康普顿效应

康普顿效应
1923年，康普顿的X 射线散射实验证实了辐射的粒子性；在康普顿的“X 射线在轻元素上的散射的量子理论”中写道：“这个实验非常令人信服的指出，辐射量子确实既带有能量，也带有定向的动量.” “康普顿效应”是以发现者的名字命名的一种散射现象，这是波长极短的x 射线跟原子中结合得很松散的电子发生作用时产生的一种现象.１９２３年，这一效应证实了光子的实在性，给人的印象极为深刻，从此以后光量子学说成为现代物理学的当然组成部分.
在1922－1923年间，康普顿做实验发现：散射线中有与射线波长入.相同的射线，也有波长入＞入.的射线.这种改变波长的散射称为康普顿效应.1923年，康普顿利用Einstein 的光量子理论，提出了合理解释.但是，大家知道传统的理论认为一份光量子hr 是不能再分小的，同时，又根据Einstein 的真空光速不变原理，光子的运动速度既不能增加，也不能减小；所以，康普顿认为：“……入射光子的一部分能量传递给了电子，所以，‘反冲光子’具有较低的能量……”，这种解释与传统理论是相矛盾的，这个矛盾有待进一步的探讨，以使理论趋于统一【1】.
设原来静止的自由电子与光子碰撞后吸收了光子而以u 的速度运动,则由能量守恒定律有：2
22
02201c u c m mc c m hv -==+ （1），式中0m 和m 分别是电子的静止质量和运
动质量,ν为入射光子的频率.又由动量守恒定律有：==mu c h ν2
201c u u m - （2），由（1）式得：202
0222c m hv c hvm v h c u ++= ，由（2）式得：42022c m v h hvc
u +=.显
然,分别由能量守恒定律和动量守恒定律决定的电子运动速度不相同.假设碰撞前电子的运动速度与入射光子的速度相互垂直,光子与处于运动状态的自由电子碰撞后被吸收,则由能量守恒定律应有：2222
022211c u c m c m c m hv -==+ （3），式中0m 为电子的静止质
量,1m 为电子碰撞前的动质量,2m 为电子碰撞后的动质量.又由动量守恒定律有：X 方向：
2222
0221cos cos c
u u m u m c hv -==θθ；Y 方向：2222022111sin sin c u u m u m u m -==θθ；将两式取平
方并相加,得：
22222202
1121)()(c u u m u m c h -=+ν （4），由式(3)得：212
1420212222)(c m hv c hvm c m m v h c u ++-+=，由式(4)得：22121420222
2121222c u m c m v h c u m v h c u +++=，可见,
由式(3)和式(4)决定的速度不同.量子电动力学（量子规范场论的一种）中的基本问题，一个电子吸收一个光子后，无论如何都不可能只有一个电子而没有别的副作用产物，这是四维时空中的能量动量守恒所要求的. “电子从低能级向高能级跃迁时”这种情况只有在束缚态中才存在，而在束缚态中，电子不是自由的，所以不单单是“一个电子吸收一个光子”，还要考虑原子核的参与.在自由态，一个电子和一个光子的相互作用，最简单的情况下，产物还是一个电子和一个光子，在束缚态中可以只有一个电子，而是最基本的能量动量守恒的要求.康普顿总结道：“现在，几乎不用再怀疑伦琴射线（注：即X 射线）是一种量子现象了……实验令人信服地表明，辐射量子不仅具有能量，而且具有一定方向的冲量.”
参考文献：
【1】解恩泽等编，《简明自然科学史手册》， 山东教育出版社，1987年出版，P242.。