1、恶搞康普顿效应选修3 5恶搞康普顿效应(选修3-5) 2011年06月05 日康普顿 康普顿(Arthur Holly Compton)，1892年9月10日出生干俄亥俄州的伍斯特，1962年3月15日于加利福尼亚州的伯克利逝世，终年70岁。其父曾任伍斯特学院哲学教授兼院长，他的大哥卡尔(KarL)是普林斯顿大学物理系主任，后成为麻省理工学院院长，是康普顿最亲密的和最好的科学带路人。康普顿中学毕业后，升进伍斯特学院，他所受的基础教育，几乎完全决定了他一生中对生活、科学的态度。在学院以外，康普顿熟悉很多感爱好的事物，诸如密执安的夏令营、卡尔早期的科学实验等等。1913年，康普顿从伍斯特学院毕业后
2、，进进普林斯顿大学深造，1914年取得硕士学位，1916年取得博士学位。他的博士学位论文起先由里查逊(OWRichardson)指导，后来在库克(HLCooke)指导下完成。取得哲学博士学位后，康普顿在明尼苏达大学(19161917)担任为期一年的物理学教学工作，随后在宾夕法尼亚州的东匹兹堡威斯汀豪斯电气和制造公司担任两年研究工程师。在此期间，康普顿为陆军通讯兵发展航空仪器做了大量有独创性的工作；并且还取得钠汽灯设计的专利。后面这一项工作跟他以后在美国俄亥俄州克利夫兰内拉帕克创办荧光灯产业密切相关；在内拉帕克期间，他跟通用电气公司的技术指导佐利杰弗里斯(Zay Jeffries)密切配合，促进
3、了荧光灯产业的发展，使荧光灯的研制进进最活跃的年代。 康普顿的科学家生涯是从研究X射线开始的。早在大学 学习时期，他在毕业论文中，就提出一个新的理论见解，其大意是：在晶体中X射线衍射的强度是与该晶体所含的原子中的电子 分布 有关。在威斯汀豪斯期间(19171919)；康普顿继续从事X射线的研究。从1918年起，他在理论在获得X射线吸收与和实验两方面研究了X射线的散射。散射数据之间的定量吻合之后，根据JJ汤姆逊的经典理论，康普顿提出了电子有限线度(半径1.8510-10cm)的假设，说明密度与散射角的观察关系。这是个简单的开端，却导致了后来形成的电子以及其它基本粒子的“康普顿波长”概念。这个概念
4、后来在他自己的X射线散射的量子理论以及量子电动力学中都充分地得到了发展。在这一时期他的第二项研究，是1917年在明尼苏达大学跟奥斯瓦德罗格利(Oswrald Rognley)一起开始的，这就是关于决定磁化效应对磁晶体X射线反射的密度题目。这项研究表明，电子轨道运动对磁化效应不起作用。他以为铁磁性是由于电子本身的固有特性所引起的，这是一个基本磁荷。这一看法的正确性后来由他在芝加哥大学指导的学生斯特思斯(JCStearns)用实验得出的结果作了更有力的证实。第次世界大战后，1919至1920年间，康普顿到英国进修，在剑桥卡文迪许实验室从事研究。当时卡文迪许实验室正处于最兴旺发达的年代，很多年轻有为
5、的英国科学工作者从战场转到这里跟随卢瑟福、JJ汤姆逊进行研究。1919年，康普顿获得往欧洲学习的机会，他进进英国剑桥大学卡文迪什实验室。这时正好卢瑟福从曼彻斯特转到剑桥，接替JJ汤姆生当卡文迪什实验室教授。康普顿和JJ汤姆生与卢瑟福建立了真诚友谊，从他们那里得到了很多帮助和指导。康普顿在卡文迪什实验室主要从事射线实验研究。他以精湛的实验技术改进了仪器设备，精确地测定了丫射线的波长。在研究射线的散射特性时，康普顿得到了比别人更明确的结论，即了射线在散射后会变得波长更长，他试图用自己的理论解释散射射线波长变长的实验事实，却不大成功。于是，他转而采用了另一种假说，他的解释是：可能发生了某种新的荧光辐
6、射，其强度与性质均随角度变化，与散射物质无关。康普顿跟汤姆逊的友好关系二直保持到生命的最后一刻。在剑桥期间，由于高压X射线装置不适用，康普顿便改用射线进行散射实验。这实验不仅证实格雷（TAGray)其他科学家早期研究的结果，同时也为康普顿对X射线散射实验作更深进的研究奠定了基础。 康普顿于1920年回到美国，在圣路易斯华盛顿大学担任韦曼克劳(Wayman Crow)讲座教授?*锢硐抵魅巍谡饫锼?鞒隽硕运?此凳亲钗按蟮囊桓龇帧笔保?灯斩侔牙醋灶獍械脑射线投射到石墨上以观测被散射后的x射线。他发现其中包含有两种不同频率的成分，一种频率和原来人射的X射线的频率相同，而另一种则比原来人射的射线的频率小
