介紹對康普頓散射現(xiàn)象的研究經(jīng)歷了一、二十年才得出正確結(jié)果。 康普頓效應(yīng)第一次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛因斯坦提出的關(guān)于光子具有動(dòng)量的假設(shè)。這在物理學(xué)發(fā)展史上占有極端重要的位置。光子在介質(zhì)中和物質(zhì)微粒相互作用時(shí)，可能使得光向任何方向傳播，這種現(xiàn)象叫光的散射． 1922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨中的電子對X射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)，有些散射波的波長比入射波的波長略大，他認(rèn)為這是光子和電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，康普頓假設(shè)光子和電子、質(zhì)子這樣的實(shí)物粒子一樣，不僅具有能量，也具有動(dòng)量，碰撞過程中能量守恒，動(dòng)量也守恒。短波長電磁輻射射入物質(zhì)而被散射后，在散射波中，除了原波長的波以外，還出現(xiàn)波長增大的波，散射物的原子序數(shù)愈大，散射波中波長增大部分的強(qiáng)度和原波長部分的強(qiáng)度之比就愈小。按照這個(gè)思想列出方程后求出了散射前后的波長差，結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合，這樣就證實(shí)了他的假設(shè)。這種現(xiàn)象叫康普頓效應(yīng)。 發(fā)現(xiàn)
1922～1923年康普頓研究了X射線被較輕物質(zhì)(石墨、石蠟等)散射后光的成分，發(fā)現(xiàn)散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外，還有波長較長的成分。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓效應(yīng)?？灯疹D將0.71埃的X光投射到石墨上，然后在不同的角度測量被石墨分子散射的X光強(qiáng)度。當(dāng)θ=0時(shí)，只有等于入射頻率的單一頻率光。當(dāng)θ≠0（如45°、90°、135°）時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在兩種頻率的散射光。一種頻率與入射光相同，另一種則頻率比入射光低。后者隨角度增加偏離增大。 康普頓效應(yīng)發(fā)現(xiàn)過程
在1923年5月的《物理評論》上，A.H.康普頓以《X射線受輕元素散射的量子理論》為題，發(fā)表了他所發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)，并用光量子假說作出解釋。他寫道（A.H.Compton，Phys.Rev.，21（1923）p.）： “從量子論的觀點(diǎn)看，可以假設(shè)：任一特殊的X射線量子不是被輻射器中所有電子散射，而是把它的全部能量耗于某個(gè)特殊的電子，這電子轉(zhuǎn)過來又將射線向某一特殊的方向散射，這個(gè)方向與入射束成某個(gè)角度。輻射量子路徑的彎折引起動(dòng)量發(fā)生變化。結(jié)果，散射電子以一等于X射線動(dòng)量變化的動(dòng)量反沖。散射射線的能量等于入射射線的能量減去散射電子反沖的動(dòng)能。由于散射射線應(yīng)是一完整的量子，其頻率也將和能量同比例地減小。因此，根據(jù)量子理論，我們可以期待散射射線的波長比入射射線大”，而“散射輻射的強(qiáng)度在原始X射線的前進(jìn)方向要比反方向大，正如實(shí)驗(yàn)測得的那樣?！?/font> 康普頓用圖（見右）
即Δλ=λ-λ0=(2h/mc)sin^2(θ/2)
這一簡單的推理對于現(xiàn)代物理學(xué)家來說早已成為普通常識(shí)，可是，康普頓卻是得來不易的。這類現(xiàn)象的研究歷經(jīng)了一、二十年、才在1923年由康普頓得出正確結(jié)果，而康普頓自己也走了5年的彎路，這段歷史從一個(gè)側(cè)面說明了現(xiàn)代物理學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的不平坦歷程。
從上式可知，波長的改變決定于θ，與λ0無關(guān)，即對于某一角度，波長改變的絕對值是一定的。入射射線的波長越小，波長變化的相對值就越大。所以，康普頓效應(yīng)對γ射線要比X射線顯著。歷史正是這樣，早在1904年，英國物理學(xué)家伊夫（A.S.Eve）就在研究γ射線的吸收和散射性質(zhì)時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)的跡象。鐳管發(fā)出γ射線，經(jīng)散射物散射后投向靜電計(jì)。在入射射線或散射射線的途中插一吸收物以檢驗(yàn)其穿透力。伊夫發(fā)現(xiàn)，散射后的射線往往比入射射線要“軟”些。（ A.S.Eve，Phil.Mag.8（1904）p.669.） 后來，γ射線的散射問題經(jīng)過多人研究，英國的弗羅蘭斯（D.C.H.Florance）在1910年獲得了明確結(jié)論， 證明散射后的二次射線決定于散射角度，與散射物的材料無關(guān)，而且散射角越大，吸收系數(shù)也越大。
