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光子和電子的區(qū)別范文第1篇

【關鍵詞】光的散射 康普頓效應 光電效應 愛因斯坦光子說 狹義相對論 遵循相對論能量——動量守恒定律

1.康普頓效應

光在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現象叫做光的散射（scattering of light）。美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應（Compton effect）。在原子物理學中，康普頓散射，或稱康普頓效應，是指當X射線或伽馬射線的光子跟物質相互作用，因失去能量而導致波長變長的現象。相應的還存在逆康普頓效應——光子獲得能量引起波長變短，這一波長變化的幅度被稱為康普頓偏移。

康普頓效應通常只指物質電子云與光子的相互作用，但還有物質原子核與光子的相互作用——核康普頓效應存在。

康普頓效應首先在1923年由美國華盛頓大學物理學家康普頓觀察到，并在隨后的幾年間由他的研究生吳有訓（1897-1977）進一步證實?？灯疹D因發(fā)現此效應而獲得1927年的諾貝爾物理學獎。

光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個現象稱為光電效應（photoelectric effect）。

光電效應和康普頓效應深入地揭示了光的粒子性的一面，前者表明光子具有能量，后者表明光子除了具有之外還有動量。

在引入光子概念之后，康普頓散射可以得到如下解釋：電子與光子發(fā)生彈性碰撞，電子獲得光子的一部分能量而反彈，失去部分能量的光子則從另一方向飛出，整個過程中總動量守恒。

康普頓散射可以在任何物質中發(fā)生.當光子從光子源發(fā)出，射入散射物質（一般指金屬）時，主要是與電子發(fā)生作用。如果光子的能量相當低（與電子束縛能同數量級），則主要產生光電效應，原子吸收光子而產生電離.如果光子的能量相當大（遠超過電子的束縛能）時，則我們可以認為光子對自由電子發(fā)生散射，而產生康普頓效應。如果光子能量極其大（>1.022兆電子伏特）則足以轟擊原子核而生成一對粒子：電子和正電子，這個現象被稱為成對產生。

2.康普頓頻移公式

康普頓本人引用愛因斯坦光子說和狹義相對論來解釋這一現象，并依據能量守恒定律和動量守恒定律推導得出散射光波長的變化值λ 的公式（康普頓頻移公式）：

λ=λ-λ0=hmc（1-cosθ）=2hmcsin2θ2

其中λ為散射光波長的變換值，λ0為碰撞前光子波長，λ為碰撞后光子波長，h為普朗克常數， m為電子質量，c為光速，θ為光子散射角（碰撞前后的路徑夾角）。

推導如下：電子與光子發(fā)生彈性碰撞，電子獲得光子的一部分能量而反彈，失去部分能量的光子則從另一方向飛出（如圖所示），整個過程中總能量守恒、總動量守恒。

這就是康普頓頻移公式。

3.光電效應與康普頓效應區(qū)別

光電效應與康普頓效應的物理本質是相同的，都是個別光子與個別電子的相互用，但二者有明顯差別。其一，入射光的波長不同。入射光若為可見光或紫外光，表現為光電效應；若入射光是X光，則表現為康普頓效應。其二，光子和電子相互作用的微觀機制不同。在光電效應中，電子吸收光了的全部能量，從金屬中射出，在這個過程中只滿足能量守恒定律；而康普頓散射是光子與電子作彈性碰撞，遵循相對論能量——動量守恒定律。

一般說來，當光子的能量與電子的束縛能同數量級時，主要表現為光電效應；當光子能量遠大于電子的束縛能量，主要表現為康普頓效應。用不同波長的光入射，光子與電子作用的微觀機制不同正體現了事物的多樣性，符合辯證唯物主義的“量變到質變”的哲學思想。

參考文獻

光子和電子的區(qū)別范文第2篇

關鍵詞： 光電效應 愛因斯坦量子理論 微粒說 波動說

燦爛的陽光照亮了地球，給地球帶來了生命和活力，人們之所以能看到五彩繽紛、瞬息萬變的世界，是因為眼睛接收到物體的發(fā)射，反射或散射得光。那么光到底是什么呢？即光的本性是什么？這一直是學者們注意和探討的中心。到了17世紀，由于光學得到了一定的發(fā)展，因而關于光的本性問題引起人們越來越大的興趣。

一、世紀中葉至19世紀：光的微粒說和波動說

鑒于17世紀的水平，人們只能把光與兩種傳遞能量的機械運動相類比，分別提出了關于光本性的兩種學說：微粒說和波動說。光的微粒說認為光是由光源發(fā)射的一束微粒流。由此很容易解釋直線傳播定律和反射定律以及光在折射率較大的媒質中傳播速度較快的結論。然而微粒說對干涉、衍射、偏振等現象的解釋相當勉強。而光的波動說認為，光是一種特殊媒質――“以太”的波動。通過與機械類比，波動說很容易定性地說明干涉和衍射現象，但不能定量地說明干涉和衍射現象，甚至不能圓滿地解釋直線傳播規(guī)律。因此，多數科學家在17和18世紀傾向于微粒說。