7、。这种频率的改变和散射角有一定的关系。对于第一种不改变频率的成分可用通常的波动理论来说明，由于根据光的波动理论，散射不会改变进射光的频率。而实验中出现的、第二种频率变小的成分却令人费解，它无法用经典的概念来说明。面对这种实验所观测到的事实，康普顿于1923年提出了自己的解释。他以为这种现象是由光量子和电子的相互碰撞引起的。光量子不仅具有能量，而且具有某些类似力学意义的动量，在碰撞过程中，光子把一部分能量传递给电子，减少了它的能量，因而也就降低了它的频率。另外，根据碰撞粒子的能量和动量守恒，可以导出频率改变和散射角的依靠关系，这也就能很好地说明了康普顿所观测到的事实。这样一来，人们不得不承认：光
8、除了具有早巳熟知的波动性以外，还具有粒子的性质。这就说明了一束光是由互相分离的若干粒子所组成的，这种粒子在很多方面表现出和通常物质的粒子具有同样的性质。康普顿的这一科学研究成果，陆陆续续发表在很多期刊上。1926年他又把先后发表的论文综合起来写成 X射线与电子一书。1923年，康普顿接受了芝加哥大学物理学教授职位(RA密立根曾经担任过这一职位)，同迈克尔逊共事。在这里担，他把自己的第一项研究定名为“康普顿效应”。由于他对“康普顿效应”的一系列实验及其理论解释，因此与英国的ATR威尔逊一起分享了1927年度诺贝尔物理学奖金，这时他年仅35岁。同年，他被选为美国国立科学院院士，1929年景为CH斯
9、威夫特(CHSvift)讲座教授。1930年，康普顿改变了自己的主要爱好，从研究X射线转为研究宇宙射线。这是由于宇宙射线中的高能射线和电子的相互作用是“康普顿效应”的一个重要方面(今天高能电子与低能光子相互作用的反康普顿效应是天文物理学的重要研究课题)。第二次世界大战期间，很多物理学家都关心“铀的题目”，康普顿更不例外。1941年1月6日，康普顿作为国立科学院铀委员会主席，发表了一篇关于原子能的军事潜力的报告，这篇报告促进了核反应堆和原子弹的发展。劳伦斯在加利福尼亚大学发现钚，不久，曼哈顿工区冶金实验室负责生产钚，这些方面的工作主要也是由康普顿和劳伦斯领导的。费米设计的第一个原子核链式反应堆，
10、也曾受到康普顿的支持和鼓励。战争末期，康普顿接受了圣路易斯华盛顿大学校长的职位。25年前，他正是在该校做出了最大的物理发现“康普顿效应”。1954年，康普顿到了应从大学行政领导岗位上退休的年龄了。退休后，他继续讲学、教书并撰写著作。在此期间他发表了原子探索一书，这是一部名著，它完整而系统地汇集了战争期间曼哈顿计划中所有同事的研究成果。他所发现的“康普顿效应”是发展量子物理学的核心。他的这一发现为自己在伟大科学家的行列中取得了无可争辩的地位。 康普顿效应 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射.康普顿效应，19221923年康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石
11、蜡等)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。实验结果：1)散射光中除了和原波长0相同的谱线外还有0的谱线。2)波长的改变量=-0随散射角(散射方向和进射方向之间的夹角)的增大而增加。3)对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量相同。波长为的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。康普顿利用光子理论成功地解释了这些实验结果。X射线的散射是单个电子和单个光子发生弹性碰撞的结果，碰撞前后动量和能量守恒。 康普顿散射只有在进射光的波长与电子的康普顿波长相相比时，散射才明显，这就是选用X射线观察康普顿效应的原
