光电效应和康普顿效应的区别(DOC)
《光学》教学研究
论文汇编
目录
1、康普顿效应与光电效应的微观机制为什么不同…………………彭振生1
2、德拜相的摄取及定性分析…………………………………………彭振生4
3、光的相干条件………………………………………………………彭振生9
4、“实像都是倒立的，虚像都是正立的”对吗？…………………彭振生11
5、光程差在光的干涉和光的衍射教学中的应用……崔贵金彭振生13
6、几何光学中引行符号法则探讨……………………毛强彭振生18
康普顿效应与光电效应的微观机制为什么不同
彭振生
（宿州师专·宿州·234000）
摘 要 康普顿效应和光电效应的主要差别是光子和电子相互作用的微观机制不同。在光电
效应中，电子吸收光子的全部能量，而在康普顿效应中是光了与电子发生弹性碰撞。为什么会有上述差别，本文从能量守恒和动量守恒出发做出回答。
关键词 康普顿效应 光电效应 微观机制
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。
证明：若光子能被自由电子吸收，依据相对论能量——动量守恒定律，得，
（1）
（2）
其中，m 0是电子的静止质量，m 是电子的运动质量，
。显然，上面（1）、
（2）两式不能同时成立。即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
mV C
h =ν
2
201C
V m m -=220mc C m h =+ν返回目录
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。
电子
初动能：=
电离能 末动能= 2
2K K h W P E m
P E dP
m
ν-=?=
光子动量hv P c =光子
电子增加动量=
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，按能量守恒和转化定律，有
W=e ν
0为被辐照物质的电子逸出功，ν0为逸出电位。
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
212
m h mV W ν=
+返回目录
2020c m hc c m hc +'=+λλθλλλλυcos 2)()(222
2'
-'+=h h h m ）（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。考虑光子和电子的能量、动量变化，遵循相对论能量——动量守恒定律。可得
考虑到 ，解上两式得
这和观察结果完全相符。
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。例如，紫光的波长λ=4000A 0，在散射角θ=π时，
波长的改变量是 。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
220
1C V m m -=θ
λλλ20sin 2C
m h
=-'=?5
10-=?λλ
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。
德拜相的摄取及定性分析
彭振生
伦琴射线的衍射，已广泛地用来解决下列两个方面的重要问题：
（1）如果作为衍射光栅的晶体的结构为已知，亦即晶体的晶格常数为已知时，就可用来测定伦琴射线的波长。这一方面的工作，已发展为伦琴射线的光谱分析，对原子结构的研究极为重要。
（2）用已知波的伦琴射线在晶体上的衍射，就可以测定晶体的晶格常数。这一应用发展为伦琴射线的晶体结构分析，用以鉴别物质，分析物相及各物相的含量。
本文介绍用已知波长的伦琴射线在晶体上的衍射，测定晶体的晶格常数，从而用以鉴别物质的具体方法。
一、原理
把晶体粉末压成园柱体，单色伦琴射线通过时，由于粉末的结晶微粒的排列方位是完全混乱的，总有一些粉末晶粒和射线的相对方位恰好满足
λθ=sin 2d
由这些晶粒反射的方向与原射线方向
宿州师专学报（自然科学版） 一九九六年第一期
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的延长线之间成2θ的夹角（入射线与晶体晶面的夹角为θ）；所有在相同条件下反射的光线位于一个半顶解为2θ的园锥面上。不同波长，不同晶面的反射线位于不同顶角的园锥面上（见图1）。
照相示意图见图2。所得德拜相见图3。
记录下各不同θ值，表现为底片上成对的弧形条纹。算出各晶面间距dn ，然后用A 、S 、T 、M 卡片进行定性分，可判别试样是何种物质。
二、德拜相的摄取 1、制备园柱试样
待测物质（本文以金属钨为例）研磨成粒度小于45μm 的粉末，取直径为0.2~0.3mm 的玻璃丝（非晶物质），用普通胶水（非晶物质）均匀涂在玻璃丝上，将粉末均匀地滚粘在玻璃丝上，厚度适当，制成直径0.3~1.0mm 的园柱形试样。
2、安装试样
取D=57·3mm 相机一个，截取20mm 长度一段试样，用橡皮泥将其固定在相机盖中心轴上，要尽量安正，试样垂直于相机盖平面，然后调整：将相机盖装好，从入口和出口看去，转动试样，同时通过盖上的四个罗柱调整至试样恰在试样的中心，在转动时，目视试样不动为止。此时试样在正确的位置。
3、安装底片
在暗室中将底片装入相机，采用正装法：底片接口在入口处，底片中间开园孔，安于出口处。要求装正、装平、装片恰在相机的槽内。然后盖上相机，注意不要碰坏试样，在入口安上光阑（d=1.2mm ），在出口安上荧光屏。
4、曝光
装片完毕，将相机装在X
光机的窗口上进行曝光。在曝光过程中不停地转动试样，
图3
曝光时间为60~90分钟。本试验X 光机工作管电压30KV ，管电流10mA ，靶极用Fe ，产生0
757.1,935.1A A k ka ==βλλ两种波长射线。
5、底片冲洗
曝光完毕后，在暗室中冲洗底片。用预先配制的显、定影液，温度20℃时，显影3~5分钟，定影10~15分钟，然后用清水冲洗并烘干。
三、德拜相的处理 1、处理原理
对摄好的底片，先判断弧线对，并用较精确的米尺正确测出弧线对的间距S （相机中对应的弧长）。间距对应衍射角4θ。则
（1）
c 为相机周长。已知D=57.3mm ，所以C=180mm 代入（1）式，故有 （2） 根据布喇格定d=λ/2sin θ，求出各dn ，并用A 、S 、T 、M 卡作定性处理。 2、弧线对的S 测量及高低角衍射线条辨别
将底片固在带游标的米尺上（精确为0.05mm ）的适当位置，将全部线条从低角度到高角度顺序编号读出各弧线对几何中心的间距（坐标差），精确到0.1mm ，记录在表一的第3栏中。距底片中心园孔较近的谱线对应θ较小。
3、面间距的计算
由于有αλk 和βλk 两种射线，可先分别假定全部线条均匀αk 或βk ，算出αk d 和βk d ，记在表一的6、7栏中。
4、αk 、βk 线的识别及相对强度，注意大角度的条纹表面上看强度大的不一定比小角度的条纹强度大。这是由于对小角度，吸收作用很强。在表一的6、7栏中，对所有αk d 、
βk d 值找出不行的αk d 、βk d 最接近的值，它们一定属于同一晶面族的衍射。取定后，则
在对应该αk d （或βk d ）的同一行中，划去错误的βk d （或αk d ）值，由于αλk ＞βλk ，依据 ，则αθk ＞βθk （同一晶面族）。βk 线衍射一定在αk 线之内，即靠近中心孔。同时由于αk 线强度大3~5倍，这样最终判别各αk 、βk 线。如表一第八栏。
5、物质的确定
)(1802236040度?=?=c
s
R s πθ)(2度S
=θα
λθ2sin =
从表一中选出相对强度最大的三条线（再次注意大小角度的区别），在本试验中，其编号分别为2、5、3，相对强度标为100%、80%、60%，根据它们的面间距查检索A 、S 、T 、M 卡片，得卡片号码为4——0806，找到该卡片，判定为金属W 。卡处4——0806内容见表二。
表一：0
757.1,935.1A A ==λλ
表二：5205.1=λ ?