1913年，麥克基爾大學(xué)的格雷（J.A.Gray）又重做γ射線實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了弗羅蘭斯的結(jié)論并進(jìn)一步精確測量了射線強(qiáng)度。他發(fā)現(xiàn)：“單色的γ射線被散射后，性質(zhì)會(huì)有所變化。散射角越大，散射射線就越軟?！保↗.A.Gray，Phil.Mag.，26（1913）p.611.）所謂射線變軟，實(shí)際上就是射線的波長變長，當(dāng)時(shí)尚未判明γ射線的本質(zhì)，只好根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來表示。 實(shí)驗(yàn)事實(shí)明確地?cái)[在物理學(xué)家面前，可就是找不到正確的解釋。1919年康普頓也接觸到γ散射問題。他以精確的手段測定了γ射線的波長，確定了散射后波長變長的事實(shí)。后來，他又從γ射線散射轉(zhuǎn)移到X射線散射。鉬的Kα線經(jīng)石墨晶體散射后，用游離室進(jìn)行測量不同方位的散射強(qiáng)度。通過康譜頓發(fā)表的部分曲線可以看出，X射線散射曲線明顯地有兩個(gè)峰值，其中一個(gè)波長等于原始射線的波長（不變線），另一個(gè)波長變長（變線），變線對不變線的偏離隨散射角變化，散射角越大，偏離也越大。 康普頓的學(xué)生，從中國赴美留學(xué)的吳有訓(xùn)對康普頓效應(yīng)的進(jìn)一步研究和檢驗(yàn)有很大貢獻(xiàn)，除了針對杜安的否定作了許多有說服力的實(shí)驗(yàn)外，還證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性。他測試了多種元素對X射線的散射曲線，結(jié)果都滿足康普頓的量子散射公式?？灯疹D和吳有訓(xùn)1924年發(fā)表的論文題目是：《被輕元素散射時(shí)鉬Kα線的波長》。（ A.H.Comptonand Y.H.Woo，Proc.Nat.Acad.Sei，10（1924）p.27.）他們寫道：“這張圖的重要點(diǎn)在于：從各種材料所得之譜在性質(zhì)上幾乎完全一致。每種情況，不變線P都出現(xiàn)在與熒光MoKa線（鉬的Kα譜線）相同之處，而變線的峰值，則在允許的實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，出現(xiàn)在上述的波長變化量子公式所預(yù)計(jì)的位置M上?！?/font> 吳有訓(xùn)對康普頓效應(yīng)最突出的貢獻(xiàn)在于測定了X射線散射中變線、不變線的強(qiáng)度比率R隨散射物原子序數(shù)變化的曲線，證實(shí)并發(fā)展了康普頓的量子散射理論。
愛因斯坦在肯定康普頓效應(yīng)中起了特別重要的作用。前面已經(jīng)提到，1916年愛因斯坦進(jìn)一步發(fā)展了光量子理論。根據(jù)他的建議，玻特和蓋革（Geiger）也曾試圖用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)經(jīng)典理論和光量子理論誰對誰非，但沒有成功。當(dāng)1923年愛因斯坦獲知康普頓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果之后，他熱忱地宣傳和贊揚(yáng)康普頓的實(shí)驗(yàn)，多次在會(huì)議和報(bào)刊上談到它的重要意義。 愛因斯坦還提醒物理學(xué)者注意：不要僅僅看到光的粒子性，康普頓在實(shí)驗(yàn)中正是依靠了X射線的波動(dòng)性測量其波長。他在1924年4月20日的《柏林日報(bào)》副刊上發(fā)表題為《康普頓實(shí)驗(yàn)》的短文，有這樣一句話：“……最最重要的問題，是要考慮把投射體的性質(zhì)賦予光的粒子或光量子，究竟還應(yīng)當(dāng)走多遠(yuǎn)?！保≧.S.Shankland（ed.），Scientific Papers of A.H. Compton，Univ.of Chicago Press，（1973）） 正是由于愛因斯坦等人的努力，光的波粒二象性迅速獲得了廣泛的承認(rèn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
(1)散射光中除了和原波長λ0相同的譜線外還有λ>λ0的譜線。
(2)波長的改變量Δλ=λ-λ0隨散射角φ(散射方向和入射方向之間的夾角)的增大而增加.
