康普顿效应 (1),康普顿效应1.2倍

('康普顿效应阿瑟·康普顿的兄长卡尔·康普顿（KarlTaylorCompton,1887-1954）也是著名的物理学家，当过麻省理工学院院长，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（O.W.Richardson）指导下做硕士论文，弟弟经常协助哥哥调整X射线光谱仪，从而学到了许多知识和技术。1913年阿瑟·康普顿从伍斯特学院毕业后，入普林斯顿大学当研究生，选题就是X射线。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。他也正是在研究X射线散射的过程中发现康普顿效应的。阿瑟·康普顿ArthurHollyCompton1892-1962美国芝加哥大学实验物理学家X射线研究1927年诺贝尔物理学奖-因发现康普顿效应1892年9月10日出生于美国俄亥俄州伍斯特一个哲学教授的家庭里，父亲是伍斯特学院院长，兄弟三人后来都当过大学校长。1916年在普林斯顿大学得博士学位，后在明尼苏达大学任教。1920年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任。1923年起任芝加哥大学物理系教授。1945年起任华盛顿大学校长。1953-1961年改任自然科学史教授。1962年3月15日在伯克利加利福尼亚大学作系统讲演期间逝世，享年70图9.1康普顿岁。康普顿对X射线散射现象做过深入的研究。1919年，A.H.康普顿和和他的兄长K.T.康普顿对当时最灵敏的电测仪器-象限静电计作了重大改进，正是由于采用了这一仪器，他从比别人精确的结果中发现了康普顿效应。1930年以后，康普顿的主要研究兴趣转入宇宙线领域，他根据从世界各地收集的资料，研究了宇宙线的强度随地球纬度和高度的变化，指出宇宙线不是来自太阳系，也不是来自银河系，而是来自更远的太空。他还根据宇宙线强度和地磁纬度的关系，提出宇宙线是初始能量极高的带电粒子。康普顿由于发现了X射线光子和电子作弹性碰撞的效应（这个效应即以他的名字命名），与C.T.R.威尔逊分享了1927年诺贝尔物理学奖。1919年，康普顿进入英国剑桥大学卡文迪什实验室学习。这时正好卢瑟福从曼彻斯特转到剑桥，接替J.J.汤姆生当卡文迪什实验室教授。康普顿和J.J.汤姆生与卢瑟福建立了真诚友谊，图9.2康普顿自制的X射线管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g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g射线的波长确定了g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g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射，其强度与性质均随角度变化，与散射物质无关。康普顿回到美国圣路易斯的华盛顿大学后，立即用X射线检验他在剑桥大学用g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。经过多次精细的实验，康普顿得到了明确的结论，散射的波长比入射的波长更长，波长的改变量只决定于散射角（所得曲线如图9.3）。图9.3康普顿的X射线散射曲线1923年5月，康普顿在《物理评论》上以“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，推出了如下方程：（9－1）其中lq与l0分别为X射线在散射后和散射前的波长，q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Dl＝lq-l0＝(h/mc)(1-cosq)。（9－2）康普顿把基本常量h，m，c的数值代入上式，即得Dl＝lq-l0＝0.0242(1-cosq)，单位是埃格斯特朗（Å）由此可见，波长差仅与散射角度q有关，与入射射线的波长无关。他采用两个守恒条件，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。从而作出了X射线散射过程中会出现量子现象的重大发现。图9.5康普顿正在操纵X射线光谱仪图9.6康普顿的X射线实验室康普顿之所以能在实验上取得优于他人的成果，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测量，X射线管是他自己特殊设计和制作的，X射线的强度比普通X射线管高出百倍。经过多次精细的实验，康普顿得到了明确的结论，散射的波长比入射的波长更长，波长的改变量只决定于散射角。再就是他根据确凿的实验数据，毅然抛弃了经典理论，勇敢地运用量子理论做出解释，从而取得了突破性的成果。从历史资料可以看出，康普顿的发现是独立作出的。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论，康普顿肯定是知道的，因为他的大哥卡尔•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作出贡献，是经过一番曲折的。应该说康普顿的成功，首先应当归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，他有魄力作出断然的扬弃，创造性地提出了新的量子假说。X射线的进一步研究，导致了康普顿效应的发现。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，因为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。康普顿效应宣布于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。康普顿效应的发现向物理学界提出了一个基本问题，就是如何统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认识，从而促使了新理论的发展。这个新理论就是量子力学！其实，早在1920-1921年间，格丁根大学教授德拜（P.Debye）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（P.Scherrer）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月康普顿发表实验的明确结论之后，德拜注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-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（T.S.Kuhn）与乌兰贝克（G.E.Uhlenbeck）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。发现康普顿效应的初步反应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。1916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：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（R.S.Shankland）介绍了康普顿效应发现之后的新进展，他写道：“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--虽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，这该成为极其重要的问题了……“康普顿实验的正效果证明，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，辐射也表现得好象是由一些分立能量投射体所组成的一样。”“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务。他在芝加哥的最初五年，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射线经许多元素散射的详细研究，既涉及康普顿变线，这主要是由自由电子的散射引起的，也涉及不变的汤姆孙散射，这依赖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作了详细研究，全都证实了康普顿理论的预言。由于玻尔-克拉默斯-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问题，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（R.D.Bennett）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，解决这个问题最有决定意义的实验是由波特（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0.001秒内的重合。同时康普顿与希蒙（A.W.Simon）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（按：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-米勒计数器同时证明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-克拉默斯-斯莱特假说，但是在改进了技术之后，证明被散射光子和反冲电子的时间重合性是在10-4s，与此同时，康普顿理论预期的角度证明是在±10°。玻尔-克拉默斯-斯莱特则试图从另一渠道解释康普顿的实验结果。他们认为没有必要把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，而仅是在统计平均上服从这些定律。他们在辐射场中引入了虚振子的概念，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年薛定谔证明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。”',)