19世紀初，英國的楊氏（T.Yong）完成了著名的“楊氏干涉實驗”，提出“干涉原理”。1815年，法國的菲涅耳（A.JFresnel）使用數學工具對光做了定量論證，提出了“惠更斯―菲涅耳原理”。該原理用波動理論完滿地解釋了光的直線傳播定律，定量地給出了圓孔的衍射圖形的強度分布。隨后阿喇戈（D.Arago）用實驗證明了菲涅耳理論，給予強力支持。1817年，楊氏明確指出，光波是一種橫波，1850年，法國的博科（J.B.L.Foucault）公布了他在實驗室中測定的光速數據，肯定了光在水（折射率較大）中的傳播速度小于在空氣（折射率較?。┲械乃俣?。自此，波動說的優(yōu)勢明顯體現。

二、光電效應

1.光電效應的發(fā)現

在19世紀末，光的電磁說使光的波動理論發(fā)展到相當完美的地步，取得了巨大的成功。但是，就在這時候，又發(fā)現了用波動說無法解釋的新現象――光電效應。

光電效應是指在光的照射下物體發(fā)射電子的現象。它是赫茲在1887年最早發(fā)現的。赫茲在做證實麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時，無意中注意到如果接受電磁波的電極之一受到紫外線照射，火花放電就變得容易發(fā)生。1888年，霍爾瓦斯（1859―1922）證實了這是由于在放電間隙內出現了荷電體的緣故。電子發(fā)現后，1902年，德國物理學家勒納德（1862―1947）證明了這一荷電體即為電子。

隨著研究的深入，勒納德用各種頻率的光照射鈉汞合金時，發(fā)現了金屬在某些頻率的光照射下會發(fā)射出電子來，就好像這些電子被光從金屬表面打出來一樣。他對這一現象進行了系統(tǒng)的實驗研究，并總結出了如下兩條經驗規(guī)律。

（1）當光的頻率高與某一定值時，才能從某一金屬表面打出電子來，被打出的電子的能量（或速度）只與光的頻率有關，而與光的強度無關，電子的能量隨光的頻率的增高而增大。

（2）被打出的電子的數目與光的強度有關而與光的頻率無關。

勒納德首先將這一現象稱之為光電效應。這兩條實驗規(guī)律用經典物理學的理論是無論如何解釋不了的。按照波動理論，光的能量是由光的強度決定的，而光的強度又是由光波的振幅決定的，跟頻率無關。因此，不論光的頻率如何，只要光的強度足夠大或照射時間足夠長，都應該有足夠的能量產生光電效應，極限頻率的存在變得無法理解。

2.光電效應實驗及規(guī)律

1887年赫茲在進行著名的驗證電磁波存在的實驗時發(fā)現，如果接收線路中兩個小鉛球之一受到紫外線照射時，兩小球間很容易有火花跳過。此后，其他科學家進一步研究表明，這種現象是由于光照射在小鋅球上，鋅球內的電子吸收了光的能量而逸出球表面，成為空中自由移動電荷所造成的。這種由于光照射是電子逸出金屬表面的現象稱為光電效應，所逸出的電子稱為光電子。

上圖是研究光電效應的實驗原理圖及伏安特性曲線圖。在高真空玻璃管內裝有陰極K，在兩極之間加上電壓，陰極K不受光照時，管中沒有電流通過，說明K、A之間絕緣。當有適當頻率的光通過窗口照射到陰極K上時，使得有光電子逸出，在電場力作用下光電子飛向陽極A形成電流，這種電流稱為光電流。電路中有電壓表和電流計分別測定兩極間的電壓和產生的光電流大小。實驗結果表明，光電效應有以下規(guī)律。

（1）存在飽和電流。圖8.2.1-2是用不同強度，而頻率相同的光照射陰極k時，得到的光電流I隨電壓V變化的實驗曲線（稱伏安特性曲線）。由圖中可以看出，光電流隨電壓的增大而增大。然而，當加速電壓超過某一量值時，光電流達到飽和。這說明單位時間從陰極逸出的光電子數目n是一定的，當光電流達到飽和值Im時，顯然有Im=ne。如果增大光的強度，實驗表明，在相同的加速電壓下，飽和電流也增加，并且與光強成正比。這說明n與光強成正比。

（2）存在反向截止電壓。由上圖可知，只有當V=-V時，光電流才降為零，這個反向電壓稱為反向截止電壓。這說明光電子逸出金屬后仍具有一定的初動能，光電子甚至能克服反向電壓飛到陽極，除非反向電壓達到一定的程度。當入射光強改變時，截至電壓不變，這意味著光電子的最大初動能與入射光強無關。

（3）存在截止頻率（紅限）。如果用不同頻率的光照射陰極K，發(fā)現截止電壓V，隨入射光的頻率的增大而增高，兩者呈線性關系，如圖，即V=K（V-V）。對于不同的金屬材料，具有不同的K和不同的V值。實驗還發(fā)現，當入射光頻率低于某一臨界值時，不論光強多大，也不論照射多久，都不會發(fā)生光電效應。此臨界頻率稱為光電效應的截止頻率。