康普頓利用光子理論成功地解釋了這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。X射線的散射是單個(gè)電子和單個(gè)光子發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。碰撞前后動(dòng)量和能量守恒，化簡后得到 Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(/θ2)
稱為康普頓散射公式。
λ=h/(m0c)
稱為電子的康普頓波長。
為什么散射光中還有與入射光波長相同的譜線?內(nèi)層電子不能當(dāng)成自由電子。如果光子和這種電子碰撞， 相當(dāng)于和整個(gè)原子相碰，碰撞中光子傳給原子的能量很小，幾乎保持自己的能量不變。這樣散射光中就保留了原波長的譜線。由于內(nèi)層電子的數(shù)目隨散射物原子序數(shù)的增加而增加，所以波長為λ0的強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，而波長為λ的強(qiáng)度隨之減弱。 康普頓散射只有在入射光的波長與電子的康普頓波長相比擬時(shí)，散射才顯著，這就是選用X射線觀察康普頓效應(yīng)的原因。而在光電效應(yīng)中，入射光是可見光或紫外光，所以康普頓效應(yīng)不明顯。 解釋
（1）經(jīng)典解釋（電磁波的解釋）
單色電磁波作用于比波長尺寸小的帶電粒子上時(shí)，引起受迫振動(dòng)，向各方向輻射同頻率的電磁波。經(jīng)典理論解釋頻率不變的一般散射可以，但對康普頓效應(yīng)不能作出合理解釋! （2）光子理論解釋
X射線為一些e=hν的光子，與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，電子獲得一部分能量，散射的光子能量減小，頻率減小，波長變長。這過程設(shè)動(dòng)量守恒與能量守恒仍成立，則由 電子：P=m·V；E=mv^2/2（設(shè)電子開始靜止，勢能忽略） 其中（h/m·C）=2.42×10-12m稱為康普頓波長。
注意
1.散射波長改變量lD 的數(shù)量級為 10-12m，對于可見光波長 l~10-7m，lD<<l，所以觀察不到康普頓效應(yīng)。
2. 散射光中有與入射光相同的波長的射線，是由于光子與原子碰撞，原子質(zhì)量很大，光子碰撞后，能量 不變，散射光頻率不變。 康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，以及理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致，不僅有力地證實(shí)了光子假說的正確性，并且證實(shí)了微觀粒子的相互作用過程中，也嚴(yán)格遵守能量守恒和動(dòng)量守恒定律。 發(fā)現(xiàn)者
康普頓(Arthur Holly Compton)教授是美國著名的物理學(xué)家、“康普頓效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)者。 1892年9月10日康普頓出生于俄亥俄州的伍斯特，1962年3月15日于加利福尼亞州的伯克利逝世，終年70歲。 康普頓出身于高級知識(shí)分子家庭，其父曾任伍斯特學(xué)院哲學(xué)教授兼院長?？灯疹D的大哥卡爾(KarL)是普林斯頓大學(xué)物理系主任，后來成為麻省理工學(xué)院院長，他是康普頓最親密的和最好的科學(xué)帶路人。 康普頓中學(xué)畢業(yè)后，升入伍斯特學(xué)院。該院具有悠久的歷史傳統(tǒng)，這對康普頓一生的事業(yè)具有決定性的影響。在這里，他所受的基礎(chǔ)教育，幾乎完全決定了他一生中對生活、科學(xué)的態(tài)度。在學(xué)院以外，康普頓熟悉許多感興趣的事物，諸如密執(zhí)安的夏令營、卡爾早期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)等等。所有這些對康普頓以后的科學(xué)生涯也都具有重要的作用。 1913年，康普頓從伍斯特學(xué)院畢業(yè)后，進(jìn)入普林斯頓大學(xué)深造,1914年取得碩士學(xué)位，1916年取得博士學(xué)位。他的博士學(xué)位論文起先由里查遜(O·W·Richardson)指導(dǎo)，后來在庫克(H·L·Cooke)指導(dǎo)下完成。