光电效应爱因斯坦光量子论.ppt

光电效应爱因斯坦光量子论

GD为光电管；光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向阳极A运动，形成光电流。
V
A
GD
K
A

将换向开关反接，电场反向，则光 发现现象 1905年
爱因斯坦 理论解释 1921年
密立根 实验证实 1923年
密立根，美国物理学家。研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。
四、光的波粒二象性

光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象
粒子性：光是光子流，光子具有粒子的一切属性--- 质量、能量、动量。
有些情况下(传播过程中，能量小)波动性突出；
有些情况下(和物质相互作用时，能量、动量大)粒子性突出。
描述光的波动性：波长 ，频率 
描述光的粒子性：能量 E ，动量P

静质量
动质量
光子动量
但是，光即不是经典的波，也不是经典的粒子。
光子质量
光作为电磁波是弥散在空间而连续的，光作为粒子在空间中是集中而分立的。如何统一呢 ?
两者统一于概率波理论。
3. 波动性和粒子性的统一
单缝衍射
光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比,
光子数 N  I  E02
光子是分立的，光强分布可以是连续的。
光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定。
光子在某处出现的概率大，则该处的光强I 大；
光子在某处出现的概率小，则该处的光强I 小；
五、康普顿效应
康普顿
吴有训
1923年康普顿（及中国科学家吴有训）研究了x射线通过物质时向各方向散射的现象。进一步证实了爱因斯坦的光子概念。
1. 实验装置
康普顿发现,在散射光中除了有与入射光波长λ0 相同的射线之外，同时还出现一种波长λ大于λ0 的射线。这种改变波长的散射称为康普顿效应。
1） 原子质量较小的物质，波长对应的谱线强度大，康普顿效应显著；原子质量大的物质康普顿效应较弱。
0

49Be
2964Cu
减小。

增大，
在同一散射角下，随原子序数Z增大，
吴有训的康普顿效应散射实验曲线
2）波长的改变量
与散射角 有关，与散射物质和入射波长无关。
（相对强度）
（波长）

根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，散射光频率 = 粒子作受迫振动频率 = 。
3. 光子理论对康普顿效应的解释
康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概念:一定频率的光子不仅具有确定的能量,而且还有确定的动量,即
光子的动量：
光子的能量：
(1)若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。
(2) 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。
康普顿用光子概念成功地解释了康普顿效应:光子与静止的自由电子发生弹性碰撞,碰撞过程中严格遵守能量、动量守恒定律。
(3) 在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。
(4）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。
X 射线是由一些能量为 =h 的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，
在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，可以把电子看作是静止的自由电子。
4. 康普顿效应的定量分析
碰撞前：光子能量为ho，动量为ho/c；电子的能量为moc2，动量为零。
碰撞后：光子散射角为，光子能量为h，动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它的能量为 ，动量为 。
反冲电子
由能量守恒:
由动量守恒:
φ
X
X
e
X
θ
φ
θ
φ
θ
X
X方向动量守恒
Y方向动量守恒
能量守恒:
最后得到：
此式说明：波长改变与散射物质无关,仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。
电子的康普顿波长。
计算的理论值与实验值符合得很好。
例
（1）这种光的光子能量和动量；
（2）光电子逸出钠表面时的动能(）；
（3），其波长为多少？
解 （1）
（2）
（