四、讨论
比较表一、二最强的三条α线的d ，发现符合得很好。说明德拜法在多晶物质的定
性分析中是十分成功的。误差来源于测量S 时的系统误差和偶然误差。如果多测几次用平均值，则精度更高，同时由于对底片收缩没有纠正，也会影响精度产生误差。另外，表二中有8条α线，而表一中有5条，其原因是本试验所用的Fe 靶αK 线之λ=1.935A 而表二所用为Cu 靶，αK 线之λ=1.5205A 。对于表二中第6条线d=0.9137A ，若用于表一，则算出
＞1
正弦值大于1是不可能的。本实验中αk d 最小的应是1.0073?。要获得较多的衍射线，应当用较小的波长的X 射线。
本实验照片中，有一条线极弱不能测（位于底片上标号2、3之间）。最后判断应是第2条βK 线（只按βK 从低角到高角排列）。这不影响结果，因为我们只用αK 线。如果曝光时间再长些，则此线会较明显能测出。
06.19137
.02935
.12=?=
=
d
Sin λθ返回目录
光的相干条件
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彭振生
（宿州师范专科学校物理系，安徽宿州234000）摘要：本文从波的迭加性出发，用任意两列光波的迭加，严格推导出光的相干三个基本条件，自然得出两列光波传至空间某点，迭加产生干涉现象必须满足：两列光波频率相同、两光矢量振动方向几乎相同、两列空波传至空间某点位相差恒定。
关键词：相干迭加；相干基本条件；严格推导
中图分类号：O436.1 文献标识码：A 文章编号：1009—041X（2001）04—0049—01
关于光的相干条件，不同的教材中都给出：要形成稳定的干涉图样，相迭加的光波必须满足的条件是：它们的光矢量振动方向几乎相同，频率相同，位相差恒定。但为什么必须同时满足上述三个条件才能产生干涉？教材中的回答不能令人十分满意。目前的教材中，有的是作定性分析，有的是先假定两列光波迭加，只有位相差恒定才能产生干涉。这样得出的光相干条件不能令人信服。笔者将从光波的迭加性出发，用任意两列光波的迭加推导出光的相干条件。
光源S 1发出的光的圆频率为W 1、初相为10?，光源S 2发出的光的圆频率为W 2、初相为20?。这两列光波传到P 点的振动方程分别是：
)101r 1K t 1W cos(10E )t ,P (1E ?--= )r K t W cos(E )t ,P (E 20222202?--=
这两列光波在P 点迭加：
)t ,p (E )t ,p (E )t ,P (E 21+=
P 点的光强为：
)E E ()E E ()t ,p )t ,p (L 21212
+?+==
-
-+--=222222*********r k t w (cos E )r k t W (cos ?
()()()[]2010221121r k r k t w w cos ??-----+
我们实际观察到的总是在较长时间内的平均强度。在某一时间间隔之内（其值远大于光振动的周期）合振动的平均相对强度为：
对于可见光，z 14H 10~υ ， 所以观察时间T ??τ由此得：π2z w 1?? π2z w 2?? 故有：
所以：
（1）
其中：
)()r k r k (t )w w ()t ,p (2010221121??σ-----=
（2）
依据干涉定义，要产生干涉现象，（1）式中的 必须不为零且其值不随时间改变。
要使 不为零，首先必须2010E E ?≠0，这样10E 、20E 要有平行分量。而要使加强和减弱明显，必须2010?尽量大。由此得相干条件一：两光矢量振动方向几乎相同。
要使 不为零且不随时间改变，除2010?≠0外，还必须=
)t ,p (σ常数。从（2）式可以看出
当21w w =，且==2010??常数量
)1()t ,p (σσ=一定为常数。由此自然得出干涉条件二、三：两则光波频率相同传到
P
dt
t p I p I ),(21)(0
?
=τ
()()()[]{}
2010221121201010r k r k t w w cos 2
1E E 2)???+-+-+??+s 101
T 14-==
υ
21cos 210=?W tdt τ
0cos 210=?
W tdt τ
dt
t p E E E E p I ),(cos 2
12121)(2
2010220210σ?
?++=
dt
t p ),(cos 2
1
20
10στ
?
?dt t p E E ),(cos 2
10
2010στ
??dt
t p E E ),(cos 2
10
2010στ
?
?
点位相差恒定。
参考文献：
[2]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，1981.6
[3]祝之光.物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.5
“实像都是倒立的，虚像都是正立的”对吗？
宿州师专 彭振生
有些中学物理课堂练习册或中学物理复习资料给出“实像都是倒立的，虚像都是正立的”的结论[1]。由于教科书中没有给出光学系统成像虚实的判据，所以善于动脑筋的人对上述结论提出了质疑。
为了弄清“实像都是倒立的，虚像都是正立的”这一结论的正确与否，首先要弄清光学中所说“正立像”和“倒立像”的概念。由于光学中所研究像的放大与缩小是指横向的放大与缩小，所以正立像和倒立像是指：把物体垂直放置在光学系统的主光轴上，若像和物的取向相同则称正立像，若像和物的取向相反则称倒立像。如图1（a ）所成像为正立像，图1（b ）所成像为倒立像。像的正立，倒立都应该是跟物体作比较而言的。光学中的正立像和倒立像都是垂直于主光轴的。这里强调指出，光学中所说的“倒立”与日常生活中所说的“平静的水面，映出人物的影子总是倒立的”中的“倒立”不是一回事，后者物和像都平行于主光轴。
弄清光学系统中所说的正立像和倒立像概念之后，我们来回答“实像都是倒立的，虚像都是正立的”这一结论正确与否的问题。对于实物经过一个光学系统一次成像，这
图1
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个结论是正确的，但对于多个光学系统联合成像就不正确了。下面举一例说明。由两个焦距都为10厘米的凸透镜组成共轴光学系统，两镜之间距离为30厘米，把一物垂直光轴放置在
L 1左方30厘米处，成
像光路图如图2所示。由图可看出，实物AB 经过两个凸透镜组成的共轴光学系统所成正立像B A ''是实像而不是虚像。所以我们说，由实物经过一个光学系统一次成像得出的“实像都是倒立的，虚像都是正立的”的经验结论，推广到多个光学系统联合成像问题是以偏盖全，是错误的。不能依据像之正立、像立来判断像之虚实。
那么，光学系统成像虚实的判据是什么呢？我们知道，一个光束可以看作是由许多光线构成的，因此，可以把发光点看作一个发散光束的顶点，凡是具有这样单个顶点的光束叫做单心光束。如果在反射或折射之后，光线的方向虽然改变了，但光束中仍能找到一个顶点P '，也就是光束的单心性没有遭到破坏，那么这个顶点P '便是发光点P 像。在这种情况下，每个发光点给出一个和它对应的像点。如果光束中光线实际上确是在该点会聚的，那么这个会聚点叫做实像。如果反射或折射后的光束仍然是发散的，但是把这些光线反向延长后仍能找到光束的顶点，这个顶点的位置是虚像所在之处。弄清了成像虚实的问题之后，我们说判断成像的虚实是依据像距。对于一个折射光学系统一次成像，应用新迪卡尔符号法则[2]，可以表示成，像距S '＞0为实像，S '＜0为虚像（在球面反射时虚实刚好相反），对于多个光学系统联合成像，像之虚实则由最后一次的像距来判定。由于中学没有学新迪卡尔符号法则，可以把上述像之虚实的判据表达成：判断像之虚实是依据成像的位置，对于单个透镜一次成像，像与物在透镜的同侧为虚像；像与物分居在透两侧为实像（在球面反射时虚实刚好相反），对于多个光学系统联合成像，像之虚实则由最后一次的成像位置来判定。