（4）弛豫時間極短，從光照射到陰極K上，到發(fā)射出光子所需要的時間稱為光電效應的弛豫時間，實驗表明，只要頻率大于截止頻率，無論光照如何微弱，幾乎在照射到陰極K的同時就會產生光電子，弛豫時間不超過10s。通過實驗看到，光的經典理論在此時遇到了重重困難。

3.愛因斯坦的光量子理論及其對光電效應現象的解釋

1905年愛因斯坦發(fā)表了論文“關于光的產生和轉化的一個啟發(fā)式的一個啟發(fā)性觀點”，成功地解釋了光電效應并確定了它的規(guī)律。他以勒納利總結出的光電效應的性質作為光的微粒說的依據，并且和德國物理學家普朗克的量子假設結合起來，提出了量子假說：他認為光（電磁輻射）是由光量子組成，每個光量子的能量E與輻射頻率υ的關系是E=hυ。1916年愛因斯坦的光量子假說被實驗所證實。1923年康普頓（Compton）散射實驗再次提供有力的驗證。至此，愛因斯坦的光量子假說克服了經典理論遇到的困難，成功圓滿地解釋了光電效應中觀察到的實驗現象。

三、光的本性

按照愛因斯坦的量子理論，頻率為υ的光子具有的能量E和動量P：

E=hυ

P=hυ/c=h/λ

在以上兩式中，等號左邊表示微粒的性質，即光子的能量和動量；等號的右邊則表示波動的性質，即電磁波的頻率和波長。這兩種性質通過普朗克常數h定量的聯系起來。愛因斯坦公式表明，光子同時具有波動和微粒兩重性。所謂“波動性”是指光場滿足疊加原理，能產生諸如干涉、衍射這類體現波動性的現象；而所謂“微粒性”則指光子作為整體行為所呈現的不可分割性。光子只能單個整體被吸收或發(fā)射，不存在“半個”或“幾分之一”個光子。交換光子的能量或動量只能用愛因斯坦公式給出的單元進行。

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波粒二象性并非光子單獨具有的性質。1923年德布洛意（L.deBroglie）受到普朗克和愛因斯坦關于光的微粒性理論取得成功的啟發(fā)，提出了微觀粒子也具有波粒二象性的假設。他提出，伴隨著所有實物粒子，如電子、質子、中子等，都有一種物質波，其波長與粒子的動量成反比：λ=h/p，式中h為譜朗克常數，這種波現稱為德布洛意波，由上式所決定的波長叫做德布洛意波長。在一定的場合下，微觀粒子的這種波動性就會明顯地表現出來。例如讓電子束穿過細晶體粉末獲薄金屬片后正像X射線一樣也產生衍射現象。電子顯微鏡就是利用電子衍射的原理制成的。

在人們所習慣的經典圖像中，波是連續(xù)的非局域的且擴展于空間；而粒子是離散的，集中于一點，如何把這兩種截然相反的屬性賦予同一實體？初看起來，很難想象。下面我們用單電子干涉實驗來回答這個問題。電子楊氏雙縫干涉是最典型的實物粒子干涉實驗。這個實驗表明，當少量電子通過儀器落在屏上時，其分布看起來是離散的、毫無規(guī)律的，并不形成暗淡的干涉條紋，這顯示了電子的“粒子性”。但大量電子通過儀器時，則在屏上形成清晰的干涉條紋，這又顯示了電子的“波動性”。

那么有人可能會問，雙縫干涉條紋的產生（即粒子的波動性）是否由于大量粒子之間相互作用的結果呢？1949年畢伯曼等人成功地做了單電子衍射實驗，結果表明，衍射圖樣的產生絕非大量電子相互作用的結果。

單電子干涉，衍射實驗表明，波動性是每個電子本身固有的屬性，電子的干涉（密度的重新分布）是自身的干涉，而不是不同電子間的干涉，或者說波動性和粒子性一樣，是每個電子的屬性，而不是大量電子在一起時才有的屬性。若采用單個光子來代替實驗中的電子。結果也完全相同。

四、光的波粒二象性

光的波動性和粒子性既對立又統(tǒng)一，波粒二象性是粒子性和波動性的統(tǒng)一應從兩方面去理解。

1.光子的能量公式：E=hυ，式中的E是光子能量，是不連續(xù)的，一份一份的，量子化的。這是光的粒子性的特性，式中的υ是光波頻率，它表現的是波動性的特性。

2.波粒二象性中的粒子并不是宏觀的粒子，波也不是宏觀的波，而是指微觀的光子物質波，微觀世界有其自身的規(guī)律，不能簡單套用宏觀世界的結論。個別光子表現粒子性，而大量光子表現波動性；低頻光子表現波動性，而高頻光子表現粒子性。

光的本性一系列的假設，從微粒說到光子說，從波動說到電磁說，到最后統(tǒng)一為波粒二象性，經歷了幾百年漫長而曲折的認識過程，以牛頓為代表的微粒說既有古希臘人的光粒子學說的痕跡，但又有所不同；麥克斯韋的電磁說使惠更斯的波動說擺脫了機械波的束縛，是人類對光的本性認識的一大飛躍，同樣愛因斯坦的光子說又與牛頓的機械微粒有著本質的區(qū)別，因為光子說已不是經典的機械微粒，光子說的提出又是一大飛躍。

參考文獻：

［1］吳強.光學.科學出版社，2006.

