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张前军物理教学随笔

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日志

 
 

康普顿效应与光电效应的区别与联系(转载)  

2011-03-24 07:44:32|  分类: 选修3-5 |  标签: |举报 |字号 订阅

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原文地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_554f6db10100rk3q.html

       众所周知,光电效应与康普顿效应的物理本质是相同的,都是个别光子与个别电子的相互用。但二者有明显差别。其一,入射光的波长不同。入射光若为可见光或紫外光,表现为光电效应;若入射光是X光,则表现为康普顿效应。其二,光子和电子相互作用的微观机制不同。在光电效应中,电子吸收光了的全部能量,从金属中射出,在这个过程中只满足能量守恒定律;而康普顿散射是光子与电子作弹性碰撞,遵循相对论能量——动量守恒定律。若对问题进行深究就会发现,同是用光子去打击电子,为什么用可见光照射表现为光电效应,而用X射线照射就表为表普顿效应呢?为什么用可见光照射时有些电子可以吸收光子,而用X射线照射电子就不吸收光子,却表现为光子与电子的碰撞呢?对于这个问题很多人感到困惑。

      为了解决以上困惑,我们先提出一个结论,然后加以证明。

       结论:从能量守恒定律和动量守恒定律可以断定,自由电子不可能吸收光子,只有原子、分子、离子中的束缚电子以及固态晶体中的电子才能吸收光子。

       若自由电子能够吸收光子,如果满足了能量守恒定律,就不可能同时满足动量守恒定律,由此断定,自由电子不可能吸收光子。如果光子打在束缚电子上,原了核带走一部分能量、动量,电子吸收光子的过程可以实现,这个过程同时满足能量守恒定律和动量守恒定律。上述道理如同正负电子对的光生过程一样。在自由空间,正负电子对的光生过程不能实现,只有当光通过物质时,有其他粒子带走一部分能量、动量,正负电子对的光生过程才能实现。

       在光电效应中,入射光是可见光和紫外光,这些光子的能量不过是几个电子伏特,这和金属中电子的束缚能量有相同的数量级,不能把金属中的电子看作是自由的。电子可以吸收光子,产生光电效应。考虑光子、电子和原子核三者的能量和动量的变化,遵循非相对论能量守恒定律和动量守恒定律(电子获得速度V不大,满足非相对论条件V<<C)。由于原子核的质量比电子的质量大几千倍,所以原子核的能量变化很小,可以略去不计,动量变化较大,不能省略。因此,爱因斯坦方程只表示出光子和电子之间的能量守恒,而没有相应的光子和电子的动量守恒。

       即,当光子入射到金属表面时,光子的能量全部为金属中的电子吸收,电子把这能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚,余下的一部分变成电子离开金属表面后的动能。

       在康普顿散射中,入射光是X光,这些光子的能量为104~105电子伏特,而轻物质的原子中,原子实对电子的束缚弱,电离能仅几电子伏特,在X光子与电子作用时,电离能可以略去不计,因此对于所有轻原子,都可以假定散射过程仅是光子和电子相互作用,作为一级近仅,把电子看作自由电子,而且在受到光子作用之前是静止的。对于X光子与原子外层电子相互作用,电子不能吸收光子,只能发生光子与电子碰撞。

       当然,原子中也有被束缚得紧密的电子,特别是重原子中被束缚得紧密的电子更多些,当光子打在这些电子上时,实际上等于和整个原子相碰(把整个原子看作自由粒子),原子的质量比电子的质量大得多(最轻的氢原子的质量比电子的质量约大2000倍),因此,由于碰撞,光子传给原子本身而使其运动的能量很小,亦即△λ的变化很小。这个变化实际上观察不到。这就是散射光中有波长不变的谱线的原因。

       还有两点要提及的:

      1.用可见光入射时,也会产生康普顿效应。一群可见光光子照射到金属表面时,一部分光子被电子吸收,从金属中放射出光电子,产生光电效应。一部分光子与金属中的电子碰撞,光子把一部分能量传给电子,电子仍留在金属内,但电子的能量状态发生改变,光子与电子碰撞后散射,失去一部分能量,波长改变了。但波长的相对改变量太小,不易观察到。还有一部分光子与原子核碰撞,由于原子核质量很大,光子与原子核碰后能量改变极小,波长几乎没有变化。由此知,用可见光照射时,虽可以产生康普顿效应,但波长的相对改变量表现不出来,所以光电效应占主导地位。

       2.用X射线入射时,也会产生光电效应,即也存在光子被吸收而放出电子的过程,但这是原子(不是原子的外层电子)吸收光子,从原子里发射出电子。这有两种可能的物理过程,一种是原子吸收光子的能量,从原子某一内壳层射出电子,此时原子呈激发态,伴随发射次级X射线的光子。另一种是原子吸收X光子处于激发态,当原子的激发能传给自己的一个深层电子时,从一个深电子层(一般是K电子层)中放出一个电子,深度较浅的电子壳层L、M或N电子层中的一个电子跃入原来电子空出来的位置,此即俄歇效应。但用X射线照射轻元素物质时,原子吸收光子而产生光电子的几率很小,光电效应不显著,主要表现为康普顿效应。

       一般说来,当光子的能量与电子的束缚能同数量级时,主要表现为光电效应;当光子能量远大于电子的束缚能量,主要表现为康普顿效应。用不同波长的光入射,光子与电子作用的微观机制不同正体现了事物的多样性,符合辩证唯物主义的“量变到质变”的哲学思想。

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