读者也许会问，为什么不用横向放大率β来判定？如果是由一个光学系统一次成像，则可以用β来判定：β＞0为虚像（由前面给出的判据，S '＜0
为虚像，而对薄透
图2
镜β=S '/S ，因为S ＜0，S '＜0，所以β＞0＝，β＜0，为实像（球面反射时虚实相反）。但当由几个光学系统联合成像时，用总β（如果是多个光学系统联合成像，则总的横向放大率为多个系统的横向放大率的乘积）判断会发生错误。例如图2所示情况，β1，β2都小于零，而β=β1·β2＞0，由β判定应成虚像，但实际为实像。可见，用β判断是不正确的。因此，为了准确和统一起见，应该用S '来判定像之虚实。
注：
[1]《初中物理课堂练习》第二册.P8.安徽教育出版社1989年7月第一版。 [2]姚启钧《光学教程》P154，人民教育出版社1981年6月第一版。
光程差在光的干涉和光的衍射教学中的应用
崔贵金
彭振生
在光的干涉和光的衍射这部分内容的教学中，掌握和应用光程差这个概念十分
关键。所谓光程，就是光波在某介质中所经历的几何路程r 与这介质的析射率n 的乘积nr 。光程差即为：由两光源发出的两束光在空间某点相遇时，其光程之差。以δ记之：
1122r n r n -=δ。
在光的干涉和光的衍射中两章中，大部分内容都直接研究光的“干涉花样”或
“衍射花样”这两个议题，在些章节虽然不直接讨论这两个问题，但也间接的为它们服务，无论在什么情况下要想搞清“花样”的真面貌，都需要准确地计算出从光源到屏幕上每点的光程差。当然，在不同类型的问题中，表现的形式中是不同的，下面就举几个典型的例子加以说明。
如：1、杨氏双缝实验，菲涅耳双镜实验等
时1n n 12==
（j=0，±1，±2，±3……） 2、等厚干涉、等倾干涉
???
?
?=≈=-=??
+2)2(2)12(012λ
λ
θδj j r y d dSin r r 干涉相长[1] 干涉相消
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（j=0，1，2，3，……）
3、迈克尔逊干涉仪
当1n n 12== 21i i =且没有额外程差
（j=0，1，2，3……）
4、法布里——珀罗干涉仪 两相邻光束光程差都等于
22i cos h n 2=δ
[4]
由此引起
λδj i cos h n 222==
干涉相长
（j=0，± 1、±2，±3……
干涉相消
[j '=±1, ±2, ±3……±(N －1)；±（N+1）……±（2N －1）；±（2N+1）……] 注意j '≠0，±N ，±2N ，±3N ，……
由此可见，在多束光干涉中，两相邻主最大之间，有（N －1）个最小值，又因为两相邻最小之间有一个最大，所以两相邻主最大之间有（N －2）个次最大。
5、夫琅和费单缝衍射[5]
0bSin ==θδ
（主最大位置） λθδK bSin ==
K=±1，±2，±3…… （最小值位置）
K 0=1，2，3…… （次最大位置）
6、平面衍射光栅[6]
N j λ
δ'=λ
θδ)2
1K (bSin 0+==??
??
?=--=??
+2)j 2(2)1j 2(1221222i Sin n n h 2λ
λ
λδ干涉相长[2] 干涉相消
??
???==??+2
)j 2(2)1j 2(2i cos h 2λλ
δ干涉相长[3] 干涉相消
λθδj dSin == （主最大位置）
（j=0, ±1, ±2, ±3……）
（最小值位置）
[j '=±1，±2……±（N －1）；±（N+1）……±（2N －1）；±（2N+1）……] 注意：j '≠0， ±N ，±2N ，±3N ，……
当然在研究这个问题的时候，还要考虑单缝衍射的情况（讨论所谓谱线缺级的问题） 平面衍射光栅引起的衍射花样与法布里——珀罗干涉仪引起的干涉花样有类似之处，即在两主最大之间有（N －1）个最小；（N －2）个次最大。
从以上的例子，我们可以清楚的看到，这两章的主要内容都与光程差相联系。并且我们还发现，杨氏双缝实验、菲涅耳双镜实验、等厚干涉、等倾干涉等等，是研究两束光的干涉问题。若这两束光相干，它们的光程差为2/λ的偶数倍就出现干涉相长；反之，若光程差为2/λ的奇数倍就出现干涉相消。另外在多光束干涉时，例如：法布里——珀罗仪干涉所引起的干涉和平面衍射光栅所引起的衍射与干涉的总效果，它们主最大的位置，也符合我们上面所指出的简单规律，只是，最小值位置比较复杂，但也离不开光程差这个概念和计算。为此，我们觉得，无论是教，还是学，都应紧紧地，自始至终地抓住这个关键的概念及应用，特别是老师应反复向同学强调光程差在光的干涉和衍射教学中的作用，以便让同学们很好地理解和抓住这一关键，并能使同学们举一返三地应用到实际中去独立地解决一些问题。
在光的干涉和光的衍射这部分内容的教学中，抓住了这一关键的应用，使我们还能解决一些疑难问题，区分易混淆的现象等。
1、可以帮助解决教学中的难点
在洛埃镜实验，维纳实验中，我们发现在屏幕上（或乳胶感光片）出现的条纹，与我们只考虑光通过的几何路程和折射率这两因素，根据光程差1122r n r n -=δ和干涉相长、相消的规律进行计算的结果恰恰相反。这时，我们就能以提问题的方式提出：两束相干光相干时，光程差为2/λ的偶数倍出现明纹，光程差为2/λ的奇数倍出现暗纹，这一规律是否有问题？我们的回答是：“这一规律是没有问题的。”原因是入射光在光疏介质（1n 小）中进行，遇到光密介质（2n 大）的介面时，在掠射（洛埃镜的情况）或正射（维纳
N j dSin λ
θδ'==
实验的情况）两种情况下，反射光有半波损失，就相应于该束光多走了2/λ的光程，所以出现了以上恰恰相反的情况。接着我们又可用菲涅耳公式说明以上两种情况，产生半波损失的原因，以及不是掠射或正射，而以任意角入射造成额外程差（2/λ）的情况及原因。
2、使学生区别易混淆的问题
从以上两种情况的数学式，表示出它们最大和最小位置（除K=O 外）。从表面上看，结果恰恰相反，是否可以认为它们之间有矛盾，或者说，杨氏双缝干涉实验符合我们上面提出的 为明纹而 为暗纹这一规律，而夫琅和费单缝衍射不符合以上的规律呢！
这里我们首先指出它们之间是没有矛盾的，完全统一的，均符合上面所提出的规律。
2
)j 2(λ
δ?=2)1j 2(λ
δ+=
杨氏双缝干涉实验
夫琅和费单缝衍射
杨氏双缝干涉实验，S 1，S 2两个小孔必须很小，可以近似地看作两个点光源（研究这个实验时，衍射现象不考虑）而夫琅和费实验的单缝宽比杨氏双缝干涉实验的孔大得多，我们把此单缝认为一波阵面，将波阵面分割成许多等面积的波带，可以作一些平行于AC 的平面，使相邻平面间距离等入射光的半波长，即2/λ，对于P 点而言，若将缝刚
好分成偶数个半波带，所有各点发出的光在P 点相遇时刚好完全撤消，所以 ，K=±1，±2，±2……出现暗点，反之，分成奇数个半波带，有一半波带的作用没被
抵消，即将 K 0=1，2，3……，所以出现明纹。 杨氏双缝干涉实验，把S1，S2看作两点光源到屏幕上光程差
j=0，±1，±2…… 出现明纹 j=0，±1，±2…… 出现暗纹
3、用于解决一些物理难题
如：利用右图装置测凹面的曲率半径，显然，若应用牛顿环公式计算，将出现错误结果，若抓住光程差解决这一问题就比较方便。
设空气层厚度为)(21h h e e -=处，对应第K 个暗环
221121)(k r h R R +-= 11h R ??
