光电效应 爱因斯坦光子假说、康普顿散射 PPT.ppt

理学院 物理系 陈强,量子物理基础,图为第一届索尔威国际物理会议,.,在这次会议上，普朗克作了量子假说用于辐射理论的报告，他身后的黑板上写的就是普朗克公式,.,（图中左起坐者：能斯脱、布里渊、索尔威、洛伦兹、瓦伯、佩兰、维恩、居里夫人、彭加勒；站立者：哥茨米特、普朗克、鲁本斯、索末菲、林德曼、莫里斯,德布罗意、克努曾、海申,诺尔、霍斯特勒、赫森、金斯、卢瑟福、卡末林,-,昂内斯、爱因斯坦、朗之万）,16.2,光电效应 爱因斯坦光子假说,主要内容：,1.,光电效应的实验规律,2.,爱因斯坦光子假说 和光电效应方程,3.,光的波粒二象性,4.,光电效应的应用,1886年(德)赫兹发现了电磁波,发射器,接收器,1887年接收器纸暗室里,纸暗盒,光花暗了,发现了光电效应,紫外光照效果更明显,1888年(俄)斯托列托夫实验,2,mm,A,电流表,入射光,金属板,金属网,现象:,网接正,板接负,有电流,网接负,板接正,无电流,紫外光照效果更明显,结论:负电极在光照下放出负电粒子,形成电流,有光花,光电效应实验规律,1899年(英)汤姆生实验,e/m=?,A,电流表,金属板,金属板,H,磁场,入射光,实验现象：,光电粒子,返回到阴极,磁场足够强无电流,光电粒子,作园弧运动,根据电压、磁场和金属板间距,可计算出光电粒子的荷质比,e/m,与阴极射线电子荷质比,e/m,比较相同,光电粒子=电子,结论：光电效应是光照射使金属内部的自由电子获得大动能，从金属表面逃逸到空间的一种现象。

伏安特性曲线,16.2.1,光电效应的实验规律,1.,饱和电流,i,S,2.,遏止电压,U,a,i,S,:,单位时间 阴极产生的,光电子数,I,(,光强,),i,S1,i,S2,I,1,I,2,-U,a,U,i,I,1,I,2,K,A,A,U,i,(,实验装置原理图,),遏止电压,U,a,与光强无关遏止电压,U,a,与光的频率,成线性关系,（,一定）,0,当入射,光的频率,小于某最小频率,0,时，无光电效应发生,.,3.,截,止频率,0,遏止电压与频率关系曲线,式中,K,是与材料无关的普适恒量4.,即时发射,:,迟滞时间不超过,10,-9,s,K,A,A,U,i,(,实验装置原理图,),金属,钨,钙,钠,钾,铷,铯,红限频率,0,（,10,14,Hz,）,10.95,7.73,5.53,5.44,5.15,4.69,逸出功,A,（,eV,）,4.54,3.20,2.29,2.25,2.13,1.94,几种金属的截止频率,0,经典物理无法解释光电效应实验规律,电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量,(,与,光强,I,有关,),逸出，不应存在红限,0,.,当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累,.,只有光的频率,0,时，电子才会逸出,.,逸出光电子的多少取决于光强,I,.,光电子即时发射，滞后时间不超过,10,9,s,.,总结,光电子最大初动能和光频率,成线性关系,.,光电子最大初动能取决于光强，和光的频率,无关,.,16.2.2,爱因斯坦光子假说 光电效应方程,光是光子流,，每一光子能量为,h,，,电子吸收一个光子,（,A,为,逸,出功）,单位时间到达单位垂直面积的光子数为,N,，则光强,I=Nh,.,I,越强,到阴极的光子越多,则,逸,出的光电子越多,.,电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累,.,光频率,A/h,时，,电子吸收一个光子即可克服逸出功,A,逸出,(,o,=A/h,),.,结论,光电子最大初动能和光频率,成线性关系,.,爱因斯坦光子理论成功解释了光电效应。

