浅议光电效应和康普顿效应的异同

近代物理证明，光除了具有波动性之外，还具有粒子性.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，两者具有一些共性，但还存在着重要的不同.

1光电效应与康普顿效应不同之处

1.1光电效应与康普顿效应实验现象不同

光电效应：当光照射到金属或半导体材料表面上时，如果入射光的频率超过某一数值时，金属或半导体材料表面就有明显的电子发射出来，逸出的电子称为光电子，这种现象称为光电效应.

1.2光电效应与康普顿效应产生条件不同

光电效应：能量较低的光子与物质碰撞时，光子整个地被物质所吸收，光子的全部能量被物质原子中的核外电子吸收，电子把所得到的能量，一部分用于克服原子核对它的约束，剩下的能量就作为电子的动能飞出物质表面，产生光电效应.因此，产生光电效应的条件是入射光子的能量较低，其能量和金属的逸出功在同一数量级上，即几个电子伏特的能量，在可见光和紫外区，就能观察到明显的光电效应.

康普顿效应：一个具有足够能量的入射光子打到原子中的一个电子时，可能发生入射光子和电子之间发生的相互作用，好像两个小球之间的弹性碰撞，产生散射，碰撞后散射光子的波长变长，产生康普顿效应.产生康普顿效应的条件是光子的能量较大，一般达到是几千电子伏特到近数万电子伏特.能量较高的X射线和能量较低的γ射线照射到物质上时，可以观察到较为明显的康普顿效应，当然也能观察到光电效应.

当光子能量增加到百万电子伏特以上时，它从原子核旁边经过时，在核库仑场作用下，辐射光子可能转化成一个正电子和一个负电子，这种现象称作电子对效应.这种情况下会同时发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，电子对效应占主导地位.当然三种效应发生的比重跟元素的原子序数相关很大.

1.3光电效应与康普顿效应中，电子对光子能量的吸收程度不同

在光电效应中，一个受束缚的电子会完全吸收一个光子的能量，然后克服金属对它的束缚作用，从金属表面逸出，原来的光子消失.

在康普顿效应中，X射线被散射后，产生波长变长的射线.光子在和电子发生相互作用时电子吸收了光子的部分能量，表现为电子的动能增加，其余部分的能量表现为新光子的形成，新光子的能量小于入射光子的能量，所以散射光中出现了波长较长的一些光子.这个过程可以看成一个光子与一个原来静止的自由电子发生完全弹性碰撞，从而产生一个新的光子的过程.所以说在康普顿效应中，电子吸收了光子的一部分能量.

1.4光电效应与康普顿效应在物理原理解释中的模型不同

光电效应的物理模型是较低能量的光子和束缚电子发生相互作用，相当于发生非弹性碰撞，产生光电子.

分别由能量守恒定律和动量守恒定律决定的电子运动速度不相同，说明自由电子吸收光子这一过程不能同时满足自然界普遍存在的能量守恒定律和动量守恒定律，表明这一过程是不能发生的.

用类似的方法，可以证明处于运动状态的自由电子也不能吸收光子，只有束缚电子才能吸收光子而产生光电效应，因为电子被束缚，故电子要飞出来，必然克服一束缚能量hν=12mv2+W，即逸出功.根据爱因斯坦光电效应方程 ，能圆满地解释光电效应的所有规律：

（1）根据一个电子吸收一个光子能量hν，逸出金属后的动能12mv2≥0，由光电效应方程推理得到必hν≥W，其中hν0=W，ν0=Wh，不同金属逸出功不同，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；（2）对同一种金属，W为一定值，所以，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；光的强度越大，即单位时间内入射金属表面的光的能量大，而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，单位时间内入射的光子数目就多，发生光电效应时，从金属中逸出的电子数目也多，形成的饱和光电流就大，而且成正比关系；（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.

康普顿效应的物理模型是较高能量的光子和自由的静止电子相互作用，发生完全弹性碰撞，产生光子和电子的散射现象.

由于原子外层的电子的能量（约10 eV）比X射线能量（约104～105 eV）要小得多，这些电子的动量也比光子的动量要小得多，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.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=hν=hcλ，故波长变长，这就是较长波长的散射光.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.

随着原子序数的增加，原子中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，波长增加的散射光减少，这就是随着原子序数的增加，康普顿效应变得不显著的原因.

物理教材中，讨论光电效应时，能量守恒，动量不守恒，因为电子是束缚的；而讨论康普顿效应时，能量和动量都守恒.

2光电效应与康普顿效应的相同之处

光电效应和康普顿效应在物理本质上是相同的，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，它们研究的对象是光束中的光子与散射物质中的特殊电子之间产生相互作用；它们都是光子与原子系统的碰撞，只是由于入射光子的能量不同，才产生不同的结果；两种效应所对应的爱因斯坦光电效应方程和康普顿公式，都是建立在光子假设的基础上的；另外在研究两种效应时都用到了能量守恒定律.

总之，光电效应或康普顿效应的发生，只是光子与电子在不同条件作用下的一种宏观统计结果.按照量子理论，我们无法确切地预言这些现象中，到底哪一种会发生，只能给出各种现象可能出现的几率，而对于任何单个的光子，我们永远不能确切地预言它在与电子碰撞时究竟会产生那种现象.