同理
2
1122212212)()11(2R R R R r R R r h h e k k -=
-=-=∴ (1)
光程差 （产生暗纹条件）
得λk e =2 (2)
（1）代入（2）得
λK r k =∴2 )/(1221R R R R - （3）
凸透镜的凸面是标准值的光样板，R 1已知，入射光波长λ一定，第K 个暗环半径可以量出，应用（3）就可以算出凹面镜曲率半径R 2。
总之，从以上的分析中，我们可以清楚地看到，光程差在光的干涉和光的衍射两章
2
)1k 2(k bSin 00λ
θ+
=????
?
==+=λθλ
θδj bSin 2
)1j 2(bSin :
22
1R r h k =
∴2
2
2
2R r h k =2
)12(2
2λ
λδ+=+=K e λK R R R R r k =-2
1122)
(
教学中，不仅能有机的把各节内容结合起来，而且还能用来解决教学中的难点、物理难题和易淆的问题等。
主要参考文献
[1]，[2]，[3]，[4]，[6]姚启钧：《光学教程》，人民教育出版社（1981）P 23，P 42，P 54，P 116。
[5]程守洙、江之永：《普通物理学》Ⅲ，人民教育出版社[1964]第三册P189。
几何光学中引入符号法则探讨
毛 强 彭振生
（宿州师范专科学校 物理系，安徽 宿州 234000）
摘要：本文以单球面折射为例，经推导，若不引入符号法则，将有八个不同的物象公式；若引入
符号法则，可以统一为一个物象公式。从而给学生以深刻印象——研究几何光学引入会号法则是完全必要的，计算中必须严格遵守符号法则。 关键词：几何光学；符号法则；必要性
中图分类号：O435 文献标识码：A 文章编号：1009—041X （2003）04—0058—02
大学的几何光学中引入了符号法则，对线段和角度的正负号作出了约定，因此在进行光路计算时要严格遵守正负号的约定。学生在几何光学的计算中往往在正负号上发生错误，于是有的学生说高中几何光学中没有引入正负号法则，不是照样可以计算吗？引入符号法则是自找麻烦。有这种认识的人是对几何光学中引入符号法则的意义没有弄明白，大学研究的几何光学比高中的几何光学复杂得多，引入符号法则可以对研究复杂的光学问题带来方便。下面具体谈谈引入符号法则的意义。
1 可以把各种情的公式统一起来
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u AC
i C P u AC i PC '
=
''=sin sin sin sin 和以单球面折射为例。对于单球面折射，一般说来物和象都有实、虚两种可能性。此外球心O 在哪一侧也有两种可能性，若不引入符号法则，对于各种不同情形，将有八个不同的物象公式。为使读者看得清楚，下面作些推导。
1.1 实物实像，球心在右的情形（图1）
在△PAC 和△AC P '中应用正弦定理，可得：
但AC=OC=r
故得r s PC +=和r s C P +'=' 以折射定律i n i n ''=sin sin 代入，得：
对于近轴光线， ，代入上式，得： 1.2 实物虚象，球心在右的情形（图2）
u r
i r s u r i r s '
=''-'=+∴
sin sin sin sin 和)(sin sin r s u u
n n r s +'
'
+='s
AO
u u s AO u u '='≈'=≈sin ,sin r
n n s n s n -'=+'
'图1 实物实象，球心在右的情形
fig.1 The Situation that a Material Object form a Real Image
and the Spherical Center is on the Right
图2 实物虚象，球心在右的情形
fig.2 the situation that a material object form a virtual
image and the spherical center is on the right
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光电效应与康普顿效应比较
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 Effect Zhou 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
光电效应及其应用
目录 摘要 (1) Abstract (1) 1 光电效应的概念 (1) 1.1光电导效应 (2) 1.2光生伏特效应 (2) 2 光电效应的实验规律 (2) 3 光电效应和经典理论的矛盾处 (3) 4 光电效应的科学解释 (3) 5 光电效应的物理意义 (3) 6光电效应在近代技术中的应用 (4) 6.1常用的光电器件 (4) 6.2常用光电器件的检测 (5) 结语 (6) 参考文献 (6)
光电效应及其应用 摘要:本文介绍了光电效应的发现及发展，简要叙述了爱因斯坦的光量子假说对光电效应的解释及通过实验来验证了爱因斯坦的光量子假说对光电效应解释的正确性。并介绍了光电效应在现代科学技术中的应用。 关键词:光电效应；光量子；频率；相对论 The photoelectric effect and its application Absract：This passage introduce the discovery and development of photo-electr- ic effect, it brief introduce Einstein's light quanta hypothesis's contribute to explainin- g photo-electric effect and theory physics，it also introduce the application of photo-electric effect in modern scientific technology. Key words：Photoelectric effect；Light quantum；Frequency；Theory of Relativity 引言 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。 光照射到某些物质上，有电子从物质表面发射出来的现象称之为光电效应（Photoelectric effect）。这一现象最早是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。之后霍尔瓦克斯、J·J·汤姆孙、勒纳德分别对这种现象进行了系统研究，命名为光电效应，并得出一些实验规律。1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论，使其逐渐地被人们所接受。 1 光电效应的概念 光电效应分为：外光电效应和内光电效应。光电效应中多数金属中的光电子 )逸出，不能从金属内深层逸出的结论。只能从靠近金属表面内的浅层(小于m
光电效应与光的波粒二象性.pdf
光电效应与光的波粒二象性 说明：本试卷分为第Ⅰ、Ⅱ卷两部分，请将第Ⅰ卷选择题的答案填入题后括号内，第Ⅱ 卷可在各题后直接作答.共100分，考试时间90分钟. 第Ⅰ卷（选择题共40分） 一、本题共10小题，每小题4分，共40分.在每小题给出的四个选项中，有的小题只有 一个选项正确，有的小题有多个选项正确.全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不 答的得0分. 1.下列关于光电效应的说法正确的是 （ ） A.若某材料的逸出功是W ，则它的极限频率h W v =0 B.光电子的初速度和照射光的频率成正比 C.光电子的最大初动能和照射光的频率成正比 D.光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大 解析：由光电效应方程k E =hv -W 知，B 、C 错误，D 正确.若k E =0，得极限频率0v =h W ,故A 正确. 答案AD 2.在下列各组所说的两个现象中，都表现出光具有粒子性的是 （ ） A.光的折射现象、偏振现象 B.光的反射现象、干涉现象 C.光的衍射现象、色散现象 D.光电效应现象、康普顿效应 解析：本题考查光的性质. 干涉、衍射、偏振都是光的波动性的表现，只有光电效应现象和康普顿效应都是光的粒 子性的表现，D 正确. 答案D 3.关于光的波粒二象性的理解正确的是 （ ） A.大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性 B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子 C.高频光是粒子，低频光是波 D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 解析：根据光的波粒二象性知，A 、D 正确，B 、C 错误. 答案AD 4.当具有 5.0 eV 能量的光子照射到某金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大的初 动能是1.5 eV.为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为 （ ） A.1.5 eV B.3.5 eV C.5.0 eV D.6.5 eV 解析：本题考查光电效应方程及逸出功. 由W hv E k ?= 得W =hv -k E =5.0 eV-1.5 eV=3.5 eV 则入射光的最低能量为h min v =W =3.5 eV