但仍有人不服，进一步作什么实验才能让世人口服心服？,0,U,0,金属1,01,金属2,02,金属3,03,不同金属材料,0,不同,但斜率同,用不同频率,光对不同金属材料作实验,实验曲线如图,实测斜率值,爱因斯坦理论斜率值,两者比较,eU,0,=(1/2),m,v,2,=,h,-,A,斜率=,h/e,若,h,爱,=,h,普,普朗克常数,便,成功,普朗克常数,h,爱,=,e,实测,斜率,e,A,-,e,h,U,0,n,=,1915年(美)密立根改进,勒纳德实验如图,实验难度分析：,表面氧化物接触电势差影响测量结果,抽真空,B,C,小孔,入射光,D,收集极,反向电压,U,刮刀,用刮刀把金属表面,氧化物去掉，让新,鲜表面露出用汞灯光经光栅出来的6根谱线:,1,6,单色光分别入射,调反向电压,U,无光电流,遏止电压,U,0,1,=253.5nm,2,=312.5nm,3,=365.0nm,4,=404.7nm,5,=433.9nm,6,=546.1nm,(紫外光),(可见光),1916年密立根发表的两张实验曲线如下:,爱因斯坦获1921年诺贝尔奖(补发),密立根获1923年的诺贝尔物理学奖,斜率,h,爱,=6.5610,-34,J.s,h,普,=6.6510,-34,J.s,比较结果：,h,爱,h,普,偏差0.5%,结论：爱因斯坦光子理论正确,六个交点,遏止电压,六个频率的遏止电压接成直线,关于光电效应有下列说法：,（,1,）任何波长的可见光照射到任何金属表面都能产生光电效应。

2,）对同一金属如有光电子产生，则入射光的频率不同，光电子的最大初动能不同3,）对同一金属，若入射光的波长不同，单位时间产生的光电子的数目不同4,）对同一金属，若入射光的频率不变而强度增加一倍，则饱和光电流也增加一倍其中正确的是,:,（,D),强度,光子数光电子数,光电子初动能光子能量,红限频率是与金属性质有关的常数,光电效应没有时间延迟,钾金属表面被蓝光照射时，有光电子逸出，若增强蓝光的强度，则,(A),单位时间内逸出的光电子数增加；,(B),逸出的光电子初动能增大；,(C),光电效应的红限频率增大；,(D),发射光电子所需的时间增长A,以下一些材料的逸出功为,铍：,3.9 eV,、,钯：,5.0 eV,、,铯：,1.9eV,、,钨：,4.5 eV,，,今要制造能在可见光（频率,范围为 ）下工作的光电,管，在这些材料中应选：,（,A,）钨；（,B,）钯；（,C,）铯；（,D,）铍解,：,（,C,）对,可见光中光子的最大能量,h,：,(,最小能量为,1.6ev),用频率为 和 的两种单色光，先后照射同一种金属均能产生光电效应，已知金属的红限频率为 ，测得两次照射时的遏止电压 ，则这两种单 色光的频率有如下关系：,解,：,得：,（,C,）,图为某种金属的光电效应实验曲线,.,试根据图中所给数据求出普朗克常量和该金属材料的逸出功,.,例,解,和,对照实验曲线，普朗克常量为,该金属材料的逸出功为,由爱因斯坦光电效应方程,得,0,一铜球用绝缘线悬挂于真空中，被波长为,=150,nm,的光照射,.,已知铜的逸出功为,4.5eV,.,铜球失去电子后带正电，电势升高，使束缚电子的势垒也升高，设铜球表面的电势为,U,，,逸出电子的速度为,v,，铜的逸出功为,A,，爱因斯坦光电效应方程为,逸出电子的最大动能为零时，铜球电势达最高,U,max,，有,解,例,铜球因失去电子而能达到的最高电势,.,求,光子动量,16.2.3,光的波粒二象性,光子能量,光子质量,粒子性,波动性,16.2.4,光电效应的应用,光电管,:,光电开关,红外成像仪,光电传感器等,光电,倍增,管,:,(,微光,),夜视仪,B,测量波长在,2001200 nm,极微弱光的功率,光电倍增管,16.3,康普顿散射,主要内容：,1.,康普顿散射的实验规律,2.,光子理论的解释,0,0,探测器,0,16.3.1,康普顿散射的实验规律,X,光管,光阑,散射物体,(,实验装置示意图,),0,0,0,0,实验结果,:,1.,散射,X,光中,两个,波长,0,(,原入射波长,),0,0,=,且,0,散射,X,光强度,散射,X,光强度,2.,在相同散射角下，,不同金属,不同,0,但,相同,，,原子序数,0,强度,，,原子序数,强度,散射角相同，散射物体不同情况下的实验结果：,入射波,散射波,（入射光的中心波长为,0,，散射光中频率改变部分的中心波长为,）。