［2］趙達尊，張懷玉.波動光學.宇航出版社.

［3］中學物理教學參考，2005，（4），34，4.

［4］物理教師，2005，4，26.

［5］曾心愉等.光的波粒二象性，［J］.大學物理，1993，12，（9）.

［6］趙凱華，鐘錫華.光學.北京大學出版社，2000.

光子和電子的區(qū)別范文第3篇

1光電發(fā)射過程的表征和測量

光電發(fā)射主要由三個過程組成,即首先是陰極膜層吸收光子后電子從價帶躍遷到導帶,其次是躍遷電子向真空界面遷移,最后是電子克服逸出功進入真空形成光電流。根據光電陰極光電發(fā)射的模型,Na2KSb基層的作用是吸收光子而使價帶電子發(fā)生躍遷,而Cs-Sb表面層的作用是降低表面電子親和勢使躍遷電子逸出光電陰極表面進入真空。光電陰極吸收光子之后電子從價帶躍遷到導帶的示意圖見圖1。圖中Ev為價帶頂能級,Ec為導帶底能級,Ee表示電子的躍遷能級,E0為真空能級,Φ為逸出功。只有激發(fā)電子躍遷到的能級高于真空能級,激發(fā)電子才可能逸出光電陰極表面進入真空。根據光電發(fā)射的原理,要獲得高的光電陰極靈敏度,首先是要有更多的電子躍遷,其次是這些電子要盡可能多的擴散到真空界面,最后是光電陰極的逸出功要盡量低。因此比較具有不同靈敏度的光電陰極,主要就是要比較其光電發(fā)射三個過程中的區(qū)別。對于逸出功的大小可以通過測量光電發(fā)射的光譜響應截止波長,通過式(1)進行計算而獲得[2-6]。式中Φ為逸出功,單位為eV,λt為光譜響應的長波截止波長,單位為nm。光譜響應采用南京理工大學研制的PH-2000型自動光譜響應測試儀來測量,測量電壓為200V,測量范圍為350~1100nm,測量面積為Φ18mm。典型的超二代像增強器多堿陰極的光譜響應曲線見圖2。Φ=1240/λt(1)對于光電發(fā)射電子躍遷幾率可以通過測量光電陰極膜層的熒光強度來進行間接表征。光致熒光的原理是材料吸收光子,電子從價帶(基態(tài))躍遷至導帶(激發(fā)態(tài))。當電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時,多余的能量將以光能的形式發(fā)出,即以熒光的方式發(fā)出[7]。所以產生熒光的條件首先是材料吸收光子,然后激發(fā)價帶電子躍遷。這一過程與光電發(fā)射的第一個過程(電子躍遷過程)相類似,因此可以通過測量陰極膜層熒光強度大小來反映了光電發(fā)射過程中電子躍遷幾率的高低。采用英國雷尼紹公司(Renishaw)in-Via型號的顯微拉曼光譜儀對超二代像增強器Na2KSb多堿陰極進行測量。激發(fā)光為波長為785nm的激光,對應光子的能量為1•57eV,大于Na2KSb膜層的禁帶寬度,因此可以用來激發(fā)多堿陰極膜層發(fā)光。測量所用儀器顯微物鏡的放大倍率為5倍,激光輸出功率為3mW,探測器CCD曝光時間為30s,累加次數為1次,測量范圍為500~1000nm。圖3是典型的超二代像增強器光電陰極熒光光譜曲線,光譜曲線的峰值強度大小反映了光電陰極膜層在吸收光能之后電子躍遷的幾率大小。