大学物理练习题 光电效应 康普顿效应
练习二十一光电效应康普顿效应 一、选择题 1. 已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是1.2eV，而钠的红限波长是540nm，那么入射光的波长是 (A) 535nm。 (B) 500nm。 (C) 435nm。 (D) 355nm。 2. 光子能量为0.5MeV的X射线，入射到某种物质上而发生康普顿散射。若反冲电子的动能为0.1MeV，则散射光波长的改变量?λ与入射光波长λ0之比值为 (A) 0.20。 (B) 0.25。 (C) 0.30。 (D) 0.35。 3. 用频率为ν的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为E k，若改用频率为2ν的单色光照射此种金属，则逸出光电子的最大动能为 (A)hν+E k。 (B) 2hν?E k。 (C)hν?E k。 (D)2E k。 4. 下面这此材料的逸出功为：铍，3.9eV；钯， 5.0eV；铯，1.9eV；钨，4.5eV。要制造能在可见光(频率范围为3.9×1014Hz－7.5×1014Hz)下工作的光电管，在这此材料中应选： (A)钨。 (B)钯。 (C)铯。 (D)铍。 5. 光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程。对此过程，在以下几种理解中，正确的是： (A) 光电效应是电子吸收光子的过程，而康普顿效应则是光子和电子的弹性碰撞过程。 (B) 两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程。 (C) 两种效应都属于电子吸收光子的过程。 (D) 两种效应都是电子与光子的碰撞，都服从动量守恒定律和能量守恒定律。 6. 一般认为光子有以下性质 (1) 不论在真空中或介质中的光速都是c； (2) 它的静止质量为零； (3) 它的动量为hν/c2； (4) 它的动能就是它的总能量； (5) 它有动量和能量，但没有质量。 以上结论正确的是 (A)(2)(4)。 (B)(3)(4)(5)。 (C)(2)(4)(5)。 (D)(1)(2)(3)。 7. 某种金属在光的照射下产生光电效应，要想使饱和光电流增大以及增大光电子的初动能，应分别增大照射光的
光电效应实验思考题
1.什么是光电效应？ 光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。 只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值叫饱和电流。所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大。 2.普朗克常量h的重要性 普朗克常数是一个物理常数，用以描述量子大小。在原子物理学与量子力学中占有重要的角色，马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。 这样的一份能量叫能量子，每一份能量子等普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。 就普朗克常数h的意义，物理学家金斯曾说过这样一段话：“虽然h的数值很小，但是我们应当承认它是关系到保证宇宙的存在的．如果说h严格地等于零，那么宇宙间的物质能量将在十亿万之一秒的时间内全部变为辐射．”普朗克常数引入后，以普朗克常数为根本特征的量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法，物理学理论
第十三章第三节 光电效应 波粒二象性
第三节光电效应波粒二象性 [学生用书P243]) 一、黑体和黑体辐射 任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领．辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布．这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射．为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体，以此作为热辐射研究的标准物体． 二、光电效应 1．定义：在光的照射下从物体发射出电子的现象(发射出的电子称为光电子)． 2．产生条件：入射光的频率大于极限频率． 3．光电效应规律 (1)存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多． (2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关．当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应． (3)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过10－9 s. 1.判断正误 (1)我们周围的一切物体都在辐射电磁波．() (2)光子和光电子都是实物粒子．() (3)能否发生光电效应取决于光的强度．() (4)光电效应说明了光具有粒子性，证明光的波动说是错误的．() (5)光电子的最大初动能与入射光的频率有关．() (6)逸出功的大小与入射光无关．() 答案：(1)√(2)×(3)×(4)×(5)√(6)√ 三、光电效应方程 1．基本物理量 (1)光子的能量ε＝hν，其中h＝6.626×10－34 J·s(称为普朗克常量)． (2)逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值． (3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸
康普顿效应及其解释
第二节光子 第三节康普顿效应及其解释 1．能量子 (1)定义：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的________．即：能量的辐射或者吸收只能是____________．这个不可再分的最小能量值叫做________． (2)能量子大小为hν，其中ν是谐振子的振动频率，h称为________常量．h ＝________________J·s. (3)能量的量子化 在微观世界中微观粒子的能量是________的，或者说微观粒子的能量是______的．这种现象叫能量的量子化． 2．光的能量是不连续的，而是____________的，每一份叫做一个光子，一个光子的能量为________．这就是爱因斯坦的光子说． 3．要使物体内部的电子脱离离子的束缚而逸出表面，必须要对内部电子做一定的功，这个功称为________．在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的________，剩下的表现为逸出的光电子的____________，公式表示为____________________．4．康普顿效应 (1)用X射线照射物体时，散射出来的X射线的波长会________，这种现象称为康普顿效应． (2)光电效应表明光子具有________，康普顿效应表明光子还具有________，两种效应深入地揭示了光的________性的一面． (3)光子的动量p＝__________.在康普顿效应中，由于入射光子与物体中电子的碰撞，光子的动量______，因此波长______． 【概念规律练】 知识点一能量子
1．已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c ，普朗克常量为h ，则电磁波辐射的能量子ε的值为( ) A ．h c λ B.h λ C.c hλ D ．以上均不正确 2．神光“Ⅱ”装置是我国规模最大，国际上为数不多的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2 400 J 、波长λ为0.35 μm 的紫外激光，已知普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s ，则该紫外激光所含光子数为( ) A ．2.1×1021个 B ．4.2×1021个 C ．2.1×1015个 D ．4.2×1015个 知识点二 爱因斯坦光电效应方程 3．下表给出了一些金属材料的逸出功. 现用波长为400 nm 的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量h ＝6.6×10－34 J·s ，光速c ＝3.0×108 m/s)( ) A ．2种 B ．3种 C ．4种 D ．5种 4．某种单色光的频率为ν，用它照射某种金属时，在逸出的光电子中动能最大值为Ek ，则这种金属的逸出功和极限频率分别是( ) A ．hν－E k ，ν－k E h B ．E k －hν，ν＋k E h C ．hν＋E k ，ν－ k E h ．E k ＋hν，ν＋ k E h 知识点三 光子说对光电效应的解释 5．(双选)对光电效应的理解正确的是( ) A ．金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出 B ．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应 C ．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动
(整理)5光电效应实验.
