呢？下面我们就从光电效应的物理本质及规律，康普顿效应的物理本质及规律，光电效应与康普顿效应的关系这三个方面来回答这些问题．　　1、光电效应的物理本质及规律　　在麦克斯韦预言了电磁波

2、的存在以后，为了证实电磁波的存在，德国物理学家赫兹于1887年首先发现用紫外光照射放电火花隙的负电极时，会使放电更易产生．尔后，其他物理学家都继续对此进行了研究，发现用紫外光以及波长更短的X光照射一些金属，同样观察到金属表面有电子逸出的现象．于是，物理学家就把在光（包括不可见光）的照射下金属表面逸出电子的现象称为光电效应．所逸出的电子叫光电子，这一名字仅为了表示它是由于光的照射而从金属表面飞出的这一事实．事实上它与通常的电子毫无区别．光电子的定向运动所形成的电流叫做光电流．光电效应的规律可归纳为以下几点：　　（1）饱和光电流与入射光的强度成正比，即单位时间内受光照射的电极（金属）上释

3、放出来的电子数目与入射光的强度成正比．　　（2）光电子的最大初动能（或遏止电压）随入射光的频率线性地增加而与入射光的强度无关．　　（3）当光照射某一金属时，无论光的强度如何，照射时间多长，若入射光的频率小于某一极限频率，则都没有光电子逸出，即不发生光电效应．　　（4）只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会选出光电子，其时间间隔不超过秒，几乎是瞬时的，与入射光的强度无关．　　在解释上述光电效应的规律时，经典的波动理论遇到了不可克服的困难．为此，伟大的物理学大师——爱因斯坦于1905年提出了一个非凡的光量子假设．他认为光也具有粒子性，这些光粒子称为光量子，简称光子．每个

4、光子的能量是，h是普朗克常数，是光的频率．　　按照光子假设，当光射到金属表面时，金属中的电子把光子的能量全部吸收，电子把这部分能量作两种用途，一部分用来挣脱金属对它的束缚，即用作逸出功W，余下一部分转换成电子离开金属表面后的初动能．按能量守恒与转换定律，应有：　　这就是有名的爱因斯坦光电效应方程．　　利用爱因斯坦光电效应方程能圆满地解释光电效应诸规律．　　首先，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数．当入射光的强度增加时，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金

5、属表面逸出的光电子也增多，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的饱和电流．所以，饱和电流与入射光强度成正比．　　其次，由爱因斯坦光电效应方程可知，对于一定的金属而言，因逸出功W一定，故光电子的最大初动能随入射光频率成线性关系而与光强度无关．　　第三，由爱因斯坦光电效应方程可见，如果入射光的频率过低，以至于，那么，金属表面就根本不会有光电子逸出，尽管是入射光强度很大．显然，只有当入射光的频率时，才会有光电流出现．事实上，这里的就是光电效应规律中所说的极限频率，又名“红限”，各种金属的红限各不相同．　　第四，当光子与金属中的电子相互作用时，电子能够一次性全部吸收掉光子的能量，因而光电效

6、应的产生无需积累能量的时间，几乎是一触即发．　　2、康普顿效应的物理本质及规律　　一般的光散射知识告诉我们，只有当光通过光学性质不均匀的媒质时，光散射现象才会发生．但是实验发现，当波长很短的光（电磁波），如X射线、射线等通过不含杂质的均匀媒质时，也会产生散射现象，且一反常态，在散射光中除有与原波长相同的射线外，还有比原波长大的射线（）出现．这现象首先由美国物理学家康普顿于1922～1923年间发现，并作出理论解释，故称康普顿效应，亦称康普顿散射．　　康普顿效应的规律可归纳成如下几点：　　（1）康普顿效应中波长的改变与原入射光波长和散射物质无关，而与散射方向有关．当散射角（散射线与入射

7、线之间的夹角）增大时，也随之增大．　　（2）康普顿效应随散射物质原子量的增大而减弱．　　经典波动理论同样解释不了上述康普顿效应的规律．为此，康普顿接受了爱因斯坦的光子假设，认为康普顿效应是由于光子与散射物质中的电子作弹性碰撞的结果．在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，电子的电离能只有几个电子伏特，远小于X光光子的能量（电子伏特），故在两者碰撞过程中，可把电子看作是静止且自由的．具体分析如下：设电子的静止质量为，碰撞前，电子的能量为，动量为零；X光光子的能量