2測試數據和分析

選取4只不同陰極靈敏度的超二代像增強器,測量其光譜響應的長波截止波長和熒光譜。通過分析不同像增強器光電陰極的靈敏度與其逸出功、熒光譜的關系,找出導致不同陰極靈敏度的原因。每一只像增強器光電陰極都是在同樣條件下分別利用同樣工藝制作出來的,但由于多堿陰極制作工藝是手工操作,因此制造工藝過程仍存在細微的差別,這就導致不同超二代像增強器光電陰極的結構、成分等不完全相同,因此陰極靈敏度也不相同。表1是4只像增強器所測得的陰極靈敏度、逸出功、熒光譜峰值波長、峰值強度和熒光譜半峰寬的一覽表。從表1中看出,4只像增強器陰極靈敏度依次從小到大,從最低的182μA/lm到最高的917μA/lm。將4只像增強器的陰極靈敏度與其逸出功作對比,發(fā)現并非逸出功越低,陰極靈敏度越高。如1#像增強器的靈敏度最低,僅為182μA/lm,其逸出功為1•33eV,逸出功是最高的,這與光電發(fā)射的原理相一致。但在2#、3#和4#像增強器中,2#像增強器的逸出功最低,為1•29eV,但其陰極靈敏度卻是3只像增強中最低的,僅為702μA/lm。說明逸出功低,并不意味著陰極靈敏度就一定高。事實上,2#、3#和4#像增強器光電陰極的逸出功基本相同,分別為1•29,1•31和1•30eV,但陰極靈敏度差別卻很大,4#像增強器的陰極靈敏度為917μA/lm,而2#和3#像增強器的陰極靈敏度僅為702μA/lm和748μA/lm。這說明在現有制造技術的條件下,決定陰極靈敏度高低的因素除逸出功之外,還有其他因素,而且逸出功不是決定陰極靈敏度高低的主要原因或導致陰極靈敏度高低不一的主要原因。像增強器低。熒光強度低,說明電子躍遷幾率也低。這與光電發(fā)射的原理相一致。反過來2#像增強器和3#像增強器的峰值強度也比1#像增強器的峰值強度低,但其靈敏度卻又高于1#像增強器。說明像增強器的陰極靈敏度與熒光譜的峰值強度之間不存在相關的關系。也說明在現有工藝條件下,光電陰極光吸收以及電子躍遷數量也不是決定陰極靈敏度高低的主要原因。比較4只像增強器陰極靈敏度和其熒光譜峰值波長的測量值,也可得出像增強器陰極靈敏度與其熒光譜峰值波長不相關的結論。熒光譜的峰值波長反映的是材料的特性,之所以Na2KSb多堿陰極熒光譜的峰值波長會有所區(qū)別,主要原因是陰極膜層中堿金屬Na、K和Sb的化學計量比不一樣。由于陰極的靈敏度與陰極膜層熒光譜的峰值波長不相關,所以在現有制造技術的條件下,多堿陰極膜層中堿金屬化學計量比的波動也不是影響光電陰極靈敏度高低的主要原因。再比較表1中像增強器陰極靈敏度與熒光譜半峰寬的測量數據,可以發(fā)現唯一與4只像增強器靈敏度相關的因素只有熒光譜的半峰寬。熒光譜的半峰寬越窄,陰極的靈敏度越高。半導體材料熒光譜的半峰寬越窄,材料晶格的完整性越好。為了證明熒光譜的半峰寬反映晶體的晶格完整性,對晶格結構較好的單晶硅(外延片)樣品和晶格結構較差的多晶硅樣品的熒光譜進行了比較,發(fā)現外延單晶硅樣品熒光譜的半峰寬僅為5nm,而多晶硅樣品的熒光譜半峰寬卻為200nm。這充分證明了熒光譜半峰寬與晶格完好性的關系,即結晶度越好,熒光譜的半峰寬越窄。實測外延單晶硅樣品的熒光譜見圖4,測量所用激發(fā)光的波長為514•5nm。結晶度越好,陰極的靈敏度越高。說明Na2KSb膜層的晶格完整性是決定陰極靈敏度的主要因素。因為要獲得高的陰極靈敏度,就需要使更多的電子擴散到真空界面。Na2KSb膜層是一種多晶半導體,與單晶半導體相比內部存在晶界。因此在電子的擴散過程中,電子會在晶界上損失(電子空穴的復合)。所以同樣厚度的多堿陰極,如果在擴散過程中遇到的晶界少,擴散到真空界面上的電子數就更多。而電子在擴散過程中要遇到的晶界少,就要求Na2KSb多堿陰極膜層的晶粒更大。因此影響多堿陰極靈敏度高低的主要因素應該是Na2KSb膜層的本身結構,即晶粒的大小和完整度。而晶粒尺寸的大小,在熒光譜上就由譜線的半峰寬反映出來,晶粒越大,越完整,熒光譜的半峰寬也越窄,反之則越寬。所以對多堿光電陰極而言,在現有工藝條件下,陰極靈敏度的高低取決于Na2KSb膜層的生長質量,即Na2KSb晶粒生長的完整性以及晶粒的大小。這反過來也可解釋陰極靈敏度與其熒光強度不成正相關的關系。因為多堿陰極是一種多晶半導體,電子在擴散過程中在晶界有損失,因此盡管電子躍遷的數量多,但由于多堿陰極的量子效率很低,僅為15%左右,因此其在晶界損失的因素大于電子躍遷的因素,致使陰極的靈敏度與熒光強度不相關。對使用GaAs單晶半導體的三代像增強器進行熒光測試[8],測試條件除激光入射功率比測試超二代像增強器時更低外,其他條件相同。表2是兩只三代像增強器的陰極靈敏度和熒光譜的測量數據。從表2看出,1#像增強器的陰極靈敏度為1117μA/lm,半峰寬為44nm,峰強為25563。2#像增強器的陰極靈敏度為2145μA/lm,半峰寬為35nm,峰強48436。由此可見三代像增強器陰極靈敏度與GaAs外延層熒光的峰強正相關,與半峰寬負相關,即與峰強成正比,與半峰寬成反比。這也充分說明對三代像增強器而言,外延層的晶格完整性與熒光強度、半峰寬和光電陰極的靈敏度是相一致的[9]。GaAs外延層晶格的完整性越好,熒光越強,熒光譜的半峰越窄,陰極的靈敏度越高。

