康普顿散射（物理现象）

康普顿散射

物理现象

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λ0的x光外，还产生了波长λ>λ0的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难，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。

发现

1922～1923年康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)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。康普顿将0.71埃的X光投射到石墨上，然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强度。当φ=0时，只有等于入射频率的单一频率光。当φ≠0（如45°、90°、135°）时，发现存在两种频率的散射光。一种频率与入射光相同，另一种则频率比入射光低。后者随角度增加偏离增大。

康普顿效应发现过程在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射，这个方向与入射束成某个角度。辐射量子路径的弯折引起动量发生变化。结果，散射电子以等于X射线动量变化的动量反冲。散射射线的能量等于入射射线的能量减去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入射射线大，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。”

康普顿用图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，波长偏移量，即康普顿偏移公式：

即Δλ=λ-λ0=(2h/mc)sin^2(φ/2)

△λ为入射波长λ0与散射波长λ之差，h为普朗克常数，c为光速m为电子的静止质量，φ为散射角。

这一简单的推理对于现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φ，与λ0无关，即对于某一角度，波长改变的绝对值是一定的。入射射线的波长越小，波长变化的相对值就越大。所以，康普顿效应对γ射线要比X射线显著。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γ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γ射线，经散射物散射后投向静电计。在入射射线或散射射线的途中插一吸收物以检验其穿透力。伊夫发现，散射后的射线往往比入射射线要“软”些。（A.S.Eve，Phil.Mag.8（1904）p.669.）

后来，γ射线的散射问题经过多人研究，英国的弗罗兰斯（D.C.H.Florance）在1910年获得了明确结论，证明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。

1913年，麦克基尔大学的格雷（J.A.Gray）又重做γ射线实验，证实了弗罗兰斯的结论并进一步精确测量了射线强度。他发现：“单色的γ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.A.Gray，Phil.Mag.，26（1913）p.611.）所谓射线变软，实际上就是射线的波长变长，当时尚未判明γ射线的本质，只好根据实验现象来表示。

实验事实明确地摆在物理学家面前，可就是找不到正确的解释。1919年康普顿也接触到γ散射问题。他以精确的手段测定了γ射线的波长，确定了散射后波长变长的事实。后来，他又从γ射线散射转移到X射线散射。钼的Kα线经石墨晶体散射后，用游离室进行测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，其中一个波长等于原始射线的波长（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，除了针对杜安的否定作了许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Kα线的波长》。（A.H.Comptonand Y.H.Woo，Proc.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Kα谱线）相同之处，而变线的峰值，则在允许的实验误差范围内，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注意：不要仅仅看到光的粒子性，康普顿在实验中正是依靠了X射线的波动性测量其波长。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：“……最最重要的问题，是要考虑把投射体的性质赋予光的粒子或光量子，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λ0相同的谱线外还有λ>λ0的谱线。

(2)波长的改变量Δλ=λ-λ0随散射角φ(散射方向和入射方向之间的夹角)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Δλ相同。波长为λ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Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(φ/2)称为康普顿散射公式。λ=h/(m0c)称为电子的康普顿波长。为什么散射光中还有与入射光波长相同的谱线?内层电子不能当成自由电子。如果光子和这种电子碰撞，相当于和整个原子相碰，碰撞中光子传给原子的能量很小，几乎保持自己的能量不变。这样散射光中就保留了原波长的谱线。由于内层电子的数目随散射物原子序数的增加而增加，所以波长为λ0的强度随之增强，而波长为λ的强度随之减弱。

康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相比拟时，散射才显著，这就是选用X射线观察康普顿效应的原因。而在光电效应中，入射光是可见光或紫外光，所以康普顿效应不明显。

介绍

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极端重要的位置。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入射波的波长略大，他认为这是光子和电子碰撞时，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。短波长电磁辐射射入物质而被散射后，在散射波中，除了原波长的波以外，还出现波长增大的波，散射物的原子序数愈大，散射波中波长增大部分的强度和原波长部分的强度之比就愈小。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。

参考资料

1.用X射线观察康普顿效应的实验设计·道客巴巴