12、因。而在光电效应中，进射光是可见光或紫外光，所以康普顿效应不明显。康普顿效应和光电效应都为光的粒子性提供了令人信服的证据。然而，康普顿效应比光电效应更前进了一步，由于在解释康普顿效应时不但要考虑能量守恒，还要考虑动量守恒。这个效应既说明了光的粒子性，也必须承认光的波动性，由此它为光的波粒二象性及德布罗意物质波假说提供了更完全的证据。这个效应是阿瑟康普顿历经5年的曲折才发现的。它公布于1923年，确证于1926年，1927年即获得诺贝尔物理学奖，说明这一成果影响之大，有人甚至把康普顿效应看成是物理学的转折点之一。 阿瑟康普顿是在研究X射线散射的过程中发现康普顿效应的。他的兄长卡尔康普顿(Karl
13、 Taylor Compton，18871954)也是著名的物理学荚冬可以说是阿瑟康普顿早期的引路人。阿瑟康普顿在大学生时期就跟随卡尔康普顿对X射线开始了研究。那时卡尔康普顿正在著名热电子学专家里查森(OWRichardson)指导下做硕士论文，弟弟经常协助哥哥调整X射线光谱仪，从而学到了很多知识和技术。1913年，阿瑟康普顿从伍斯特学院毕业后，进普林斯顿大学当研究生，选题就是X射线。他在1917年发表博士论文，题为X射线反射的强度以及原子中电子的 分布 。显然，从一开始他就认定工作方向为研究X射线的本性，并由此对物质结构进行探讨。 1919年，阿瑟康普顿和卡尔康普顿对当时最灵敏的电测仪器一象
14、限静电计做了重大改进。他们把静电计中四个象限电极中间的一个改为可以上下自由升降，并且还略微有点倾斜。于是就大大进步了象限静电计的电压灵敏度。这种静电计被人们称为康普顿静电计，后来在精密丈量中得到了广泛应用。在1923年5月的物理评论上，阿瑟康普顿(以下简称康普顿)以X射线受轻元素散射的量子理论为题，用光量子假说对他发现的效应做出解释，与分别为X射线在散射后和散射前的波长，为散射角，h为普朗克常量，m为电子静止质量，c为真空中光速。因此，散射使X射线波长增加了(mc)(1cos) 康普顿把基本常量、m、c的数值代上式，即 .024 2(1cos)，单位是 (埃) 由此可见，波长差仅与散射角度有关
15、，与进射射线的波长无关。这一简单的推理对于现代物理学来说早已成为普通常识，可是，康普顿却是得来不易的。这类现象的研究经历了一二十年，到1923才由康普顿做出正确结论，而康普顿自己也走了5年的曲折道路，并且在做出发现之后还经历了一场风波。从(131)式可知，波长的改变决定于角度，与进射射线的波长久。无关。也就是说，对于某一角度，波长改变的尽对值是定的。进射射线的波长越短，波长变化的相对值也就越大。我们知道，射线的波长比X射线小一两个量级，可以推测，康普顿效应对于射线要比X射线明显。正是由于这个缘故，早在1904年，即康普顿发现康普顿效应的19年前，英国物理学家伊夫(ASEve)就在研究射线的吸收
16、和散射性质时首先发现了康普顿效应的迹象。那时，射线还刚刚发现，除了穿透力极强以外，对于射线的特性可以说是一无所知，更不了解它和X射线只不过是波长不同的电磁波。伊夫发现，散射后的射线往往比进射射线要“软”些。后来，射线的散射题目经过多人研究，始终未能查明题目的实质。当时人们尚未判明X射线和射线的本质，不知道它们是不同波长的电磁辐射，只能唯象地总结实验现象。 1919年，康普顿已回美国圣路易斯的华盛顿大学，他立即用X射线检验他在剑桥大学用射线做的散射实验结果。他发现，晶体反射的单色X射线也能激发他所谓的荧光辐射，并且他还发现这种X辐射具有偏振性。 康普顿的解释固然有错，但在实验结果上却比别人前进了
