康普顿效应是什么？
编辑本段康普顿效应康普顿效应介绍
康普顿散射现象的研究经历了一二十年才得到正确的结果。康普顿效应是爱因斯坦光子有动量假说的第一个实验证明。这在物理学发展史上占有重要地位。当光子与介质中的物质粒子相互作用时，它们可以使光向任何方向传播。这种现象被称为光散射和康普顿效应。
1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中电子对X射线的散射时，发现一些散射波的波长略大于入射波的波长。他认为这是因为当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。康普顿假设光子像电子和质子等真实粒子一样，不仅有能量，还有动量。在碰撞过程中，能量和动量守恒。短波电磁辐射进入物质后被散射。在散射波中，除了原始波之外，还有波长增加的波。散射体的原子序数越大，增加的波长的强度与原始波长的强度之比越小。根据这一思想，列出方程，得到散射前后的波长差。结果与实验数据完全一致，从而证实了他的假设。这种现象被称为康普顿效应。
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康普顿研究了X射线被较轻的物质(石墨、石蜡等)散射后的光的成分。)在1922 ~ 1923，发现散射谱线中存在波长相同和波长较长的成分。这种散射现象被称为康普顿散射或康普顿效应。康普顿将0.71埃的X射线投射到石墨上，然后测量石墨分子在不同角度散射的X射线强度。θ= 0°时，只有等于入射频率的单频光。当θ≠0°时(如45°，90°，135°)，发现散射光有两个频率。一个具有与入射光相同的频率，另一个具有比入射光更低的频率。后者的偏差随着角度的增大而增大。康普顿效应的发现过程在《物理评论》5月，1923。A.H .康普顿以轻元素X射线散射的量子理论为题发表了他发现的效应，并用光量子假说解释。他写道(A.H .康普顿，Phys.Rev，21 (1923) P .):“从量子论的观点来看，可以假设任何特殊的X射线量子都不是被辐射体中的所有电子散射，而是被一个特殊的电子消耗了所有的能量，这个特殊的电子又向某一个电子发出射线。辐射量子路径的弯曲导致动量改变。结果散射的电子反冲，动量等于X射线动量的变化。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。由于散射的光线应该是一个完整的量子，它的频率也会随着能量成比例地降低。因此，根据量子理论，我们可以预计散射辐射的波长大于入射辐射的波长，并且“散射辐射的强度在原始X射线的正向上大于反向上，这是通过实验测得的。“康普顿用图表解释了辐射的方向和强度的分布(见右图)。根据能量和动量守恒，并考虑相对论效应，散射波长为:δλ=λ-λ0 =(2h/MC)sin 2(θ/2)△λ为入射波长λ0与散射波长λ θ之差，h为普朗克常数，c为光速，m为电子的静止质量，θ。这个简单的推理对现代物理学家来说早已是常识，但康普顿却很难做到。研究这种现象花了十几二十年，康普顿才在1923得到正确的结果，康普顿自己走了五年弯路。这段历史从一个侧面展示了近代物理学产生和发展的不平坦历程。从上式可以看出，波长的变化取决于θ，与λ0无关，即对于某一角度，波长变化的绝对值是一定的。入射光线的波长越小，波长变化的相对值越大。因此，康普顿效应对γ射线比对X射线更显著。历史上就是这样。早在1904年，英国物理学家A.S.Eve在研究伽马射线的吸收和散射特性时，首先发现了康普顿效应的迹象。镭管发射伽马射线，这些射线被散射体散射，然后被扔进静电计。在入射光线或散射光线的路径上插入一个吸收器，以测试其穿透力。伊夫发现，散射光线通常比入射光线“更柔和”。(A.S.Eve，菲尔。Mag.8 (1904) P.669 .)后来伽马射线的散射被很多人研究，英国的D.C.H.Florance在1910得到了明确的结论，康普顿效应。