经典物理无法解释康普顿散射实验规律,经典理论只能说明波长不变的散射，而,不能,说明,康普顿散射,.,电子受迫振动,同频率散射线,发射,单色电磁波,受迫振动,v,0,照射,散射物体,康普顿散射实验规律,需用光子理论解释,.,16.3.2,光子理论的解释,能量、动量守恒,入射光子与外层电子弹性碰撞,外层,电子,受原子核束缚较弱,动能光子能量,近似自由,近似静止,静止 自由 电子,（运算推导）,（电子的康普顿波长）,其中,散射,X,光中两个波长,、,0,(,原入射波长),并且,0,光子理论解释康普顿效应如下：,核外层电子束缚弱高能,X,光碰撞产生散射光,核内层电子束缚强高能,X,光碰撞产生散射光,0,如同与原子碰撞,m,0,m,原子,大,0,碰撞能量守恒反冲电子能量增加,h,散,h,入,0,0,=,且,0,散射,X,光强度,散射,X,光强度,电子反冲小,电子反冲大,反冲电子,散射,X,光子,静止电子,入射,X,光子,x,y,不易脱离原子核,如同与原子碰撞,易脱离原子核,如同,电,子碰撞,公式上：,物理上：,反冲电子能量,0,散射光强度,散射光强度,h,入,-,h,散,能量差值,在相同散射角下,不同金属,相,同,原子序数,0,强度,强度,原子序数,电子数,外层,电子数相对,0,强度,强度,不同金属内电子本身是相同的,相,同,公式上：,相同,相,同,物理上：,X,射线光子和原子内层电子相互作用,光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变,.,原子,自由电子,0,0,0,内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞,.,结论,光子,内层电子,外层电子,波长变大的散射线,波长不变的散射线,波长变化,物质 波长,轻物质（多数电子处于弱束缚状态）,弱,强,重物质（多数电子处于强束缚状态）,强,弱,吴有训实验结果,强度变化,康,肯定了在微观领域里能量守恒仍然成立,动量守恒仍然成立,更重要的、具有判决性的实验工作:,是用康普顿效应测普朗克常数并比较之,实验结果：,h,康,h,普,h,爱,康普顿效应重要意义:,肯定了,光子理论正确,光子概念遍及整个电磁波,在康普顿效应实验中，若散射光波长是入射光波长的,1.2,倍，则散射光光子能量,与反冲电子动能,E,k,之比,/,E,k,为,A,）,2 B,）,3 C,）,4 D,）,5,康普顿散射中，当散射光子与入射光子方向夹角为,时，散射光子的频率小得最多；,为,时，散射光子的频率与入射光子相同,0,康普顿公式,例,求,(1),散射线的波长,;(2),反冲电子动能,;(3),反冲电子动量,.,解,(1),散射,线的波长,:,(2),反冲电子动能,:,(3),反冲电子的动量：,0,=0.02nm,的,X,射线与静止的自由电子碰撞,若从与入射线成,90,的方向观察散射线。

在康普顿效应中,入射光子的波长为,310,-3,nm,反冲电子的速度为光速的,60%,求散射光子的波长和散射角,.,。