17、很多。他所以能在实验上取得优先于他人的成果，主要靠的是多年从事X射线研究的实际经验，特别是他拥有一台特制的X射线分光仪，电离计的电离电流用他两兄弟创制的可调式静电计丈量，X射线管是他自己特殊设计和制作的(图134)，X射线的强度比普通X射线管高出102倍。经过多次精细的实验，康普顿得到了明确的结论，散射的波长比进射的波长更长，波长的改变量只决定于散射角，所得曲线如图135所示。 从1918年到1922年，康普顿发表过一系列论文，讨论二次辐射的软化题目，除了上述的荧光辐射理论外，还提出过大电子模型。他设想电子具有一定的大小和外形，以为只要电子的电荷 分布 区域的半径与射线的波长大小可相比，就可以
18、在经典电动力学的基础上解释高频辐射的散射。他为了解释荧光辐射的频率变低，曾试图用多普勒效应进行计算，在计算中，他把X射线对散射物质中电子的作用看成是一个量子过程。开始他用能量h = mv2进行计算，结果与实际不符。后来，他终于采用两个守恒条件，假设光子与电子在碰撞过程中既要遵守能量守恒，又要遵守动量守恒。从而做出了X射线散射过程中会出现量子现象的重大发现。从历史资料可以看出，康普顿的发现是独立做出的。他显然不了解爱因斯坦早在1916年就发表在德文物理学杂志上的那篇著名论文关于辐射的量子理论。在文中，爱因斯坦把光子看成是能够“在辐射束传播方向上，传递给分子的冲量的客体”。至于光 电效应的光量子理
19、论，康普顿肯定是知道的，由于他的哥哥卡尔康普顿做博士论文就是验证这一理论。康普顿从经典理论开始，转变为采用量子假说，直至为发展量子理论做出贡献，是经过一番曲折的。应该说，康普顿的成功，首先应当回功于他高超的实验技术、周密的研究和长期的探索。再就是，在几经挫折之后，他有魄力做出断然的扬弃，创造性地提出了新的量子假说。实在，早在19201921年间，格丁根大学教授德拜(PDebye)就在讨论爱因斯坦光量子理论时，作为一个推论，得到了同样的结果，并曾向他的合作者舒勒(PScherrer)建议做一个实验检验波长是否真的有变化。由于这一实验一直没有做，德拜也就没有发表自己的结果，直到1922年10月康普
20、顿发表实验的明确结论之后，德拜留意到这一结论正与自己的见解不谋而合，马上发表了自己的论文。也许有人会问，是否应该称为康普顿一德拜效应?对此，德拜谦逊地表明了自己的态度。1962年5月8日，他跟库恩(TSKuhn)与乌兰贝克(GEUhlenbeck)谈话时，强烈反对这样做。他表示，工作做得最多的是康普顿，把这个效应称为康普顿效应是理所当然的。 康普顿和德拜的论文在欧洲，特别是德国产生了巨大反响。这时正好索末菲访问美国。他在美国巡回演讲，每到一处，都要宣传康普顿效应的意义。在斯坦福大学，他极力劝说罗斯(Ross)验证康普顿的实验结果。这里我们要特别提到爱因斯坦对康普顿效应的看法。正如上述，1916
21、年爱因斯坦进一步发展了光量子理论，根据他的建议，波特和盖革曾经试图用实验检验经典理论和光量子理论孰是孰非，但没有成功。当1923年爱因斯坦得知康普顿的结果时，他热忱地宣传和赞扬康普顿的发现，多次在会议和报刊上提到它的重要意义。例如，他在1924年4月20日的柏林日报副刊内发表了题为康普顿的实验的文章，文中写道：“现在有两种关于光的理论，全都是不可缺少的，而且没有任何逻辑联系固然经过理论物理学家们的20年的巨大努力，我们今天还必须予以承认。量子理论还使玻尔的原子理论成为可能，并且解释那么多事实，以至于它包括了大量的真理。考虑到这些事实，思考把投射体的性质赋予光粒子或光量子究竟还应走多远，这该成为
22、极其重要的题目了“康普顿实验的正效果证实，辐射不但在能量传递方面，而且对于碰撞中的相互作用来说，辐射也表现得似乎是由一些分立能量投射体所组成的一样。”康普顿效应的发现向物理学界提出了一个基本题目，就是如何同一粒子理论和波动理论，如何对待辐射的不连续性和连续性。面对错综复杂的事实，物理学应向何处发展?可以这样说，康普顿效应的发现大大加强了人们对波粒二象性的熟悉，从而促使了新理论的发展。康普顿效应发现之后的新进展在康普顿科学论文集的序中，香克兰(RSShankland)先容了康普顿效应发现之后的新进展，他写道： “1923年，在康普顿效应发现之后不久，康普顿教授转到了芝加哥大学，接替密立根任教授职
