1、第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院量 子 力 學基 礎第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院 物理學的分支及近年來發展的總趨勢物理學的分支及近年來發展的總趨勢物理學物理學經典物理經典物理現代物理現代物理力學力學熱學熱學電磁學電磁學光學光學相對論相對論量子論量子論非線性非線性時間時間 t關關鍵鍵概概念念的的發發展展力學力學電磁學電磁學熱學熱學相對論相對論量子論量子論1600 1700 1800 1900第十一章第十一章 量

2、子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院近年來的發展：近年來的發展：* 粒子物理粒子物理 高能加速器產生新粒子，已發現高能加速器產生新粒子，已發現300種。種。 麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學、重整化方法。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學、重整化方法。* 天體物理天體物理 運用物理學實驗方法和理論對宇宙各種星球運用物理學實驗方法和理論對宇宙各種星球 進行觀測和研究，從而得出相應的天文規律的學科。進行觀測和研

3、究，從而得出相應的天文規律的學科。 應用經典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子應用經典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子 物理。物理。* 太陽中微子短缺問題太陽中微子短缺問題* 引力波存在的問題引力波存在的問題 * 物體的速度能否超過光速的問題物體的速度能否超過光速的問題第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院* 非平衡熱力學及統計物理非平衡熱力學及統計物理 物理學發展的總趨向：物理學發展的總趨向：* 學科之間的大綜合。學科之間的大綜合。* 相互滲透結合成邊緣學科。相互滲透結合成邊緣學科。二十世紀物理學

4、中兩個重要的概念：場和對稱性二十世紀物理學中兩個重要的概念：場和對稱性從經典物理學到量子力學過渡時期的從經典物理學到量子力學過渡時期的 三個重大問題的提出三個重大問題的提出 光電效應光電效應 康普頓效應。康普頓效應。 黑體輻射問題，即所謂黑體輻射問題，即所謂“紫外災難紫外災難”。 原子的線光譜和原子結構。原子的線光譜和原子結構。第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院11.2 光電效應光電效應 愛因斯坦光量子假說愛因斯坦光量子假說11.2.1光電效應的實驗規律光電效應的實驗規律如圖所示，為光電效應如圖所示，為光

5、電效應的基本裝置。的基本裝置。S：真空的玻璃容器真空的玻璃容器m：石英玻璃窗石英玻璃窗A：陽極陽極K：陰極（金屬板）陰極（金屬板）UGmSAK當紫外線或波長很短的當紫外線或波長很短的可見光照在陰極時，金可見光照在陰極時，金屬板將釋放電子即光電屬板將釋放電子即光電子。子。第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院（1）飽和光電流強度與入射光強度成正比。飽和光電流強度與入射光強度成正比。或者說：單位時間內從金屬表面或者說：單位時間內從金屬表面逸出的光電子數目與入射光強成逸出的光電子數目與入射光強成正比正比U0312U

6、IIS0如圖即為相同頻率，不同入射光強度如圖即為相同頻率，不同入射光強度1、光電效應的實驗規律（實驗結果）、光電效應的實驗規律（實驗結果）Is稱為飽和光電流稱為飽和光電流U0稱為稱為 遏止電壓（遏止電壓（I=0 的電壓）的電壓）（2） 光電子的初動能與光電子的初動能與入射光強度無關，而與入射光入射光強度無關，而與入射光 的頻率成正比。的頻率成正比。第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院U03U02U01312UIIS00UaU0紅限頻率紅限頻率截止電壓的大小反映截止電壓的大小反映光電子初動能的大小光電子初動能

7、的大小20021mVeU由上圖可知：由上圖可知：I=0時有時有aUKU0截止電壓與入射光頻率有線性關系截止電壓與入射光頻率有線性關系aeUeKmV2021實驗證明：實驗證明：Ua對不同金屬有不同值對不同金屬有不同值, e Ua稱逸出功稱逸出功第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院（3）產生光電效應的金屬具有一定的截止頻率。產生光電效應的金屬具有一定的截止頻率。aeUeKmV2021由由可知，只有當可知，只有當KUa/從金屬表面逸出的電子才具有初動能，即產生光電效應。從金屬表面逸出的電子才具有初動能，即產生光電

8、效應。（4） 光電效應具有瞬時性，或說響應速度很快，光電效應具有瞬時性，或說響應速度很快，10-9秒。秒。只要只要 ，則在光照射金屬表面，則在光照射金屬表面 后，幾乎立即后，幾乎立即就有光電子逸出，與光的強度無關。就有光電子逸出，與光的強度無關。 KUa/ 幾種純幾種純金屬的金屬的截截止止頻率頻率金屬金屬截止頻率截止頻率Hz10/1404.545 5.508.065 11.53銫銫 鈉鈉 鋅鋅 銥銥 鉑鉑 19.29第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院 * 經典認為經典認為光強越大，飽和電流應該大，光強越大

