光电效应与康普顿效应的比较周嘉夫（天水师范学院物理与信息科学学院，甘肃天水741001）摘要: 光电效应和康普顿效应是光的粒子性的两个重要证据，通过对两效应实验规律的比较及产生条件的分析，论述两效应之间存在的本质差异，进一步说明光电效应和康普效应虽然都是光子与原子的作用过程，但产生条件和现象却是根本不同的。

关键词:光电效应康普顿效应光子散射电子自由电子差异能量作用比较The Comparison of Photoelectric Effect and Konpton EffectZhou Jiafu( School of Physics and Information Science, Tianshui Normal university, 741001) Abstract:Photoelectric effect and Compton effect is the particle nature of light are two important evidence. Effect of the two experiments and production of comparative law analysis of the conditions discussed between the two effects of differences in the photoelectric effect and further Compton Effect Although they are both the role of photon and atom, but phenomena arising from the conditions and it is step-by-step with the fundamental.Key words:Scattering, Electron, PhotoelectricEffect, Konpton Effec,Free Electron，Photon，Function，Energy，Comparison当频率为ν的光子与原子相互作用时,由于作用的形式及产生的后果不同，出现的现象主要有：①光子继续按原来的方式运动,就好象那儿没有原子存在一样,而原子也不受任何扰动;②产生光电效应,光子的能量被原子吸收,转移给某个电子,使该电子脱离原子的束缚(从原子中电离),形成一个自由电子和一个正离子;③产生康普顿效应,在该效应中,光子被原子内较松散的外层电子所散射,光子失掉一部分能量变为电子的反冲动能,散射光子的频率减小,由于原子核对外层电子束缚得很松,可把原子的外层电子看作自由电子。

除此之外,光子与原子的相互作用,还可能会产生其它一些更复杂的现象，这里不再赘述。

本文仅讨论将光电效应和康普顿效应作为光的粒子性的两个有力证据,说明光不仅具有分立的能量hv ,而且还具有一定的动量c hv 。

用爱因斯坦的光子理论可以圆满解释光电效应和康普顿效应的实验结果。

现行光学教材[1][2][3]中,均没有深入讨论两种效应的本质上差异。

为什么它们同是光子与电子的碰撞过程,却引起了截然不同的两种效应?本文从实验事实出发,对光电效应和康普顿效应规律和本质作了比较。

1 光电效应和康普顿效应实验规律的比较光电效应首先是由赫兹在1887年发现的。

光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫做光电效应。

金属中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。

其实它与通常的电子毫无区别，因此，光电子的定向移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）要产生光电效应，入射光的频率必须0νν≥ (或0λλ≤)，0ν叫极限频率，对不同金属0ν的值不同，与0ν相应的波长值0λ叫极限波长。

如果人射光的频率0νν<（或0λλ>）则无论入射光强度多大，照射时间多长，都不会产生光电效应。

（2）从金属中释放的电子的最大初动能与光的强度无关，与光的频率有关。

光电子的最大初动能随入射光频率的增大而线性地增大。

（3）光电子的发射与光的照射几乎是同时的，它们之间的时间不会超过910-s 。

（4） 入射光频率大于极限频率时，饱和光电流(单位时间内发射的光电子数)与入射光强度成正比。

康普顿效应是表明光具有粒子性的另一个现象。

这现象首先是由康普顿于1922-1923年间发现的。

当波长很短的X 射线通过某种物质时，散射光中除了有原有波长0λ的X 射线外，还有较长波长λ的X 射线的散射现象称为康普顿效应。

康普顿效应的实验规律可归纳成如下两点:(1) 康普顿效应中波长的改变与散射角(散射线与人射线之间的夹角)θ的关系由康普顿散射公式确定，即0λλλ-=∆=-1(0λcos θ)，式中常数=0λ0.2463•A 叫做电子的康普顿波长，对于同一散射物质，波长差λ∆随θ角增大而增大，与入射光波长无关。

(2) 对于不同散射物质，在同样的散射方向上，波长差λ∆相同，但较长波长的射线强度随原子序数Z 的增大而减少[4]，即随着Z 的增加康普顿效应变得不显著。

1.1光的波动理论不能解释光电效应和康普顿效应在光电效应和康普顿效应中牵涉到的光子和个别电子的相互作用，光的波动理论是很难解释这种微观世界中的作用的，而必须用量子概念来解释。

光电效应实验规律的前两条说明光电效应与光的频率有决定性的关系:入射光频率ν必须大于等于极限频率0ν才能发生光电效应，且发射出光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光的强度无关。

从光的波动理论看这是无法理解的，入射光强度大即入射光能量大，金属中电子吸收光的能量就大，应该更容易发生光电效应且光电子动能越大。

而实验却说明只要入射光频率0νν<无论光强度多大都不能从物质中照射出电子，只要0νν≥，无论多微弱的光都能从物质中照射出电子，且电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大。