光子和電子的區(qū)別范文第4篇

關鍵字：納米 特性

1963年，Uyeda 及其合作者發(fā)展了氣體蒸發(fā)法制備納米粒子，并對金屬納米微粒的形貌和晶體結構進行了電鍍和電子衍射研究，使科學界對納米技術的概念有了多方面的認識。1974年，Taniguchi 最早使用納米科技（Nanotechnology）一詞描述精細機械加工。1984 年，德國科學家 Gleiter 等人首次采用惰性氣體凝聚法制備了具有清潔表面的納米粒子，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出納米材料界面結構模型。到1989年， 納米固體研究的種類已從由晶態(tài)微粒制成的納米晶體材料（納米導體、納米絕緣 體、納米半導體）發(fā)展到納米非晶體材料，并成功地制造出一些性能異常的復合 納米固體材料。1990 年7月，在美國巴爾地摩召開的首屆國際納米科學技術會 議（NST）上，正式把納米材料科學做為材料科學學科的一個新的分支。從此，一個將微觀基礎理論研究與當代高科技緊密結合起來的新型學科――納米材料 學正式誕生，并一躍進入當今材料科學的前沿領域。

納米材料的組成及其分類

1、按照維數，納米材料的結構單元可以分為三類

（1）零維指在空間有三維處于納米尺度。如原子團簇、納米微粒、量子點或人造原子等。原子團簇，是指幾個至幾百個原子的聚集體，粒徑小于 1nm。它可以是由一元或多元原子以化學鍵結合起來的，也可以是由原子團簇與其它分子以 配位化學鍵構成的原子簇化合物，如 Fen,AgnSm 和 C60,C70 等。納米顆粒，尺寸在1-100nm 之間，日本名古屋大學的上田良二先生給納米微粒下的定義是用電子顯微鏡能看到的微粒。量子點或人造原子，是由一定數量的實際原子組成德聚集體，它們的尺寸小于 100nm。人造原子具有與單個原子相似的離散能及，電荷也是不連續(xù)的，電子以軌道的方式運動。不同的是電子間的交互作用要復雜得多，人造原子中電子是處于拋物線型的勢阱中，由于庫侖排斥作用，部分電子處于勢阱上部，弱的結合使它們具有自由電子的特征。

（2）一維指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒和納米管等；

（3）兩維指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格等。目前，納米材料的研究除涉及上述納米材料的三類范圍外，還涉及到無實體的納 米空間材料，如納米管、微孔和介孔材料，有序納米結構及自組裝體系等。納米材料按照不同的組成和標準可以有不同的分類。

納米材料按照組成可分為無機納米材料、有機納米材料、無機復合納米材料、有機/無機復合納米材料和生物納米材料等。

納米材料按照成鍵形式可以分為金屬納米材料、離子半導體納米材料、半導體納米材料以及陶瓷納米材料等。

納米材料按照物理性質可以分為半導體納米材料、磁性納米材料、導體納米材料和超硬納米材料等。按照物理效應可以分為壓電納米材料、熱電納米材料、鐵電納米材料、激光納米材料、電光納米材料、聲光納米材料和非線性納米材料等。

納米材料按照用途可分為光學納米材料、感光納米材料、光/電納米材料等。

2、納米材料的性質

納米材料具有大的比表面積、表面原子數、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加，小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等將導致納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同與常規(guī)粒子，另外，粒子集合體的形態(tài)（離散態(tài)、鏈狀、網絡狀、聚合狀）也迥然不同，這將導致粒子最終物理性能變化多端。

2.1磁力學性質

納米微粒的小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具有的磁特性，納米微粒的磁特性主要有如下幾點:

（l）超順磁性在小尺寸下，當各向異性能減小到與熱運動能可相比擬時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結果導致超順磁性的出現。納米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態(tài)，不同種類的納米磁性微粒顯現超順磁的臨界尺寸是不相同的。

（2）矯頑力納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時通常呈現高的矯頑力 。

（3）磁化率納米微粒的磁性和它所含的總電子數的奇偶性密切相關。每個微粒的電子可以看成一個體系，電子數的宇稱可為奇或偶。

2.2光學性能

納米粒子的一個最重要的標志是尺寸與物理的特征量相差不多。與此同時，大的比表面使處于表面態(tài)的原子，電子與處于內部的原子、電子的行為有很大的區(qū)別，這種表面效應和量子尺寸效應對納米微粒的光學特征有很大的影響。甚至使納米微粒具有同樣材質的宏觀大塊物體不具有的新的光學特征。如寬頻帶強吸收、藍移和紅移現象、量子限域效應、納米微粉的發(fā)光等。如納米ZnO中量子限域引起載流空間局域化及通過特殊表面處理后，其發(fā)射光譜結構及發(fā)射強度會改善且產生紫外激光發(fā)射。

