大学物理量子力学初步光电效应和康普顿效应.ppt

1,金属及其化合物在电磁波照射下发射电子的现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。,实验装置：,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。,实验规律如下：,1.2 光电效应,演示qh,2,1.实验规律：,在频率 一定时，,单位时间内，阴极K逸出的电子数N与入射的光强成正比。即 饱和光电流强度与入射光强度成正比。,光强 I 对饱和光电流 im的影响：,3,与频率 有关，,截止电压Uc 与光强 I 无关,K常数；U0与材料有关。,当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 UC 时，光电流恰为 0。UC 称截止电压。,截止电压的大小反映光电子初动能的大小。,频率的影响：,4,产生光电效应的必要条件：入射光频率大于阴极材料的截止频率0-红限 对于每种金属材料，都相应有一确定的截止频率0。,当入射光频率 0 时，电子才能逸出金属表面；,当入射光频率 0 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,存在红限频率,5,*能解释：经典理论认为光强越大，能量越多，打出的光电子多，饱和电流应该越大。,2.波动理论的困难,光电转换时间极短 10-9s(即使光非常非常弱)。,*不能解释：经典理论认为光强越大，能量越多，光电子的初动能也该大。初动能应正比光强，不应与频率有关。而且经典理论认为只要光强足够大，总能有光电子产生，无法解释红限的存在。,*不能解释：经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。,为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。,6,一.爱因斯坦的光子理论(1905年),光的发射、传播、吸收都是量子化的，一束光就是以速率 c 运动的一束光子流。,光子能量,（不是nh）,发展了普朗克开创的量子论：,1.3 光的二象性 光子,光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为 E=h 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。,7,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子的初动能 Ek。由能量守恒可得出：,A为电子逸出金属表面所需作功的最小值，称为逸出功。,二.光子理论对光电效应的解释,饱和光电流正比于光强的解释,光强正比于单位时间流过单位面积 的光子数。光强越大，光子数越多。,金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。,8,不同金属具有不同的红限频率。,与实验得到的红限频率 完全一致。,对比实验规律,得出,初动能及反向遏止电压与 成正比，而与光强无关。,截止频率0（红限）的解释,9,电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。,爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。,密立根整整化了10年时间，克服了重重困难，利用巧妙而复杂的装置，于1915年完成了光电效应的高精度实验。,密立根,-密立根在实验中精确地测量得斜率K，计算得普朗克常数 h=6.57 10-34 Js,光电效应瞬时性的解释,10,这对爱因斯坦光子假设也是极大的支持。,两个不同的理论与实验得出如此接近的结果，这在量子论发展初期具有极为重大的意义。,密立根-1923年诺贝尔物理学奖,密立根还通过著名的油滴实验研究基本电荷，证明电荷有最小单位。,爱因斯坦-1921年获诺贝尔物理奖,光子的能量：,光子的质量：,光子的动量：,=h,普朗克根据黑体辐射实验求得h=6.358 10-34 Js,光子,11,产生的光电子最大动能Ek=1.0eV。求能使该金属产生光电效应的入射光的最大波长。,解：,例题：以波长=410nm的紫光入射某种金属时，,12,解：,例题：钾的截止频率0=4.621014Hz，以波长=435.8nm的光照射，求钾放出光电子的初速度。,13,解：,能量,动量,质量,例题：求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。,14,=h=,式中,康普顿散射是光显示出其粒子性的又一著名实验。,1922-1923年，康普顿研究了 X 射线在石墨上的散射：,光子的能量：,光子的动量：,称为波矢量,通常令，圆频率=2，,1.4 康普顿散射,15,光阑,0,散射波长,一.康普顿散射的实验装置与规律：,16,康普顿正在测晶体对X 射线的散射,按经典电磁理论：如果入射X光是某 种波长的电磁波，散射光的波长是 不会改变的！,17,1.除原波长0外，出现了移向长波方向的新的散射波长。,但是，散射中出现了 0 的 现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,2.新波长 随散射角 的增大而增大。,实验测得 c=0.0241,c 称为电子的Compton波长,康普顿散射的特点：,18,X射线的光子与静止的自由电子之间是弹性碰撞，并假设在碰撞过程中能量守恒,动量守恒。,定性分析:,光子把部分能量传给了电子，光子能量减小,频率变小,因而波长就变长。,X射线光子与“静止”的“自由电子”发生碰撞。,石墨中的外层电子在原子中结合较弱，束缚能eV,在室温下的热运动能量 kT10-2eV，所以可认为 这些电子是静止的自由电子。,X光的光子能量很大，波长1的X射线,二.对康普顿散射的解释,19,按能量与动量守恒定律应有,解出的波长偏移,和实验结果符合得相当好！,定量计算：,20,动量守恒,碰撞过程能量守恒,推导：,21,波长最大改变量：2c=4.810-3nm,可见，康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后，电子获得一部分能量，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。（二步过程，见P19）,联立以上三式，可以解得：,实验测得 c=0.0241,c 称为电子的Compton波长,22,2.为什么在散射线中还观察到有与原波长的射线？,3.为什么用可见光做散射实验，观察不到 波长的偏移现象？,光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子 的碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞。,（最大为 0048；是可见光波长的10-5）,1.为什么 与散射物的种类无关？,散射物中的电子都看成自由电子了。,弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，即 散射光子波长不变。,讨论：,23,4.为什么康普顿效应中的自由电子 不能像光电效应 那样吸收光子 而是散射光子？,若静止的自由电子吸收光子，,不可能！,自由电子不可能吸收光子，（不能同时满足能量守恒和动量守恒），只能散射光子。,24,5.为什么在光电效应中只考虑“光子电子系统”的 能量守恒，不考虑动量守恒？,在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，与X射线相比，光子能量较低，电子与整个原子的联系不能忽略，电子不能视为自由的。,在光电效应中，原子也要参与动量交换，,“光子电子系统”动量不守恒。,25,（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；,（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；,（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。,康普顿于1927 年获诺贝尔物理奖。,三.康普顿散射实验的意义,26,19251926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，,1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作。,对证实康普顿效应作出了重要贡献。,在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验，,吴有训先生曾任清华物理系主任、中国科学院付院长。他的学生中有多人成为我国两弹一星的功臣。,四、吴有训对研究康普顿效应的贡献,27,1.与散射物质无关,仅与散射角有关。,吴有训康普顿散射实验曲线,想一想？,曲线表明：,28,关于光的波粒二象性,光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。,光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。,关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。,光子的能量：,光子的质量：,光子的动量：,=h,29,描写光的粒子性的、p，与描写光的波动性的、通过=h；相联系其中：h=6.63 10-34 Js,两者怎么能统一呢？,光作为粒子在空间中是集中而分立的；,两者统一于概率波理论（见后）。,光有二象性,波长大或障碍物小波动性突出,波长小或障碍物大粒子性突出,光作为电磁波是弥散在空间而连续的；,