从波动理论看，“电子的发射与光的照射几乎是同时的”也是不可理解的。

深入细致分析原子中电子接收光的能量过程，原子面积很小，在单位时间内吸收入射光的能量也很少，需要很长时间才能发射电子。

波动理论能解释实验规律的最后一条，但从整体看，从关键的实验事实看，应该认为波动理论不能解释光电效应的实验规律。

1.2用光子理论可以完满地解释光电效应和康普顿效应的物理本质及规律按照光子理论，当光射到金属表面时，金属中的电子把光子的能量νh (h 为普朗克常数)全部吸收，电子把这部分能量用作两种用途，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动能221mv ，按能量守恒与转换定律，应有w mv h +=221ν，这就是有名的爱因斯坦光电效应方程。

利用这个方程能圆满地解释光电效应的所有规律。

对规律l ，根据电子吸收一个光子能量hv 逸出金属的动能0212≥mv ，由光电效应方程推理得到必w h ≥ν，其中w h =0ν， hw =0ν，不同金属逸出功w 不同，故极限频率不同，这就解释了极限频率的存在和不同金属极限频率不同。

对规律2，因为h 为一恒量，对一种金属w 为一定值。

所以，由爱因斯坦光电效应方程知，逸出电子的最大初动能随入射光频率的增大而线性地增大。

对规律3，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，因而光电效应的产生无需积累能量的时间，几乎是一触即发。

对规律4，光的强度大，即单位时间内入射金属表面的光的能量大，根据光子理论，光的能量与光的频率和光子的数目有关，当光的频率一定时，入射光强度大，即单位时间内入射的光子数目多。

所以，从金属中逸出的电子数目也多，逸出的光电子数与光的强度成正比。

同样用光子理论可以很方便地解释康普顿效应:入射光中的光子与物质中的电子作弹性碰撞，碰撞后光子的能量减少，由=E λνhc h =故波长变长，这就是较长波长的散射光。

原子外层的电子或轻原子的电子的结合能(-10ev)比X 射线能量(5410~10ev)要小得多，这些电子的动量也比光子的动量要小，因此作为近似，可以把这些电子看成是自由的并且是静止的。

在碰撞过程中，光子与电子作为一个系统遵守能量守恒定律与动量守恒定律。

对于原子内层电子，因结合能较大不能忽略，故电子不能看成是自由的，这时光子将与整个原子发生碰撞。

由于原子质量远大于光子质量，碰撞结果是光子能量改变甚微，光的波长几乎不变，这就是散射中有原散射光的原因。

随着Z 的增加，原子中结合能小的外层电子在全部电子中所占比例减小，即可以看成自由电子的电子数减少，而原波长的散射光增加，这就是随着Z 的增加康普顿效应变得不显著的原因，从而解释了第二条实验规律。

2 光电效应和康普顿效应的发生几率在宏观统计上是一致的光与物质相互作用时,可能出现许多现象,但按照量子力学,我们无法确切地预言这许多现象中到底哪一种实际会发生,只能给出各种现象可能出现的几率。

我们能说明的仅仅是每一种现象可能出现的几率,而对于任何单个的光子,我们永远也不能确切地预言它在与原子碰撞时究竟会产生那种现象。

虽然如此,但这并不是说就不能选择某种条件,使某种现象如光电效应成为主要过程,或者选择其它条件使康普顿效应成为主要过程。

实验表明,光电效应和康普顿效应发生的几率,主要由光子的能量来确定。

有人用实验得出如下结果[5]:分别使用1000个光子穿过0.1 mm 厚的铝箔和铅箔时,平均来说将发生什么效应呢?如果以能量为300 Kev 的1000个光子通过0.1 mm 厚的铅箔时,平均只有9--10个光子将产生康普顿效应、约有35个将产生光电效应,约955个光子则穿过铅箔,不受任何影响。

与此相反,若能量为30 Kev 的1000个光子通过0.1 mm 厚的铝箔时,大约只有5--6个光子将产生康普顿效应、约有920个参与产生光电效应,约75个光子则无扰动地通过铝箔。

总的来说,产生光电效应的几率随着光子的能量增加而迅速减小。

而在100--700 Kev 的能量范围内,重原子铅发生光电效应的几率要比轻原子铝要大得多。

另外,实验中还发现,光子能量为89Kev 时光电效应出现有趣的突变,说明要从铅原子中撞出一个内层的电子需要89Kev 的能量。

如果光子的能量正好比89Kev 稍大一些,铅原子的最内层电子因光电效应有很大的几率被撞出;若光子的能量正好比89Kev 稍小一点,它的能量就不足以使铅原子的最内层电子脱离原子而撞出。

与此对应,康普顿效应的几率有一个反方向的降落,究其原因,是由于光电效应的几率变的很大时,参与康普顿效应的光子便寥寥无几了。

因而光电效应成为主要过程或康普顿效应成为主要过程，或两效应均不明显等,都只是从它们发生几率上的一种统计结果。