9、，飽和電流應該大，光電子的初光電子的初 動能也該大，即初動能正比于光強。但實驗上光電動能也該大，即初動能正比于光強。但實驗上光電 子初動能只與頻率有關，而與光強無關。子初動能只與頻率有關，而與光強無關。* 只要頻率高于紅限，既使光強很弱也有光電流；頻率只要頻率高于紅限，既使光強很弱也有光電流；頻率 低于紅限時，無論光強再大也沒有光電流。而經典認低于紅限時，無論光強再大也沒有光電流。而經典認 為有無光電效應不應與頻率有關。為有無光電效應不應與頻率有關。 * 瞬時性。瞬時性。經典認為光能量分布在波面上，吸收能量要經典認為光能量分布在波面上，吸收能量要 時間，即需能量的積累過程。時間，即需能量的積累

10、過程。11.2.2 經典理論的困難經典理論的困難例如：強度為例如：強度為1W/m2的光照在金屬的光照在金屬Na 上，需上，需107秒秒 即即115天電子才能逸出（經典）天電子才能逸出（經典）第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院11.2.3 愛因斯坦的光量子假說愛因斯坦的光量子假說1、愛因斯坦光量子假說：光子論、愛因斯坦光量子假說：光子論假設：一束光是一粒一粒以速度假設：一束光是一粒一粒以速度c運動的粒子流，這些運動的粒子流，這些 粒子稱光子，但它們仍保留頻率、波長的概念粒子稱光子，但它們仍保留頻率、波長的概

11、念認為光不僅在與物質相互作用時（發射和吸收），具認為光不僅在與物質相互作用時（發射和吸收），具有粒子性，而且在傳播過程中也有粒子性。有粒子性，而且在傳播過程中也有粒子性。一個頻率為一個頻率為 的光子具有能量的光子具有能量 ，其中，其中h為普朗為普朗克常數，值為：克常數，值為：hsJh341063. 6由相對論知識可知：由相對論知識可知：/22hchcEPchcEmhE第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院可見：光子即具有粒子特性可見：光子即具有粒子特性m 、P，又具有波動性又具有波動性 、 我們將這種波動性和

12、粒子性并存的性質稱為光的波粒二我們將這種波動性和粒子性并存的性質稱為光的波粒二象性。象性。光的波動性（光的波動性（p） 和粒子性和粒子性 （ ）是通過普朗克是通過普朗克常數聯系在一起的。常數聯系在一起的。2、用光量子假說解釋光電效應、用光量子假說解釋光電效應（1）由）由 可看出，光子的初動能可看出，光子的初動能AhmV2021與光的頻率成正比，而與光強無關。與光的頻率成正比，而與光強無關。該式稱為愛因斯坦光電效應方程該式稱為愛因斯坦光電效應方程由能量守恒得：由能量守恒得： A為逸出功為逸出功AhmV2021第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾

13、濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院（2）當入射光子的能量小于逸出功時，光電子的初動）當入射光子的能量小于逸出功時，光電子的初動 能為零，不能逸出；只有當能為零，不能逸出；只有當hA時，才能產生光時，才能產生光 電效應。截止頻率電效應。截止頻率 =A/h（3） 光的強弱只表明光子數的多少，而光子的能量恒光的強弱只表明光子數的多少，而光子的能量恒 定。一個光子的能量是一次地被電子吸收，所以，定。一個光子的能量是一次地被電子吸收，所以， 只要只要hA，電子吸收光子即逸出，具有瞬時性。電子吸收光子即逸出，具有瞬時性。第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射

14、哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院3 3 光電效應在近代技術中的應用光電效應在近代技術中的應用光控繼電器、自動控制、光控繼電器、自動控制、自動計數、自動報警等自動計數、自動報警等. .光電倍增管光電倍增管放大器放大器接控件機構接控件機構光光光控繼電器示意圖光控繼電器示意圖第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院 例例1 設有一半徑為設有一半徑為 的薄圓片，它距的薄圓片，它距光源光源1.0m . 此光源的功率為此光源的功率為1W，發射波長為發射波長為589nm的單色光的單色光 . 假定光源向各個方向發射的能

15、量是相同假定光源向各個方向發射的能量是相同的，試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數的，試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數 .m100 . 13解解2623m10)m100 . 1 (S172sJ105 . 24rSPE111s104 . 7hcEhEN第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院 1920 1920年，美國物理學家康普頓在觀察年，美國物理學家康普頓在觀察X X射線被物質射線被物質散射時，發現散射時，發現散射散射線中含有線中含有波長波長發生發生變化變化了的成分了的成分. .一一 實驗裝置實驗裝置