23、务。他在芝加哥的最初5年，跟一些研究生一起，继续对康普顿效应进行实验，其中包括对X射线经很多元素散射的具体研究，既涉及康普顿变线，这主要是由自由电子的散射引起的，也涉及不变的汤姆生散射，这依靠于原子中所有电子的 分布 。吴(有训)从一系列散射体对变线和不变线的相对强度做了具体研究，全都证实了康普顿理论的预言。由于玻尔一克拉默斯一斯莱特理论引起了是否需要用严格的光子相互作用遵守能量和动量守恒定律才能说明康普顿的波长位移这一题目，又开展一些实验以检验这一点。在康普顿的实验室里，本内特(RDBennett)用盖革点计数器观测到被散射光子和反冲康普顿电子的同时性。不过，解决这个题目最有决定意义的实验是
24、由玻特(Bothe)和盖革在柏林做的。这个实验直接揭示了反冲电子与被散射光子对在同时出现，确实是按照守恒定律要求的那样，纪录了66次在0001s内的重合。同时，康普顿与希蒙(AWSimon)用威尔逊云室实验找到了被散射光子和反冲电子之间理论预计的角度关系有18例在理论角度的20内。几年之后，1934年我(即香克兰)当时是康普顿教授的研究生之一。他建议我用盖革一米勒计数器同时证实被散射光子与反冲电子时间的重合性和角度关系是否如理论所预计。这一实验早期的一些结果似乎支持玻尔一克拉默斯一斯莱特假说，但是在改进了技术之后，证实被散射光子和反冲电子的时间重合性是在 s，与此同时，康普顿理论预期的角度证实
25、是在10。玻尔一克拉默斯一斯莱特则试图从另一渠道解释康普顿的实验结果。他们以为没有必要把X射线光子看成是粒子。为此，他们建议在个别事件中动量和能量不一定严格守恒，而仅是在统计均匀上服从这些定律。他们在辐射场中引进了虚振子的概念，尽管后来的实验否定了他们的理论，虚振子概念对量子力学的发展起了很大作用，甚至于量子电动力学中还在运用。 1927年，薛定谔证实波动力学也能解释康普顿的结果，只要把散射X射线看成是德布罗意波，就可计算出波长的改变。然而，在薛定谔的论文出现之前，康普顿早期的粒子理论对量子力学的发展已经起了决定性的影响。”康普顿效应的研究对量子力学的发展起了什么决定性的影响呢?香克兰是这样评
26、论的：“康普顿效应决定性地证实了http:/ 度函数的微分散射截面都不能精确地做出预言。还有其他的一些重要现象指引理论发生变革，不久新量子力学发展起来了，很快出现了很多新的结果。而康普顿效应确实在激励这一重大进展方面起了重要作用。由于它是辐射与物质间如此基本的相互作用，以至于任何可接受的理论都必须精密而正确地解释它的所有的特性。这一精密而正确的解释终极从新的量子力学获得的一些基本结果得到了。 狄拉克 的相对论性电子理论，包括了电子自旋效应，导出了康普顿散射截面的克莱因一仁科(KleinNishina)公式。更重要的是， 狄拉克 辐射场的量子化，对波动性和粒子性做了同一描述，这正是康普顿效应所要
27、求的。再有，当温策尔(CWentzel)把这一理论用之于X射线受束缚电子散射时，就可以把变线和不变线全部解释清楚了。”这些关键性的进展，都是与康普顿效应的发现有关联的。康普顿效应的发现被看成是物理学的转折点之一，难道不是很有道理吗? 对于康普顿效应的研究过程，我们愿意特别指出，在众多的支持者中，有中国学者参加并做出了积极贡献。他就是我们的科学前辈吴有训(18971977)。他以精心的实验、细致的研究和严密的分析，证实了康普顿效应的普遍性，驳斥了对康普顿效应的各种否定，发展了X射线散射理论。当然，吴有训对康普顿效应的研究只是众多科学家集体工作的一部分，但却是在关键的时候在关键的题目上做出的涉及全
28、局的一部分。1897年4月26日，吴有训出生于江西省高安县的农村里，1916年他以优异的成绩毕业于南昌二中，同年考进南京高等师范学校理化部，在那里受教于刚从美国哈佛大学回国的胡刚复。胡刚复曾从事X射线研究，熟悉国际上物理学发展动态。吴有训在胡刚复的指导下，对X射线有了基本了解，为后来的发展打下了良好基础。由于在农村养成了勤劳朴实的作风，他对动手实验有浓厚的爱好，在实际工作中表现出超群的才能。同时他对学习锲而不舍，有顽强的钻研精神。在胡刚复的指点下，1921年他以优异的成绩考取了江西官费留学，1922年赴美人芝加哥大学。正好这时美国的X射线专家康普顿教授到这所大学任教，吴有训成了他的研究生。吴有