证明了散射后的二次射线取决于散射角，与散射体的材料无关，散射角越大，吸收系数越大。所谓光线软化，其实就是光线的波长变长了。当时γ射线的本质还没有确定，只能根据实验现象来表达。1913年，麦吉尔大学的J.A.Gray重做了伽马射线实验，证实了罗兰兹的结论，进一步精确测量了辐射强度。他发现:“单色伽马射线被散射后性质会发生变化。散射角越大，散射的光线越柔和。”(J.A .格雷，Phil.Mag .，26(1913)p . 611。)实验事实明明摆在物理学家面前，却找不到正确的解释。康普顿在1919也受到了γ散射。他用精确的方法测量了γ射线的波长，并确定了散射后波长变长的事实。后来，他从γ射线散射转向X射线散射。钼的Kα线被石墨晶体散射后，在自由室中测量了不同方向的散射强度。从康普顿公布的一些曲线可以看出，X射线散射曲线明显有两个峰值，一个与原射线波长相等(不变线)，另一个较长(变线)。可变线与不变线的偏差随着散射角的变化而变化，散射角越大，偏差越大。康普顿的学生吴从中国赴美留学，为康普顿效应的进一步研究和验证做出了巨大贡献。除了对杜安的否认做了许多令人信服的实验外，他还证实了康普顿效应的普遍性。他测试了各种元素的X射线散射曲线，结果都符合康普顿的量子散射公式。康普顿和吴在1924发表了题为“轻元素散射钼Kα线的波长”的论文。(A.H .康普顿和Y.H .吴，Proc .Nat.Acad.Sei，10 (1924) P.27 .)他们写道:“这幅图重要的一点是，从各种材料得到的光谱在性质上几乎是相同的。在每种情况下，不变线P出现在与荧光MoKa线(钼的Kα谱线)相同的地方，而变化线的峰值出现在上述波长变化量子公式预测的位置M，在允许的实验误差范围内。”吴对康普顿效应最突出的贡献，在于测量了X射线散射中变线和常数线的强度比R随散射体原子序数变化的曲线，证实和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方面发挥了特别重要的作用。如前所述，爱因斯坦在1916中进一步发展了光量子理论。根据他的建议，伯特和盖革也试图用实验来检验经典理论和光量子理论谁对谁错，但都失败了。爱因斯坦在1923年得知康普顿实验结果时，曾多次在会议和报纸上热情宣传和赞扬康普顿实验，谈论其意义。爱因斯坦还提醒物理学家注意:不要只看到光的粒子性。康普顿在实验中依靠X射线的波动来测量其波长。他在《柏林日报》4月20日副刊1924上发表了一篇题为《康普顿实验》的短文，有一句话:“...最重要的问题是考虑我们应该走多远才能把抛射体的性质赋予光的粒子或光子。”(R.S .尚克兰(编辑。)，A.H .康普顿科学论文，芝加哥大学出版社，(1973))正是由于爱因斯坦等人的努力，光的波粒二象性才得到了广泛的认识。实验结果表明,( 1)散射光除含有与原波长λ0相同的谱线外，还含有λ>。λ0的谱线。(2)波长的变化δλ=λ-λ0随着散射角φ(散射方向与入射方向的夹角)的增大而增大。(3)对于不同元素的散射材料，在相同的散射角下，波长δλ的变化是相同的。波长为λ的散射光强度随散射体原子序数的增加而减小。康普顿用光子理论成功地解释了这些实验结果。x射线散射是单个电子和单个光子弹性碰撞的结果。碰撞前后动量和能量守恒。经过简化，δ λ = λ-λ 0 = (2h/m0C) sin 2 (/θ 2)称为康普顿散射公式。λ=h/(m0c)称为电子的康普顿波长。为什么散射光中会出现与入射光波长相同的谱线？内部电子不能被认为是自由电子。如果光子与这样的电子碰撞，康普顿效应
相当于和整个原子相撞。在碰撞中，光子传递给原子的能量非常小，几乎保持自身能量不变。这样，原来的波长保留在散射光中。因为内层的电子数随着散射体原子序数的增加而增加，所以波长为λ0的强度增加，波长为λ的强度减小。康普顿散射只有在入射光的波长与电子的波长相近时才有意义，这也是为什么选择X射线来观测康普顿效应的原因。在光电效应中，入射光是可见光或者紫外光，所以康普顿效应不明显。
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(1)经典解释(电磁波的解释)单色电磁波作用于小于波长的带电粒子时，引起受迫振动，向各个方向辐射相同频率的电磁波。经典理论可以解释一般频率不变的散射，却无法合理解释康普顿效应！(2)光子理论解释X射线是一些e=hν的光子，与自由电子完全弹性碰撞，电子获得一些能量，因此散射光子能量降低，频率降低，波长变长。这个过程假设动量和能量守恒仍然成立，那么电子:p = m0vE=m0V2/2(假设电子开始静止，势能忽略不计)光子:P=h/λ其中(h/m0C)=2.34×10-12m称为康普顿波长。
