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一、光的散射 由于光在介质中与物质微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的现象，叫做光的散射. 二、康普顿效应 光可以与介质中的物质微粒发生散射，改变传播方向。1918～1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于入的成分，这个现象称为康普顿效应（Compton＇s effect）。康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了该效应的普遍性。 按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。 康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长入和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为： ①E=mc² ②E=hν ③p=mc ④ν=c/λ  在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小(如图所示)。从p=h/λ式看，动量p减小，意味着波长变大，因此，这些光子散射后波长变大。  基于这个假定的理论结果与实验符合得很好。康普顿效应让人们对光子有了更深入的认识。康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。 例题：频率为ν的光子，具有的能量为hν，动量为hν/c，将这个光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原运动方向，这种现象称为光子的散射，下列关于光子散射的说法正确的是（A） A.光子的运动方向改变，但传播速度大小不变 ☞光子质量减小 B.光子由于在与电子碰撞中获得能量，因而频率增大. C.由于受到电子碰撞，散射后的光子波长小于入射光子的波长 D.由于受到电子碰撞，散射后的光子频率大于人射光子的频率 ☞1.在光的散射中，光子不仅具有能量，也具有动量，在与其他微粒作用过程中遵守能量守恒定律和动量守恒定律； 2.光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性。 三、光的波粒二象性 众所周知，在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种电磁波，从而光的波动说被普遍接受，人们不再认为光是由粒子组成的。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子（即一个个有确定能量和动量的“光子”）组成的。也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。当然，此时人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者。人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性（wave-particle dualism）。此后，又经过一系列探索，人们最终建立了比较完善的，能统一描述光的波动性和粒子性的理论一量子电动力学。 从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说，到麦克斯韦的光的电磁理论，再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学，人类对光的认识构成了一部科学史诗。 【问题】 例题1.在光电效应实验中，如果入射光的波长确定而强度增加，将产生什么结果？如果入射光的频率增加，将产生什么结果？ 【答案】 光强增加有三种情况： 1.光子数目增加； 2.光的频率增加大； 3.光子数目增加和光的频率增大。 如果入射光的波长确定而强度增加(光子数目增加)，将分为以下两种情况： 1.入射光的波长较长（频率较短），以至于光子的能量较低，无法激发出电子。这时候即使强度增加，光电效应同样不会发生； 2.入射光的波长较短，光子的能量较高，可以激发出电子。这时候强度增加，即单位时间内入射光的光子数增加，从而激发出更多的电子，所以促进光电效应，光电流增加。 光电流I=nqsv（n为光电子数密度） 如果入射光的频率增加(光子数目不变)，将分为以下两种情况： 1.入射光刚开始时的频率较小，当入射光的频率增加，刚开始可能无法激发光电子，当入射光频率达到一定程度后激发出光电子，且发射的光电子最大初动能增加； 2.入射光刚开始时的频率较大，入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加，光电流也增大。 例题2.金属A在一束绿光照射下恰能发生光电效应，现用紫光或红光照射时，能否发生光电效应？紫光照射A、B两种金属都能发生光电效应时，为什么逸出金属表面的光电子的最大速度大小不同？ 【答案】：光电效应的条件是入射光的频率大于或等于金属的极限频率，才能发生光电效应，在一束绿光照射下恰能发生光电效应，由于紫光频率大于绿光频率，则现用紫光照射时，一定发生光电效应；由于红光的频率小于绿光频率，则现用红光照射时，一定不发生光电效应；根据光电效应方程知，Ekm＝hν-W₀，紫光照射A、B两种金属都能发生光电效应，最大初动能与金属的逸出功有关。 例题3.铝的逸出功是4.2eV，现在将波长为200nm的光照射铝的表面。 （1）求光电子的最大初动能。 （2）求截止电压。 （3）求铝的截止频率。  例题4.根据如图所示  的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）频率已知的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。  例题5.在日常生活中，我们不会注意到光是由光子构成的，这是因为普朗克常量很小，每个光子的能量很小，而我们观察到的光学现象中涉及大量的光子。如果白炽灯消耗的电功率有15％产生可见光，试估算60W的白炽灯泡1s内发出可见光光子数的数量级。  |
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