29、训在康普顿的指导下，很快成为一名X射线散射实验的能手，协助康普顿进行X射线研究工作。康普顿是在1923年5月公布X射线被电子散射后波长变长的事实，并且用量子理论做出解释的。这篇论文立即引起了科学界的轰动。由于这是涉及量子理论的一个极其新奇的实验事实。有的科学家为之欢呼，也有一些科学家站在经典物理学的态度上，对量子理论抱有成见，在新事物眼前持怀疑态度。他们怀疑康普顿效应的真实性。就在这年年底，在美国科学院院刊上连续刊登两位美国物理学家的重头论文，宣称没有观测到康普顿所述的现象，只有他们所谓的“三次效应”，其谱线十分精细而杂略冬根本不遵循康普顿提出的规律。这无疑是公布康普顿的发现是假的。这些论文的
30、作者之一是美国著名X射线专家、哈佛大学教授杜安(Duane)，他在国际上很有名看，吴有训的老师胡刚复正是在他的指导下获得博士学位的。由杜安出面对康普顿效应提出否定的论断，对于康普顿和他的合作者显然是一场严重的挑战。吴有训本着“吾爱吾师，吾更爱真理”的精神，勇敢地接受了这一挑战。他改进了康普顿的方法，用多种材料作为散射物，分别进行X射线散射实验，取得了 大量确凿的实验数据，证实康普顿效应对所有物质都是有效的。他以雄辩的事实无可置疑地证实了康普顿效应的普遍性。可是杜安等人并未服气，他们又提出一个论点，说康普顿宣称的效应可能是由于X射线管是放在镶有木材的箱子里，木材含有碳氢化合物，因而造成了假象。针
31、对这一论点，吴有训又做了对比实验，证实“箱子效应”并不存在。这样一来，吴有训就成了康普顿一杜安之争中人们密切关注的人物。由于正是这位年轻的中国学者做出了解决这场争论的关键实验。他的论文在美国、英国和德国的杂志上发表，他的实验结果被很多书刊转载或引述。1925年11月27日，美国物理学会第135届会议在芝加哥学召开。吴有训的康普顿效应中变线与不变线间的强度 分布 一文作为首篇论文在会议上宣读，次年又作为首篇论文全文表于物理评论第27卷1926年2月刊上。从这里可以看出，吴有训的工作受到了何等的重视。什么叫变线和不变线呢?这是康普顿对散射曲线中的两个峰取的专有名词。X射线被物质散射后，经衍射仪分解
32、，散射强度与衍射角度(相当于波长)的关系做成曲线，一般会形成两个峰，一个峰的位置与初始射线一样，康普顿称之为不变线，另一个峰会随散射角变化，称之为变线。不变线与变线的强度比有重要的研究价值，由于这个比值能说明康普顿效应的机理，可以由此进一步探讨康普顿效应的量子理论。吴有训第一个对这一比值进行严密的定量丈量。其他研究过这个题目的人，包括康普顿自己，他们的方法和正确度都不及吴有训的细致和可靠。1926年6月，美国物理学会召开第140届会议，吴有训参加了。在会上吴有训一个人就宣读了三篇论文。他这时已是众看所回的物理学荚冬倍受物理学界推崇。他的一幅以15种元素作为散射物所得的X射线散射光谱曲线(图13
33、9)在康普顿1926年的专著X射线与电子一书中首次公布，这张光谱图和康普顿本人在1923年最早发表的石墨散射曲线一起，一直被人们作为说明康普顿效应的经典插图，广为引用。中国人和国际上著名的科学家同登空钩、并列文榜，这在21世纪的今天早已是十分平常的事，可是，那是在20世纪20年代，中国人刚刚进进现代科学的领域，吴有训，这位初出茅庐20多岁的中国学者，没有辜负全国父老的嘱托，奋发图强，做出了让外国人惊奇的业绩，显示了中国人的聪明才智，大长了中国人向科学进军的士气，打开了中国人通向科学高峰的先河。1925年6月，吴有训以康普顿效应为题通过了博士论文答辩。其后作为康普顿的助手，留在芝加哥大学任教。但
