光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的矛盾辨析

龔知棟

(麻城市第二高級中學(xué) 湖北 麻城 438307)

高中物理(人教版)教材第三冊先后出現(xiàn)了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)這兩個(gè)內(nèi)容，作為光具有粒子性的重要證據(jù)來學(xué)習(xí).

為了解釋光電效應(yīng)中的極限頻率和瞬時(shí)性問題，愛因斯坦假設(shè)了這樣一個(gè)情景：一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，而且必須是整份吸收，即是說，一個(gè)電子不能連續(xù)吸收2個(gè),3個(gè),…或半個(gè)光子的能量.光子與電子作用時(shí)這種十分奇特的現(xiàn)象，給初學(xué)者留下了極其深刻的印象.但是，康普頓效應(yīng)的解釋卻是說光子和電子像彈性球一樣，碰撞后會分開.電子只得到光子的一部分能量，而光子保留了部分能量而波長變長.也就是說一個(gè)電子不吸收一個(gè)光子！一個(gè)電子難道可以吸收半個(gè)光子？那剩下的半個(gè)光子不是又可能被另一電子吸收，即一個(gè)光子可以被兩個(gè)以上的電子吸收嗎？如此說來，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的解釋不是互相矛盾嗎？

為了回答這個(gè)問題，必須先對兩種效應(yīng)的發(fā)生條件加以分析.

在光電效應(yīng)中，入射光通常是可見光和紫外光，這些光子的能量不過幾個(gè)eV，和金屬中電子的束縛能量(逸出功)有相同數(shù)量級.所以，在光電效應(yīng)中，光子和物質(zhì)相互作用時(shí)，必須考慮光子、電子和原子核三者的能量和動量變化.但是，由于原子核的質(zhì)量比電子大幾千倍，因此，核的能量變化很小，可以略去不計(jì).愛因斯坦方程只表示光子與電子的能量守恒，而沒有相應(yīng)的光子和電子的動量守恒關(guān)系.

而在康普頓效應(yīng)中，X射線光子的能量相對來說很大(104～105eV)，因此散射過程可以認(rèn)為僅是光子與核外電子二者的相互作用,光子和電子之間能量和動量均守恒，而未考慮原子核的運(yùn)動.作為一級近似，可以認(rèn)為電子是自由的.光子與這種“自由電子”發(fā)生碰撞，損失部分能量出射，外在體現(xiàn)就是波長變長.與光子作用的那個(gè)電子叫做康普頓電子，康普頓電子獲得光子給予它的那部分能量出射.其出射角度在0°～90°之間，這也證明了康普頓效應(yīng)是兩個(gè)準(zhǔn)自由粒子的彈性碰撞.事實(shí)上，散射光中還有與入射光波長相同的譜線.為什么呢？原來原子的內(nèi)層電子不能當(dāng)成自由電子.如果光子和這種電子碰撞，相當(dāng)于和整個(gè)原子相碰，碰撞中光子傳給原子的能量很小，幾乎保持自己的能量不變.這樣散射光中就保留了原波長的譜線.

綜合以上分析， 兩種效應(yīng)都是光子與電子的作用.當(dāng)光子能量和電子所受束縛能量相差不大，電子必須看做是與核有緊固作用的“束縛電子”時(shí)，主要出現(xiàn)光電效應(yīng).這時(shí)，光子通過物質(zhì)時(shí)能量的損失主要是電離吸收;當(dāng)光子能量大大超過電子所受的束縛能量，即電子可以看作“自由電子” 時(shí)，主要出現(xiàn)康普頓效應(yīng).此時(shí)電離吸收的能量損失成為次要的，而康普頓散射的能量損失成為主要的.可見，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是同一作用在兩種不同條件下的表現(xiàn)；條件不同，光子能量損失的方式不同，因而對能量損失的描述也不同.光電效應(yīng)強(qiáng)調(diào)吸收，康普頓效應(yīng)強(qiáng)調(diào)碰撞.所以學(xué)習(xí)這兩個(gè)效應(yīng)時(shí)，沒有必要拿一個(gè)的描述去死套另一個(gè)，否則就會鬧出矛盾.

同時(shí)也要明白一點(diǎn)，盡管兩種效應(yīng)都是對同一種作用的描述，但是對結(jié)果的側(cè)重點(diǎn)不同.在康普頓效應(yīng)中我們著重研究光子的變化，即它的散射波長與散射角的關(guān)系；而光電效應(yīng)著重研究逸出電子.學(xué)習(xí)的時(shí)候，也沒必要把二者完全分割、甚至對立開來.

參考文獻(xiàn)

1 姚啟鈞.光學(xué)教程.北京：高等教育出版社，1989

2 禇圣麟.原子物理學(xué). 北京：高等教育出版社，1979