取得哲學(xué)博士學(xué)位后，康普頓在明尼蘇達(dá)大學(xué)(1916—1917)擔(dān)任為期一年的物理學(xué)教學(xué)工作,隨后在賓夕法尼亞州的東匹茲堡威斯汀豪斯電氣和制造公司擔(dān)任兩年研究工程師。在此期間，康普頓為陸軍通訊兵發(fā)展航空儀器做了大量有獨(dú)創(chuàng)性的工作；并且還取得鈉汽燈設(shè)計(jì)的專利。后面這一項(xiàng)工作跟他以后在美國俄亥俄州克利夫蘭內(nèi)拉帕克創(chuàng)辦熒光燈工業(yè)密切相關(guān)；在內(nèi)拉帕克期間，他跟通用電氣公司的技術(shù)指導(dǎo)佐利·杰弗里斯(Zay Jeffries)密切配合，促進(jìn)了熒光燈工業(yè)的發(fā)展，使熒光燈的研制進(jìn)入最活躍的年代。 康普頓的科學(xué)家生涯是從研究X射線開始的。早在大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)期,他在畢業(yè)論文中，就提出一個(gè)新的理論見解，其大意是：在晶體中X射線衍射的強(qiáng)度是與該晶體所含的原子中的電子分布有關(guān)。在威斯汀豪斯期間(1917——1919)；康普頓繼續(xù)從事X射線的研究。從1918年起，他在理論在獲得X射線吸收與和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了X射線的散射。散射數(shù)據(jù)之間的定量吻合之后，根據(jù)J·J·湯姆遜的經(jīng)典理論，康普頓提出了電子有限線度(半徑1.85×10-10”cm)的假設(shè)，說明密度與散射角的觀察關(guān)系。這是個(gè)簡單的開端，卻導(dǎo)致了后來形成的電子以及其它基本粒子的“康普頓波長”概念。這個(gè)概念后來在他自己的X射線散射的量子理論以及量子電動(dòng) 力學(xué)中都充分地得到了發(fā)展。 在這一時(shí)期他的第二項(xiàng)研究，是1917年在明尼蘇達(dá)大學(xué)跟奧斯瓦德·羅格利(Oswrald Rognley)一起開始的，這就是關(guān)于決定磁化效應(yīng)對磁晶體X射線反射的密度問題。這項(xiàng)研究表明，電子軌道運(yùn)動(dòng)對磁化效應(yīng)不起作用。他認(rèn)為鐵磁性是由于電子本身的固有特性所引起的，這是一個(gè)基本磁荷。這一看法的正確性后來由他在芝加哥大學(xué)指導(dǎo)的學(xué)生斯特思斯(J·C·Stearns)用實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果作了更有力的證明。 第—次世界大戰(zhàn)后，1919至1920年間，康普頓到英國進(jìn)修，在劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室從事研究。當(dāng)時(shí)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室正處于最興旺發(fā)達(dá)的年代，許多年青有為的英國科學(xué)工作者從戰(zhàn)場轉(zhuǎn)到這里跟隨盧瑟福、J·J·湯姆遜進(jìn)行研究。康普頓認(rèn)為它是一個(gè)最鼓舞人心的年代，在這段時(shí)間里他不僅限盧瑟福建立了關(guān)系；而且也得以與湯姆遜會(huì)面。當(dāng)時(shí)，湯姆遜對他的研究能力給以高度的評價(jià)，這極大地鼓舞了康普頓，使他對自己的見解更加充滿信心?？灯疹D跟湯姆遜的友好關(guān)系二直保持到生命的最后一刻。 在劍橋期間，由于高壓X射線裝置不適用，康普頓便改用γ射線進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)。這—實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)格雷（T·A·Gray)其他科學(xué)家早期研究的結(jié)果，同時(shí)也為康普頓對X射線散射實(shí)驗(yàn)作更深入的研究奠定了基礎(chǔ)。
