光电效应和康普顿效应的矛盾辨析

龚知栋

(麻城市第二高级中学 湖北 麻城 438307)

高中物理(人教版)教材第三册先后出现了光电效应和康普顿效应这两个内容，作为光具有粒子性的重要证据来学习.

为了解释光电效应中的极限频率和瞬时性问题，爱因斯坦假设了这样一个情景：一个电子只能吸收一个光子的能量，而且必须是整份吸收，即是说，一个电子不能连续吸收2个,3个,…或半个光子的能量.光子与电子作用时这种十分奇特的现象，给初学者留下了极其深刻的印象.但是，康普顿效应的解释却是说光子和电子像弹性球一样，碰撞后会分开.电子只得到光子的一部分能量，而光子保留了部分能量而波长变长.也就是说一个电子不吸收一个光子！一个电子难道可以吸收半个光子？那剩下的半个光子不是又可能被另一电子吸收，即一个光子可以被两个以上的电子吸收吗？如此说来，光电效应和康普顿效应的解释不是互相矛盾吗？

为了回答这个问题，必须先对两种效应的发生条件加以分析.

在光电效应中，入射光通常是可见光和紫外光，这些光子的能量不过几个eV，和金属中电子的束缚能量(逸出功)有相同数量级.所以，在光电效应中，光子和物质相互作用时，必须考虑光子、电子和原子核三者的能量和动量变化.但是，由于原子核的质量比电子大几千倍，因此，核的能量变化很小，可以略去不计.爱因斯坦方程只表示光子与电子的能量守恒，而没有相应的光子和电子的动量守恒关系.

而在康普顿效应中，X射线光子的能量相对来说很大(104～105eV)，因此散射过程可以认为仅是光子与核外电子二者的相互作用,光子和电子之间能量和动量均守恒，而未考虑原子核的运动.作为一级近似，可以认为电子是自由的.光子与这种“自由电子”发生碰撞，损失部分能量出射，外在体现就是波长变长.与光子作用的那个电子叫做康普顿电子，康普顿电子获得光子给予它的那部分能量出射.其出射角度在0°～90°之间，这也证明了康普顿效应是两个准自由粒子的弹性碰撞.事实上，散射光中还有与入射光波长相同的谱线.为什么呢？原来原子的内层电子不能当成自由电子.如果光子和这种电子碰撞，相当于和整个原子相碰，碰撞中光子传给原子的能量很小，几乎保持自己的能量不变.这样散射光中就保留了原波长的谱线.

综合以上分析， 两种效应都是光子与电子的作用.当光子能量和电子所受束缚能量相差不大，电子必须看做是与核有紧固作用的“束缚电子”时，主要出现光电效应.这时，光子通过物质时能量的损失主要是电离吸收;当光子能量大大超过电子所受的束缚能量，即电子可以看作“自由电子” 时，主要出现康普顿效应.此时电离吸收的能量损失成为次要的，而康普顿散射的能量损失成为主要的.可见，光电效应和康普顿效应是同一作用在两种不同条件下的表现；条件不同，光子能量损失的方式不同，因而对能量损失的描述也不同.光电效应强调吸收，康普顿效应强调碰撞.所以学习这两个效应时，没有必要拿一个的描述去死套另一个，否则就会闹出矛盾.

同时也要明白一点，尽管两种效应都是对同一种作用的描述，但是对结果的侧重点不同.在康普顿效应中我们着重研究光子的变化，即它的散射波长与散射角的关系；而光电效应着重研究逸出电子.学习的时候，也没必要把二者完全分割、甚至对立开来.

参考文献

1 姚启钧.光学教程.北京：高等教育出版社，1989

2 禇圣麟.原子物理学. 北京：高等教育出版社，1979