2.3 表面活性及敏感特性

隨納米微粒粒徑減小，比表面積增大，表面原子數增多及表面原子配位不飽和性導致大量的懸鍵和不飽和鍵等，這使得納米微粒具有高的表面活性，同時還會提高反應的選擇性。由于納米微粒具有大的比表面積，高的表面活性，以及表面與氣氛氣體相互作用強等原因，納米微粒對周圍環(huán)境十分敏感，如光、溫氣氛、濕度等，可用于傳感器。

2.4 光催化性能

光催化是納米半導體的獨特性能之一。當半導體氧化物納米粒子受到大于禁 帶寬度能量的光子照射后，電子從價帶躍遷到導帶，產生了電子-空穴對，電子 具有還原性，空穴具有氧化性，空穴與氧化物半導體納米粒子表面的 OH-反應生 成氧化性很高OH?自由基，活潑的自由基可以把許多難降解的有機物氧化為二氧化碳和水。目前廣泛研究的半導體光催化劑大都屬于寬帶的 n 型半導體氧化物。

光子和電子的區(qū)別范文第5篇

1.讓學生知道什么是原子核的人工轉變，什么是核反應，如何用核反應方程表示核反應。

2.知道質量虧損的概念并會計算。理解愛因斯坦質能方程的物理意義，并能計算核。

3.培養(yǎng)學生的理解能力、推理能力及數學計算能力。

4.通過學習，讓學生體驗科學家進行探索實驗、抽象概括、推理判斷的基本方法。

5.培養(yǎng)學生尊重客觀、熱愛科學的精神。

6.使學生樹立起實踐是檢驗真理的標準、科學理論對實踐有著指導和預見的作用的觀點。

教學重點、難點分析

核反應方程是本節(jié)課的一個重點，教師要引導學生按照質量數守恒和電荷數守恒的規(guī)律以及有關原子核與粒子的書寫規(guī)則正確的寫出核反應方程。在這個知識點的教學中，應當引導學生感受查德威克是怎樣發(fā)現中子的。質能方程是本節(jié)課的第二個重點，也是難點。教師可以讓學生了解質量虧損的概念與計算方法，然后討論質能方程的物理意義，教師對此應當作出正確的解釋，幫助學生認識質能方程蘊含的物理思想，并通過閱讀與訓練，指導學生掌握計算核能的基本方法。其中物理單位也屬于一個相對難點，應讓學生記住、會用。

課時安排

1課時

課前準備

教師：制作如下幻燈片：

①盧瑟福發(fā)現質子的實驗裝置圖及操作過程文字說明。

②查德威克發(fā)現中子的示意圖。

③核反應方程N+HeO+HBe+HeC+n

④思考討論題組<一>、<二>。

⑤質能聯系方程

⑥核電站照片與數據。

⑦課堂練習題<一>、<二>。

⑧課堂小結。

學生：閱讀有關核能方面的科普書籍，上網查詢或下載一些有關核反應、核研究、核能的開發(fā)與利用的資料。

教具

教具：實物投影儀，多媒體課件。

教學過程

問題情景呈現，導入新課

師：播放投影1：大亞灣核電站外觀圖及核反應堆；數據：1kg鈾235燃燒釋放出的原子核能相當于2500噸優(yōu)質煤燃燒時放出的熱量，只需幾千克鈾235就足夠上海市24小時的耗能供應。

播放投影2：盧瑟福在1919年，首先發(fā)現質子的實驗裝置圖，第一次實現了原子核的人工轉變。在原子核的轉變中，遵守哪些規(guī)律？如此巨大的核能是從哪里來的呢？這是我們在本節(jié)課將要學習和探究的新問題。

師：播放課題名稱：五、核反應核能

新課教學

師：請同學們閱讀教材，然后回答以下問題。

師：板書〈一〉核反應，投影簡答題組〈一〉

⑴什么是原子核的人工轉變？

⑵什么是核反應？為什么說原子核的人工轉變是核反應的一種？你還知道哪些核反應？

⑶如何用核反應方程表示核反應過程？在核反應中遵循哪些規(guī)律？

⑷試背寫出盧瑟福發(fā)現質子的核反應方程，查德威克發(fā)現中子的核反應方程。

⑸試比較說明核反應與化學反應的本質區(qū)別。

生：閱讀有關內容后，先獨立思考，然后抽查學生回答問題，互相評價，教師傾聽。點拔強調如下：

核反應是一種客觀變化。它遵守電荷數與質量數守恒兩條規(guī)律。核反應方程是對核反應過程的抽象表達。核反應是原子核的變化，結果是產生了新的元素，“點石問金”的夢想在核反應中得以實現；而化學反應且是原子的重組，原子外層電子的得失，結果是生成了新的分子，并無新元素的產生。