光电效应实验 一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。 实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P 的单色光照射到光电管阴极K 时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A 迁移，在回路中形成光电流。 图1 实验原理图 图2 光电管同一频率不同光强的 伏安特性曲线 用实验得到的光电效应的基本规律如下： 1、 光强P 一定时，改变光电管两端的电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得 出光电管的伏安特性曲线。随AK U 的增大，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和 光电流m I 的大小与入射光的强度P 成正比。 2、 当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对 应的反向电压值，被称为截止电压U 0（图2）。这表明此时具有最大动能的光 电子刚好被反向电场所阻挡，于是有 0202 1eU mV =（式中m 、V 0、e 分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 3、 改变入射光频率ν时，截止电压U 0随之改变，0U 与ν成线性关系（图4）。实 验表明，当入射光频率低于0ν(0ν随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光 的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
图3光电管不同频率的伏安特性曲线 图4截止电压U 0与频率ν的关系 4、光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0ν，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过910-秒。 经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为ν的光子具有能量ν=h E ，h 为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量νh ，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： A mV hv +=2021 （2） 式中，A 为金属的逸出功，202 1mV 为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大。光子的能量A h 0<ν时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是h A 0=ν。 将（2）式代入（1）式中可得： A h eU 0-ν= （3） )(00v v e h U -= 此式表明截止电压0U 是频率ν的线性函数。只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h 和截止频率0ν。基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921
2020届高三高考物理复习知识点复习卷：光电效应波粒二象性
光电效应 波粒二象性 1．(多选)(2019·西安检测)关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的是( ) A ．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性 B ．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道 C ．波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的 D ．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 2．在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能发生光电效应。对于这两个过程，下列四个物理过程中，一定相同的是( ) A ．遏止电压 B ．饱和光电流 C ．光电子的最大初动能 D ．逸出功 3．(多选)物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减小入射光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些如图甲所示不规则的点子；如果曝光时间够长，底片上就会出现如图丙所示规则的干涉条纹。对于这个实验结果的认识正确的是( ) 甲 乙 丙 A ．单个光子的运动没有确定的轨道 B ．曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点子 C ．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方 D ．大量光子的行为表现为波动性 4．(多选)下列说法正确的是( ) A ．光子不仅具有能量，也具有动量 B ．光有时表现为波动性，有时表现为粒子性 C ．运动的实物粒子也有波动性，波长与粒子动量的关系为λ＝p h D ．光波和物质波，本质上都是概率波 5．(多选)已知某金属发生光电效应的截止频率为νc ，则( ) A ．当用频率为2νc 的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 B ．当用频率为2νc 的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc C ．当照射光的频率ν大于νc 时，若ν增大，则逸出功增大 D ．当照射光的频率ν大于νc 时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
光电效应与康普顿效应的区别
一、选题的依据、意义和理论或实际应用方面的价值 光电效应和康普顿效应是光学课程最主要的内容之一，在大学本科层次的光学教学中的光学教学中，我们对光的反射、折射现象和成像规律已比较熟悉。但对光的波动性、干涉和衍射现象，还是比较生疏的，理论解释也比较困难，光与物质相互作用的光电效应和康普顿效应更抽象，因此，不易讲解，我们在理解过程中存在一些概念的错误和混淆。光的本质是电磁波，它具有波动的性质。近代物理又证明，光除了具有波动性之外还具有另一方面的性质，即粒子性。光具有粒子性，最好的例证就是著名的“光电效应”和“康普顿效应”。光电效应与康普顿效应研究的都是光子与电子之间的相互作用，都是光具有粒子性的体现，但两者存在重要的不同。光电效应是指电子在光的作用下从金属表面发射出来的现象. 我们把逸出来的电子称为光电子. 而康普顿效应是指在X 射线的散射现象中, 发现散射谱线中除了波长和原射线相同的成分以外, 还有一些波长较长的成分, 两者差值的大小随散射角的大小而改变, 其间有确定关系的这种波长改变的散射. 上述两种效应都牵涉到光子和个别电子的相互作用,用简单的波动理论是是很难解释这些微观世界的相互作用, 这必须用量子概念来解释. 还可以从光的粒子性出发, 谈谈对光电效应和康普顿效应的不同。所以科学家将光信号（或电能）转变成电信号（或电能）的器件叫光电器件。现已有光敏管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏组件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器、光电池等光电器件。这些器件已被广泛应用于生产、生活、军事等领域。 二、本课题在国内外的研究现状 光电效应是当光照在金属中时，金属里的表面有电子逸出的现象。而康普顿效应是让光波射入石墨，石墨中的价电子对光进行散射，然而散射光比入射光波长略大，这是由于光子和电子碰撞时将一部分能量转移给电子。这样，光的能量减小，波长便增加。而且如果将光子当做实物粒子的话，计算结果与实验结果符合。这便证明了光子也具有动量。即证明了光的粒子性。两个实验都证明了光的粒子性，下面谈谈光电效应与康普顿效应的区别。 1、观察到的条件不同； 2、对光量子能量的吸收程度不同； 3、能量与动量守恒方式不同； 光不仅具有波动性, 也具有粒子性. 同时我们也可以发现, 质量守恒定律，动量守恒定律、能的转化和守恒定律同样适用于微观物质间的相互作用。 三、课题研究的内容及拟采取的方法 1，光电效应 （1）概念 （2）光电效应的实验规律 2，康普顿效应 （1）概念 （2）康普顿效应实验规律 3，光的波动性不能解释光电效应和康普顿效应 4，用光子理论可以完美的解释光电效应和康普顿效应的本质 （1）观察到的条件不同； （2）对光量子能量的吸收程度不同； （3）能量与动量守恒方式不同； 5，光电效应和康普顿效应的联系与区别 6，光电效应和康普顿效应中的能量守恒与动量守恒 7，发生光电效应与康普顿效应的概率 方法：实验，查书，找资料
光电子器件笔记
光电子器件 第一章 1、 光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率. 光谱响应率（R λ）：光电器件在单色 (在波长λ附近一个很小的波长范围里) 辐射功率作用下产生的信号电压或信号电流。 ——其中Rm 为光谱响应率的最大值 R λ（单位：A/W ） 光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。 2. 器件的光谱响应与光源辐射功率谱密度紧密相关，它们之间的匹配系统 α—称为器件与光源的光谱匹配系数，它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。 在光源固定的情况下,面积A1是不变的,如果与曲线重合得愈多,面积A2愈大, α愈大，也就是光谱匹配愈好;反之, 如果两曲线没有重合之处,α=0,即二者完全失配,则该光电器件对光源辐射没有探测能力。光谱匹配是选择光电子器件,如像管、光电倍增管、红外成像器件的材料的重要依据。 3.光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下无规则的、随机的起伏，称为噪声。噪声是物理过程所固有的，人为不可能消除。它的计算是在足够长时间内求其平方平均或均方根。 dP du R s u λλ=dP di R s i λλ=m R R R λλ=)( λR m R 1.24λ λη )(λ R λ 1 2A A =α