34、是他立意要致力于开创中国自己的科学事业，回国心切。他谢尽了康普顿的好意挽留，于1926年秋回国。这时，康普顿效应的发现已经得到公认，康普顿于1927年荣获诺贝尔物理学奖，而吴有训也因此蜚声中外。 Compton effect 康普顿散射(Compton scattering) ，短波电磁辐射(如X射线，伽玛射线)射进物质而被散射后，除了出现与进射波同样波长的散射外，还出现波长向长波方向移动的散射现象。1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长l0的x光外，还产生了波长ll0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现
35、象称为康普顿效应(compton effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应碰到了困难。康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释.我国物理学家吴有训也曾对康普顿散射实验作出了杰出的贡献。对康普顿散射现象的研究经历了一、二十年才得出正确结果。康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。这在物理学发展史上占有重要的位置。光子在介质中和物质微粒相互作用时，可能使得光向任何方向传播，这种现象叫光的散射 1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现，有些散射波的波长比进射波的波长略大，他以为这是光子和电子碰撞时
36、，光子的一些能量转移给了电子，康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒按照这个思想列出方程后求出了散射前后的波长差，结果跟实验数据完全符合，这样就证实了他的假设。这种现象叫康普顿效应。在1923年5月的物理评论上，A.H.康普顿以X射线受轻元素散射的量子理论为题，发表了他所发现的效应，并用光量子假说作出解释。他写道（A.H.Compton，Phys.Rev.，21（1923）p.）“从量子论的观点看，可以假设：任一特殊的X射线量子不是被辐射器中所有电子散射，而是把它的全部能量耗于某个特殊的电子，这电子转过来又将射线向某一特殊的方向散
37、射，这个方向与进射束成某个角度。辐射量子路径的弯折引起动量发生变化。结果，散射电子以一即是X射线动量变化的动量反冲。散射射线的能量即是进射射线的能量减往散射电子反冲的动能。由于散射射线应是一完整的量子，其频率也将和能量同比例地减小。因此，根据量子理论，我们可以期待散射射线的波长比进射射线大”，而“散射辐射的强度在原始X射线的前进方向要比反方向大，正如实验测得的那样。”解释射线方向和强度的 分布 ，根据能量守恒和动量守恒，考虑到相对论效应，得散射波长为：即=-0=(2h/mc)sin2(/2) 为进射波长0与散射波长之差，h为普朗克常数，c为光速m为电子的静止质量，为散射角。这一简单的推理对于现
38、代物理学家来说早已成为普通常识，可是，康普顿却是得来不易的。这类现象的研究历经了一、二十年、才在1923年由康普顿得出正确结果，而康普顿自己也走了5年的弯路，这段历史从一个侧面说明了现代物理学产生和发展的不平坦历程。 从上式可知，波长的改变决定于，与0无关，即对于某一角度，波长改变的尽对值是一定的。进射射线的波长越小，波长变化的相对值就越大。所以，康普顿效应对射线要比X射线明显。历史正是这样，早在1904年，英国物理学家伊夫（A.S.Eve）就在研究射线的吸收和散射性质时，首先发现了康普顿效应的迹象。镭管发出射线，经散射物散射后投向静电计。在进射射线或散射射线的途中插一吸收物以检验其穿透力。伊