師；投影練習題組<二>。請同學們指出下列核反應方程的真?zhèn)?，錯誤的加以糾正。

A.N+αO+質子

B.C+HeO+H

C.Be+HeC+γ（光子）

D.H+nH+γ（光子）

學生觀察，相互討論，指出真?zhèn)渭板e誤所在。同時，請四位不同能力的學生上講臺改正并講述理由。

師：質量數和電荷數守恒是判斷核反應方程正確與否的必要條件。但是，人們是否可以用這兩個條件來編寫核反應方程呢？如果不可以的話，應該采用什么辦法來確定核反應的產物，檢驗核反應的真?zhèn)文?？下面我們一起體驗查德威克（英）在1832年是如何發(fā)現并確定“中子”的。（學生激起懸念，試目以待。）

師：投影幻燈片——中子是怎樣發(fā)現的？

天然放射性元素Po放出α粒子，轟擊鈹（Be）原子核時，發(fā)出了一種未知射線，這種未知射線可以從石蠟（含碳）中打出質子（H）。那么我們如何確定這種未知射線的本質特征呢？即確定它是否帶電？如果帶電的話，帶的是正電還是負電？電荷數如何？質量數如何？

學生分組討論，提出初步的設想及根據，然后全班同學共同交流和比較，形成一個或幾個科學而又可行的方案。最后，教師評價，肯定、鼓勵同學們表現出的熱情和智慧。對不足之處加以引導、點撥、糾正。

教師歸納同學的設計并板書如下內容：

這種未知射線：

①在空氣中的速度小于光速c的1/10不是光子；

②在電場或磁場中不會偏轉不帶電；

③與碳核和氫核（或其它核）發(fā)生彈性正碰，一定符合動量守恒定律和能量守恒定律。

最終結論：未知射線是質量近似等于質子質量但不帶電的基本粒子——“中子”。

剛才我們研究了核反應中生成新元素和粒子的確定方法及表達形式，下面，我們從能量的角度來分析核反應現象。教師板書：

<二>核能的釋放及計算

師：朗讀教材，板書：

1.核能——核反應中釋放的能量。核能是從哪里來的？

學生閱讀教材后，獨立思考上述問題，教師傾聽、詢問、了解學生提出的各種疑問，然后啟發(fā)講解，投影如下內容：

愛因斯坦質能方程：E=mc2中，E表示物體的能量，m表示物體的質量，c表示真空中的光速。

①物體具有的能量與它的質量成正比，物體的能量增大了，質量也增大；能量減小了，質量也減小。

②任何質量為m的物體都具有大小相當于mc2的能量。由于c2非常大（9×1016m2/s2），所以對質量很小的物體所包含（或具有）的能量是非常巨大的。對此，愛因斯坦說過：“把任何慣性質量理解為能量的一種貯藏，看來要自然得多?！彼再|量于能量實質上是相象的，它們只不過是同一事物的不同表示。

③在國際單位制中，E、m、c的單位分別取J、kg和m/s。

④由E=mc2得E=m•c2，其蘊含著怎樣的意義？m表示物體的質量虧損，E表示與m相當的能量。如果物體的能量減小了E，即向外釋放E的能量，它的質量就會虧損m=。理論和實驗都表明，只有在核反應中，才可能發(fā)生質量虧損，因而伴隨著巨大的能量向外輻射。例如，在中子和質子結合成氘核的過程中，由于發(fā)生了質量虧損，從而釋放出了2.2MeV的核能。

生：仔細閱讀教材及旁批內容。師生共同歸納計算核能的思路和步驟。

教師板書如下內容：

2.核能的計算步驟：

首先，寫出正確的核反應方程。

其次，計算核反應前后的質量虧損m。

然后，根據質能方程E=m•c2，計算核能。

注意的幾個問題：

①記住以下單位換算關系

1MeV=106eV

1eV=1.6022×10-19J

1u（原子質量單位）=1.6606×10-27kg

②1u相當于9351.5MeV的能量（自己證明），這是計算核能經常用導的關系。

③如果在某些核反應中，物體的能量增加了，說明核反應中物體的質量不是虧損，而是增加了。例如，把氘核分解成獨立的中子和質子時，應從外界吸收2.2MeV的能量。即2.2MeV+Hn+H

④m實際是物體靜止質量的虧損。在相對論中，當物體的運動速度接近光速時，物體的質量，將隨著速度的變化而變化（增大了）。

【教學設計說明】

本節(jié)的內容比較抽象，核能及質量虧損的計算繁、難。但是，教學大綱要求較高，應予重視。在教學設計上真正體現以學生發(fā)展為主的教育理念。本節(jié)內容屬于本章的中心內容，承上啟下，地位重要。既要重視基本概念、規(guī)律的指導學習，又要通過中子發(fā)現等重要實驗學習，培養(yǎng)學生的探究意識和人文精神。采用“問題驅動與探究”的模式可以實現較為滿意的效果。