光电探测器的噪声来源主要有热噪声、散粒噪声、温度噪声、放大器噪声、频率噪声、复合噪声等。 当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率叫做最小可探测辐射功率，也叫做噪声等效功率NEP 。 Pmin 越小，器件的探测能力越强。 对Pmin 取倒数可作为衡量探测器探测能力的参数，称为探测率。研究指出:探测率与器件的面积和工作带宽成反比。 4.光吸收厚度：设入射光的强度为 I0，入射到样品厚度为x 处的光强度为 I ，则： α为线吸收系数，单位为（1/cm ） α大时，光吸收主要发生在材料的表层；α小时，光入射得深。当厚度d=1/α时，称为吸收厚度，有64%的光被吸收。 5.本征吸收：价带中的电子吸收了能量足够大的光子后，受到激发，越过禁带，跃入导带，并在价带中留下一个空穴，形成了电子空穴对，这种跃迁过程所形成的光吸收称为本征吸收。 本征吸收条件：光子的能量必须大于或等于禁带的宽度Eg 。 6. 内光电效应: 材料在吸收光子能量后，出现光生电子－空穴，由此引起电导率变化或电压、电流的现象，称之为内光电效应。 光电导效应：当半导体材料受光照时，吸收光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率使电导率增加，这个现象称为光电导效应。在外电场作用下就能得到电流的变化。 光电导效应分为本征型和非本征型。 7.设本征半导体在没有光照时，电导率为 (称为暗电导率) 当有光注入时，半导体电导率： 电导率的增量称为光电导率： 8. 增加载流子寿命： 好处：增益提高，灵敏度提高，响应率提高。 缺点：惰性增加，频率响应特性变差。 所以增益和惰性不可兼得。 9. 影响光谱响应的两个主要因素：光电导材料对各波长辐射的吸收系数和截流子表面复合率。 光电导光谱响应特点：都有一峰值，峰值一般靠近长波限（长波限约为峰值一半处所对应的波长）。 u n n s R u u u P P ==min x e I I α-=00σP n e p e n μ μσ000+=P n p p e n n e μμσ)()(00?++?+=0() n P e n p σσσμμ?=-=?+?
高中物理 光电效应习题及解析
光电效应 一、选择题 1.用如图所示装置做光电效应实验，下述正确的是（） A. 光电效应现象是由爱因斯坦首先发现的 B. 实验现象揭示了光具有波动性 C.实验中，光电子从锌板逸出，验电器带正电 D. 实验中，若用可见光照射锌板，也能发生光电效应【答案】C 【解析】【详解】A、光电效应是由赫兹首先发现的，故A错误．B、光电效应现象揭示 了光具有粒子性，故B错误．C、光电效应现象中，光电子从锌板逸出，验电器带正电，故C正确．D、光电效应中应该用紫外线照射锌板，当用可见光时，频率降低，小于极限频率，则不满足光电效应反生条件．故D错误．故选C．
2.如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能E k 与入射光频率v 的关系图象，由图象可知，下列不正确的是 A. 图线的斜率表示普朗克常量h B. 该金属的逸出功等于E C. 该金属的逸出功等于hv 0 D. 入射光的频率为2v 0时，产生的光电子的最大初动能为2E 【答案】D 【解析】 A 、根据光电效应方程0 k h E W -=υ ，知图线的斜率表示普朗克常量h ，故A 正确；B 、根据光电效应方程，当0=υ时，k 0E W =-，由图象知纵轴截距E -， 所以0W E =，即该金属的逸出功E ，故B 正确；C 、图线与υ轴交点的横坐标是0 υ，0k h E W -=υ该金属的逸出功0h υ，故C 正确；D 、当入射光的频率为02υ时，根据光电效应方程可知，E h h ==-?=0 00k 2h E υυυ，故D 错误；本题选错误的故选D ．
3.如图所示，是研究光电效应的电路图，对于某金属用绿光照射时，电流表指针发生偏转．则以下说法正确的是（） A. 将滑动变阻器滑动片向右移动，电流表的示数一定增大 B. 如果改用紫光照射该金属时，电流表无示数 C. 将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，电流表的示数一定增大 D. 将电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，将滑动变阻器滑动片向右移动一些，电流表的读数可能不为零 【答案】D 【详解】A．滑动变阻器滑片向右移动，电压虽然增大，但若已达到饱和电流，则电流表的示数可能不变，故A错误； B．如果改用紫光照射该金属时，因频率的增加，导致光电子最大初动能增加，则电流表一定有示数，故B错误； C．将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，则光电子的最大初动能增加，但单位时间里通过金属表面的光子数没有变化，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子数也不变，饱和电流不会变化，则电流表的示数不一定增大，故C错误；
光电效应与康普顿效应
光电效应与康普顿效应 专业：机械设计制造及其自动化学号：5901108267 姓名：李庆 摘要 本文对光电效应和康普顿效应进行了简单介绍，分别对光电效应和日康普顿效应的基本原理和其实验类推法进行了简单的概述，介绍了爱因斯坦光电方程和用X 射线投射石墨实验。同时本文对光电效应和康普顿效应的相同之处和不同之处进行了分析。两者的物理本质相同，但是两者观测的条件和对光量子能量的吸收程度不同，两者在过程中产生的粒子也不同。 关键词：光电效应；康普顿效应；爱因斯坦光电方程；光电子；散射 Photoelectric effect and Compton effect Abstract This article has carried on the simple introduction to the photoelectric effect and the Compton effect respectively, of the photoelectric effect and Compton effect on the basic principles and its experimental analogy method a simple overview describes the Einstein photoelectric equation and use X-ray projection of graphite experiments. And on the photoelectric effect and Compton effect of the similarities and differences were analyzed. The physical nature of both the same, but the two observation conditions and the optical absorption of quantum energy in varying degrees, both in the process produced particles are also different. Keyword:photoelectric effect; Compton effect; Einstein's photoelectric equation; optoelectronics; scattering
2019年高考人教版高三物理光电效应、光的波粒二象性练习题 (含答案)
2019年高考人教版高三物理光电效应、光的波粒二象性练习题 一、选择题 1．当用一束紫外线照射装在原不带电的验电器金属球上的锌板时，发生了光电效应，这时发生的现象是[ ] A．验电器内的金属箔带正电 B．有电子从锌板上飞出来 C．有正离子从锌板上飞出来 D．锌板吸收空气中的正离子 2．一束绿光照射某金属发生了光电效应，对此，以下说法中正确的是[ ] A．若增加绿光的照射强度，则单位时间内逸出的光电子数目不变 B．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子最大初动能增加 C．若改用紫光照射，则逸出光电子的最大初动能增加 D．若改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目一定增加 3．在光电效应实验中，如果需要增大光电子到达阳极时的速度，可采用哪种方法？[ ] A．增加光照时间 B．增大入射光的波长 C．增大入射光的强度 D．增大入射光频率 4．介质中某光子的能量是E，波长是λ，则此介质的折射率是[ ] A．λE/h B．λE/ch C．ch/λ E D．h/λ E