39、夫发现，散射后的射线往往比进射射线要“软”些。（ A.S.Eve，Phil.Mag.8（1904）p.669.）后来，射线的散射题目经过多人研究，英国的弗罗兰斯（D.C.H.Florance）在1910年获得了明确结论，康普顿效应证实散射后的二次射线决定于散射角度，与散射物的材料无关，而且散射角越大，吸收系数也越大。所谓射线变软，实际上就是射线的波长变长，当时尚未判明射线的本质，只好根据实验现象来表示。1913年，麦克基尔大学的格雷（J.A.Gray）又重做射线实验，证实了弗罗兰斯的结论并进一步精确丈量了射线强度。他发现：“单色的射线被散射后，性质会有所变化。散射角越大，散射射线就越软。”（J
40、.A.Gray，Phil.Mag.，26（1913）p.611.） 实验事实明确地摆在物理学家眼前，可就是找不到正确的解释。1919年康普顿也接触到散射题目。他以精确的手段测定了射线的波长，确定了散射后波长变长的事实。后来，他又从射线散射转移到X射线散射。钼的K线经石墨晶体散射后，用游离室进行丈量不同方位的散射强度。通过康谱顿发表的部分曲线可以看出，X射线散射曲线明显地有两个峰值，其中一个波长即是原始射线的波长（不变线），另一个波长变长（变线），变线对不变线的偏离随散射角变化，散射角越大，偏离也越大。康普顿的学生，从中国赴美留学的吴有训对康普顿效应的进一步研究和检验有很大贡献，除了针对杜安的否
41、定作了很多有说服力的实验外，还证实了康普顿效应的普遍性。他测试了多种元素对X射线的散射曲线，结果都满足康普顿的量子散射公式。康普顿和吴有训1924年发表的论文题目是：被轻元素散射时钼K线的波长。（ Y.H.WProc.Nat.Acad.Sei，10（1924）p.27.）他们写道：“这张图的重要点在于：从各种材料所得之谱在性质上几乎完全一致。每种情况，不变线P都出现在与荧光MoKa线（钼的K谱线）相同之处，而变线的峰值，则在答应的实验误差范围内，出现在上述的波长变化量子公式所预计的位置M上。” 吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于测定了X射线散射中变线、不变线的强度比率R随散射物原子序数变化的曲
42、线，证实并发展了康普顿的量子散射理论。 爱因斯坦在肯定康普顿效应中起了特别重要的作用。前面已经提到，1916年爱因斯坦进一步发展了光量子理论。根据他的建议，玻特和盖革（Geiger）也曾试图用实验检验经典理论和光量子理论谁对谁非，但没有成功。当1923年爱因斯坦获知康普顿实验的结果之后，他热忱地宣传和赞扬康普顿的实验，多次在会议和报刊上谈到它的重要意义。爱因斯坦还提醒物理学者留意：不要仅仅看到光的粒子性，康普顿在实验中正是依靠了X射线的波动性丈量其波长。他在1924年4月20日的柏林日报副刊上发表题为康普顿实验的短文，有这样一句话：“最最重要的题目，是要考虑把投射体的性质赋予光的粒子或光量子，
43、究竟还应当走多远。”（R.S.Shankland（ed.），Scientific Papers of A.H. Compton，Univ.of Chicago Press，（1973）正是由于爱因斯坦等人的努力，光的波粒二象性迅速获得了广泛的承认。实验结果： 1)散射光中除了和原波长0相同的谱线外还有0的谱线。2)波长的改变量=-0随散射角(散射方向和进射方向之间的夹角)的增大而增加3)对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量相同。波长为的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小.康普顿利用光子理论成功地解释了这些实验结果。X射线的散射是单个电子和单个光子发生弹性碰撞的结果。碰撞前后动量和能量守恒，化简后得到=-0=(2h/m0c)sin2(/2) 称为康普顿散射公式。=h/(m0c) 称为电子的康普顿波长。 特别声明： 1：资料来源于互联网，版权归属原作者 2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关 3：如有侵权，请告知，立即删除。