16、11.3 康普頓效應康普頓效應第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院二二 實驗結果實驗結果04590135（相對強度）（相對強度）（波長）（波長）I001.在散射在散射X 射線中除有與入射線中除有與入射波長相同的射線外，還有射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線波長比入射波長更長的射線 .2.波長的增加量波長的增加量 與散射角與散射角 有關。有關。03.當散射角當散射角 確定時，波確定時，波長的增加量長的增加量 與散射物與散射物質的性質無關。質的性質無關。4.散射的強度與散射物質有散射的強度與散射物

17、質有關。原子量小的散射較強，關。原子量小的散射較強，即正常峰較低。反之相反。即正常峰較低。反之相反。第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院 經典電磁理論預言，散射輻射具有和入射輻射一經典電磁理論預言，散射輻射具有和入射輻射一樣的頻率樣的頻率 . 經典理論無法解釋波長變化經典理論無法解釋波長變化 .三三 經典理論的困難經典理論的困難第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院000vxy光子光子電子電子 電子反沖速度很大，需用電子反

18、沖速度很大，需用相對論力學相對論力學來處理來處理. .（1 1）物理模型物理模型 入射光子（入射光子（ X 射線或射線或 射線）能量大射線）能量大 . . 固體表面電子束縛較弱，可視為固體表面電子束縛較弱，可視為近自由電子近自由電子. . 四四 量子解釋量子解釋xy電子電子光子光子 電子熱運動能量電子熱運動能量 ，可近似為，可近似為靜止電子靜止電子. . heV101054hE 范圍為：范圍為：第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院cos2202222220222chchchmv（2）理論分析理論分析xy00

19、echechvme0e2200mchcmhv能量守恒能量守恒vmechech00動量守恒動量守恒)(2)cos1 (2)1 (020024202242hcmhcmccmv第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院 康普頓波長康普頓波長 nm1043. 2m1043. 23120Ccmh)(2)cos1 (2)1 (020024202242hcmhcmccmv2/ 1220)/1 (cmmv2sin2)cos1 (200cmhcmh 康普頓公式康普頓公式)cos1 (00cmhcc實驗總結的結果實驗總結的結果:2s

20、in220KnmK00241. 0可見：實驗與理論結果符合的相當好！可見：實驗與理論結果符合的相當好！第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院 散射光波長的改變量散射光波長的改變量 僅與僅與 有關有關0, 0Cmax2)(, 散射光子能量減小散射光子能量減小00,)cos1 ()cos1 (C0cmh康普頓公式康普頓公式（3）結論結論xy00echechvme0e第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院康普頓散射進一步證實了光子

21、論，證明了光子能量、動量表示式的康普頓散射進一步證實了光子論，證明了光子能量、動量表示式的正確性，光確實具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的過程正確性，光確實具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的過程中嚴格遵守能量、動量守恒定律。中嚴格遵守能量、動量守恒定律。應用光子概念解釋康普頓散射應用光子概念解釋康普頓散射:（1）一個光子與散射物中一個自由電子或束縛較弱的電）一個光子與散射物中一個自由電子或束縛較弱的電 子發生碰撞后，光子將沿某一方向散射，即康普頓子發生碰撞后，光子將沿某一方向散射，即康普頓 散射的方向。在碰撞時，光子的一部分能量傳給電散射的方向。在碰撞時，光子的一部分能量傳給電 子

22、，所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即子，所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即 散射光波的波長要比入射光波的波長大。散射光波的波長要比入射光波的波長大。（2）若光子與原子中束縛很強的電子碰撞，由于整個原）若光子與原子中束縛很強的電子碰撞，由于整個原 子的質量比光子大得多，光子的能量沒有顯著變化子的質量比光子大得多，光子的能量沒有顯著變化 所以散射光的頻率沒有顯著變化，即散射光波的波所以散射光的頻率沒有顯著變化，即散射光波的波 長與入射光波的波長相等。長與入射光波的波長相等。第十一章第十一章 量子物理薛基礎量子物理薛基礎光電效應光電效應 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院解（解（1）)cos1 (CCC)90cos1 (eV295)1 (000202khchchccmmcE 例例 波長波長 的的X射線與靜止的自由射線與靜止的自由電子作彈性碰撞電子作彈性碰撞, 在與入射角成在與入射角成 角的方向上觀察角的方向上觀察, 問問m101.00-10090（2）反沖電子得到多少動能？反沖電子得到多少動能？（1）散射波長的改變量散射波長的改變量 為多少？為多少？（3）在