5．光在真空中的波长为λ，速度为c，普朗克常量h，现让光以入射角i由真空射入水中，折射角为r，则[ ] A．r＞i D．每个光子在水中能量为hc/λ 6．光电效应的四条规律中，波动说仅能解释的一条规律是[ ] A．入射光的频率必须大于或等于被照金属的极限频率才能产生光电效应 B．发生光电效应时，光电流的强度与人射光的强度成正比 C．光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大 D．光电效应发生的时间极短，一般不超过10-9s 7．三种不同的入射光A、B、C分别射在三种不同的金属a、b、c表面，均恰能使金属中逸出光电子，若三种入射光的波长λA＞λB＞λC，则[ ] A．用入射光A照射金属b和c，金属b和c均可发出光电效应现象 B．用入射光A和B照射金属c，金属c可发生光电效应现象 C．用入射光C照射金属a与b，金属a、b均可发生光电效应现象 D．用入射光B和C照射金属a，均可使金属a发生光电效应现象 8．下列关于光子的说法中，正确的是[ ] A．在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子 B．光子的能量由光强决定，光强大，每份光子的能量一定大 C．光子的能量由光频率决定，其能量与它的频率成正比
最新5光电效应实验汇总
5光电效应实验
光电效应实验 一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。 实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P的单色光照射到光电管阴极K时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A迁移，在回路中形成光电流。 ?Skip Record If...? ?Skip Record If...? 图1 实验原理图图2光电管同一频率不同光强的伏安 特性曲线用实验得到的光电效应的基本规律如下： 4光强P一定时，改变光电管两端的电压?Skip Record If...?，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。随?Skip Record If...?的增 大，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流?Skip Record If...?的大小与入射光的强度P成正比。 5当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对应的反向电压值，被称为截止电压U0（图2）。这表明此时具 有最大动能的光电子刚好被反向电场所阻挡，于是有
?Skip Record If...?（式中m、V0、e分别为电子的质量、速度和电荷 量）。（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 6改变入射光频率?Skip Record If...?时，截止电压U0随之改变，?Skip Record If...?与?Skip Record If...?成线性关系（图4）。实验表明，当入射光频率低于?Skip Record If...?(?Skip Record If...?随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 ?Skip Record If...? ?Skip Record If...? 图3光电管不同频率的伏安特性曲线图4截止电压U0与频率 的关系 4、光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于?Skip Record If...?，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过?Skip Record If...?秒。 经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为?Skip Record If...?的光子具有能量?Skip Record If...?，?Skip Record If...?为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量?Skip Record If...?，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A
3.20光电效应 波粒二象性(作业)
光电效应波粒二象性 (建议用时：40分钟) [基础对点练] 1.(2016·山西太原质检)关于光电效应,下列说法正确的是() A.截止频率越大的金属材料逸出功越大 B.只要光照射的时间足够长,任何金属都能发生光电效应 C.从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功 越小 D.入射光的光强一定时,频率越高,单位时间内逸出的光电子数就 越多 2．(2019·南宁模拟)下列说法错误的是() A．黑体辐射电磁波的强度按波长分布，与黑体的温度无关 B．德布罗意提出了实物粒子也具有波动性的猜想，而电子衍射实验证实了他的猜想 C．用频率一定的光照射某金属发生光电效应时，入射光越强，单位时间发出的光电子数越多 D．光电效应和康普顿效应都揭示了光具有粒子性 3．(2019·大庆检测)关于光电效应及波粒二象性，下列说法正确的是() A．光电效应揭示了光的粒子性 B．光的波长越大，能量越大 C．紫外线照射锌板，发生光电效应，锌板带负电 D．光电效应中，光电子的最大初动能与金属的逸出功无关 4. (2016·甘肃兰州质检)(多选)如图所示的光电管的实验中,发现用一定频率的M单色光照射光电管时,电流表指针会发生偏转,而用另一频率的N单色光照射时不发生光电效应,那么() A.N光的频率一定大于M光的频率 B.M光的频率一定大于N光的频率 C.用M光照射光电管时流过电流表G的电流方向是a流向b D.用M光照射光电管时流过电流表G的电流方向是b流向a
5.(多选)(2019·日照模拟)某种金属发生光电效应时，光电子的最大初动能E k与入射光频率ν的关系如图所示，E、ν0为已知量。由图线信息可知() A．逸出功W0＝E B．图象的斜率表示普朗克常量的倒数 C．图中E与ν0的值与入射光的强度、频率均无关 D．若入射光频率为3ν0，则光电子的最大初动能为3E 6．(多选)(2019·郑州模拟)如图甲所示，在光电效应实验中，某同学用相同频率的单色光，分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管，结果都能发生光电效应。图乙为其中一个光电管的遏止电压U c随入射光频率ν变化的函数关系图象。对于这两个光电管，下列判断正确的是() 甲乙 A．因为材料不同逸出功不同，所以遏止电压U c不同 B．光电子的最大初动能不同 C．因为光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，饱和光电流也可能相同 D．两个光电管的U c-ν图象的斜率可能不同 7.(2016·山东青岛模拟)关于光的本性,下列说法正确的是() A.光既具有波动性,又具有粒子性,这是互相矛盾和对立的 B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点 C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性 D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性 8.(2016·河北秦皇岛模拟)(多选)物理学家做了一个有趣的实验:在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片,若减弱光的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝.实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些不规则的点;如果曝光时间足够长,底片上就会出现规则的干涉条纹.对这个实验结果下列认识正确的是
光电效应(含解析)
光电效应 1. 知识详解： 知识点1 光电效应和波粒二象性 1．光电效应的实验规律 (1)存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间发射的光电子数越多，饱和光电流越大． (2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关．当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应．使光电流减小到零的反向电压叫遏止电压． (3)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过10－9 s. 2．光子说 爱因斯坦提出：空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量ε＝h ν，其中h ＝6.63×10－34 J ·s. 3．光电效应方程 (1)表达式：h ν＝E k ＋W 0或E k ＝h ν－W 0. (2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是h ν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能E k ＝1 2 mv 2. 4．光的波粒二象性 (1)波动性：光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性． (2)粒子性：光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性． (3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性． 5．物质波 (1)概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波． (2)物质波 任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝h p ，p 为运动物体的动量，h 为普朗克常量． 易错判断 (1)光子说中的光子，指的是光电子．(×) (2)只要光足够强，照射时间足够长，就一定能发生光电效应．(×) (3)极限频率越大的金属材料逸出功越大．(√) 知识点2 α粒子散射实验与核式结构模型 1．实验现象