光电效应和康普顿效应|康普顿效应与光电效应的区别与联系
众所周知，光电效应与康普顿效应的物理本质是相同的，都是个别光子与个别电子的相互用。但二者有明显差别。其一，入射光的波长不同。入射光若为可见光或紫外光，表现为光电效应；若入射光是X光，则表现为康普顿效应。其二，光子和电子相互作用的微观机制不同。在光电效应中，电子吸收光了的全部能量，从金属中射出，在这个过程中只满足能量守恒定律；而康普顿散射是光子与电子作弹性碰撞，遵循相对论能量——动量守恒定律。若对问题进行深究就会发现，同是用光子去打击电子，为什么用可见光照射表现为光电效应，而用X射线照射就表为表普顿效应呢？为什么用可见光照射时有些电子可以吸收光子，而用X射线照射电子就不吸收光子，却表现为光子与电子的碰撞呢？对于这个问题很多人感到困惑。
为了解决以上困惑，我们先提出一个结论，然后加以证明。
结论：从能量守恒定律和动量守恒定律可以断定，自由电子不可能吸收光子，只有原子、分子、离子中的束缚电子以及固态晶体中的电子才能吸收光子。
若自由电子能够吸收光子，如果满足了能量守恒定律，就不可能同时满足动量守恒定律，由此断定，自由电子不可能吸收光子。如果光子打在束缚电子上，原了核带走一部分能量、动量，电子吸收光子的过程可以实现，这个过程同时满足能量守恒定律和动量守恒定律。上述道理如同正负电子对的光生过程一样。在自由空间，正负电子对的光生过程不能实现，只有当光通过物质时，有其他粒子带走一部分能量、动量，正负电子对的光生过程才能实现。
在光电效应中，入射光是可见光和紫外光，这些光子的能量不过是几个电子伏特，这和金属中电子的束缚能量有相同的数量级，不能把金属中的电子看作是自由的。电子可以吸收光子，产生光电效应。考虑光子、电子和原子核三者的能量和动量的变化，遵循非相对论能量守恒定律和动量守恒定律（电子获得速度V不大，满足非相对论条件V＜＜C）。由于原子核的质量比电子的质量大几千倍，所以原子核的能量变化很小，可以略去不计，动量变化较大，不能省略。因此，爱因斯坦方程只表示出光子和电子之间的能量守恒，而没有相应的光子和电子的动量守恒。
即，当光子入射到金属表面时，光子的能量全部为金属中的电子吸收，电子把这能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分变成电子离开金属表面后的动能 。
在康普顿散射中，入射光是X光，这些光子的能量为104~105电子伏特，而轻物质的原子中，原子实对电子的束缚弱，电离能仅几电子伏特，在X光子与电子作用时，电离能可以略去不计，因此对于所有轻原子，都可以假定散射过程仅是光子和电子相互作用，作为一级近仅，把电子看作自由电子，而且在受到光子作用之前是静止的。对于X光子与原子外层电子相互作用，电子不能吸收光子，只能发生光子与电子碰撞。
当然，原子中也有被束缚得紧密的电子，特别是重原子中被束缚得紧密的电子更多些，当光子打在这些电子上时，实际上等于和整个原子相碰（把整个原子看作自由粒子），原子的质量比电子的质量大得多（最轻的氢原子的质量比电子的质量约大2000倍），因此，由于碰撞，光子传给原子本身而使其运动的能量很小，亦即△λ的变化很小。这个变化实际上观察不到。这就是散射光中有波长不变的谱线的原因。
还有两点要提及的：
1.用可见光入射时，也会产生康普顿效应。一群可见光光子照射到金属表面时，一部分光子被电子吸收，从金属中放射出光电子，产生光电效应。一部分光子与金属中的电子碰撞，光子把一部分能量传给电子，电子仍留在金属内，但电子的能量状态发生改变，光子与电子碰撞后散射，失去一部分能量，波长改变了。但波长的相对改变量太小，不易观察到。还有一部分光子与原子核碰撞，由于原子核质量很大，光子与原子核碰后能量改变极小，波长几乎没有变化。由此知，用可见光照射时，虽可以产生康普顿效应，但波长的相对改变量表现不出来，所以光电效应占主导地位。
2.用X射线入射时，也会产生光电效应，即也存在光子被吸收而放出电子的过程，但这是原子（不是原子的外层电子）吸收光子，从原子里发射出电子。这有两种可能的物理过程，一种是原子吸收光子的能量，从原子某一内壳层射出电子，此时原子呈激发态，伴随发射次级X射线的光子。另一种是原子吸收X光子处于激发态，当原子的激发能传给自己的一个深层电子时，从一个深电子层（一般是K电子层）中放出一个电子，深度较浅的电子壳层L、M或N电子层中的一个电子跃入原来电子空出来的位置，此即俄歇效应。但用X射线照射轻元素物质时，原子吸收光子而产生光电子的几率很小，光电效应不显著，主要表现为康普顿效应。
一般说来，当光子的能量与电子的束缚能同数量级时，主要表现为光电效应；当光子能量远大于电子的束缚能量，主要表现为康普顿效应。用不同波长的光入射，光子与电子作用的微观机制不同正体现了事物的多样性，符合辩证唯物主义的“量变到质变”的哲学思想。
作者：张怀华