之后，康普頓于1920年回到美國，在圣路易斯華盛頓大學(xué)擔(dān)任韋曼·克勞(Wayman Crow)講座教授兼物理系主任。在這里他作出了對他來說是最偉大的一個(gè)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，康普頓把來自鉬靶的X射線投射到石墨上以觀測被散射后的x射線。他發(fā)現(xiàn)其中包含有兩種不同頻率的成分，一種頻率(或波長)和原來人射的X射線的頻率相同，而另一種則比原來人射的父射線的頻率小。這種頻率的改變和散射角有一定的關(guān)系。對于第一種不改變頻率的成分可用通常的波動(dòng)理論來說明，因?yàn)楦鶕?jù)光的波動(dòng)理論，散射不會(huì)改變?nèi)肷涔獾念l率。而實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的、第二種頻率變小的成分卻令人費(fèi)解，它無法用經(jīng)典的概念來說明。面對這種實(shí)驗(yàn)所觀測到的事實(shí)，康普頓于1923年提出了自己的解釋。他認(rèn)為這種現(xiàn)象是由光量子和電子的相互碰撞引起的。光量子不僅具有能量，而且具有某些類似力學(xué)意義的動(dòng)量，在碰撞過程中，光子把一部分能量傳遞給電子，減少了它的能量，因而也就降低了它的頻率。另外，根據(jù)碰撞粒子的能量和動(dòng)量守恒，可以導(dǎo)出頻率改變和散射角的依賴關(guān)系，這也就能很好地說明了康普頓所觀測到的事實(shí)。這樣一來，人們不得不承認(rèn)：光除了具有早巳熟知的波動(dòng)性以外，還具有粒子的性質(zhì)。這就說明了一束光是由互相分離的若干粒子所組成的，這種粒子在許多方 面表現(xiàn)出和通常物質(zhì)的粒子具有同樣的性質(zhì)?？灯疹D的這一科學(xué)研究成果，陸陸續(xù)續(xù)發(fā)表在許多期刊上。1926年他又把先后發(fā)表的論文綜合起來寫成《 X射線與電子》一書。 1923年，康普頓接受了芝加哥大學(xué)物理學(xué)教授職位(R·A·密立根曾經(jīng)擔(dān)任過這一職位)，同邁克爾遜共事。在這里擔(dān)，他把自己的第一項(xiàng)研究定名為“康普頓效應(yīng)”。由于他對“康普頓效應(yīng)”的一系列實(shí)驗(yàn)及其理論解釋，因此與英國的A·T·R威爾遜一起分享了1927年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。這時(shí)他年僅35歲。同年，他被選為美國國立科學(xué)院院士，1929年成為C·H·斯威夫特(C·H·Svift)講座教授。 1930年，康普頓改變了自己的主要興趣，從研究X射線轉(zhuǎn)為研究宇宙射線。這是因?yàn)橛钪嫔渚€中的高能γ射線和電子的相互作用是“康普頓效應(yīng)”的一個(gè)重要方面(今天，高能電子與低能光子相互作用的反康普頓效應(yīng)是天文物理學(xué)的重要研究課題)。第二次世界大戰(zhàn)期間，許多物理學(xué)家都關(guān)心“鈾的問題”，康普頓更不例外。1941年l1月6日，康普頓作為國立科學(xué)院鈾委員會(huì)主席，發(fā)表了一篇關(guān)于原子能的軍事潛力的報(bào)告，這篇報(bào)告促進(jìn)了核反應(yīng)堆和原子彈的發(fā)展。勞倫斯在加利福尼亞大學(xué)發(fā)現(xiàn)钚，不久，曼哈頓工區(qū)冶金實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)生產(chǎn)钚，這些方面的工作主要也是由康普頓和勞倫斯領(lǐng)導(dǎo)的。費(fèi)米設(shè)計(jì)的第一個(gè)原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆，也曾受到康普頓的支持和鼓勵(lì)。 戰(zhàn)爭末期，康普頓接受了圣路易斯華盛頓大學(xué)校長的職位。二五年前，他正是在該校做出了最大的物理發(fā)現(xiàn)——“康普頓效應(yīng)”。1954年，康普頓到了應(yīng)從大學(xué)行政領(lǐng)導(dǎo)崗位上退休的年齡了。退休后，他繼續(xù)講學(xué)、教書并撰寫著作。在此期間他發(fā)表了《原子探索》一書。這是一部名著，它完整而系統(tǒng)地匯集了戰(zhàn)爭期間曼哈頓計(jì)劃中所有同事的研究成果。 康普頓是世界最偉大的科學(xué)家之一。他所發(fā)現(xiàn)的“康普頓效應(yīng)”是發(fā)展量子物理學(xué)的核心。他的這一發(fā)現(xiàn)為自己在偉大科學(xué)家的行列中取得了無可爭辯的地位。