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1.散射波长变化lD的数量级为10-12m。对于可见光波长l~10-7m，LD
不变，散射光的频率是不变的。康普顿效应的发现以及理论分析和实验结果的一致性，不仅有力地证实了光子假说的正确性，也证实了微观粒子的相互作用过程严格遵守能量和动量守恒定律。
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亚瑟·霍利·康普顿教授是美国著名的物理学家，康普顿效应的发现者。康普顿于1892年9月出生于俄亥俄州伍斯特市，于1962年3月在加州伯克利去世，享年70岁。康普顿出生于一个高级知识分子家庭，父亲是伍斯特学院的哲学教授兼院长。康普顿的大哥卡尔是普林斯顿大学物理系的系主任，后来成为麻省理工学院的院长。他是康普顿最亲密也是最好的科学领袖。
从康普顿中学毕业后，他被提升到伍斯特学院。医院有着悠久的历史传统，对康普顿的人生事业有着决定性的影响。在这里，他的基础教育几乎完全决定了他一生对生活和科学的态度。在学院之外，康普顿熟悉许多有趣的事情，比如密歇根的夏令营，卡尔早期的科学实验等等。这些对康普顿未来的科学生涯也很重要。1913年从伍斯特学院毕业后，康普顿进入普林斯顿大学深造。1914获得硕士学位，1916获得博士学位。他的博士论文首先由O W .理查森指导，后来由H L .库克指导。获得博士学位后，康普顿在明尼苏达大学(1916-1917)教了一年物理，然后在宾夕法尼亚州东匹兹堡的西屋电气和制造公司做了两年研究工程师。在此期间，康普顿为陆军通信兵研制航空仪器做了大量的原创性工作；并且还获得了钠蒸汽灯设计专利。后一项工作与他后来在美国俄亥俄州克利夫兰市内拉帕克建立荧光灯工业密切相关。在奈拉帕克期间，他与美国通用电气公司技术总监扎伊·杰弗里斯(Zay Jeffries)密切合作，推动了荧光灯行业的发展，使荧光灯的发展进入了最活跃的时代。康普顿的科学家生涯始于对X射线的研究。早在他大学学习的时候，他就在毕业论文中提出了一个新的理论观点，大意是晶体中X射线衍射的强度与晶体中所含原子的电子分布有关。在西屋公司任职期间(1917——1919)；康普顿继续他对X射线的研究。从1918开始，他对X射线散射进行了理论和实验研究。康普顿根据J·J·汤姆逊的经典理论，提出了电子有限线性(半径1.85×10-10”cm)假说，解释了密度与散射角的观测关系。这是一个简单的开始，但它导致了电子和其他基本粒子的“康普顿波长”的概念。这个概念后来在他自己的X射线散射和量子电康普顿的量子理论中得到发展。
力学已经充分发展了。在此期间，他的第二项研究是在1917与明尼苏达大学的Oswrald Rognley一起开始的，是关于利用磁化效应确定磁性晶体的X射线反射密度。这项研究表明，电子轨道运动对磁化效应没有影响。他认为铁磁性是由电子的固有特性引起的，电子是一种基本的磁荷。这个观点的正确性后来被他在芝加哥大学指导的学生J C Stearns的实验结果更有力地证明了。第一次世界大战后，康普顿于1919年至1920年赴英国深造，在剑桥卡文迪什实验室从事研究。当时卡文迪许实验室正处于最繁荣的时代，许多有前途的年轻英国科学家从战场搬到这里，跟随卢瑟福和J·J·汤姆森学习。康普顿认为这是最鼓舞人心的时期之一，在此期间，他不仅与卢瑟福建立了关系；我见到了汤姆森。当时，汤姆森高度评价了他的研究能力，这极大地鼓舞了康普顿，使他对自己的观点更加自信。康普顿和汤姆逊的友好关系一直持续到他生命的最后一刻。在剑桥期间，由于高压X射线装置不合适，康普顿改用伽马射线做散射实验。这个实验不仅证实了T A Gray其他科学家的早期研究成果，也为康普顿进一步研究X射线散射实验奠定了基础。之后，康普顿于1920年回到美国，担任圣路易斯华盛顿大学Wayman Crow讲座教授兼物理系系主任。在这里他做出了对他来说最伟大的发现。当时，康普顿将钼靶的X射线投射到石墨上，以观察散射的X射线。他发现它包含两种不同频率的成分，一种与原始X射线的频率(或波长)相同，另一种频率小于原始母X射线。这种频率的变化与散射角有一定的关系。第一个不改变频率的分量可以用通常的波动理论来解释，因为根据光的波动理论，散射不改变入射光的频率。但实验中出现的频率更小的第二个分量令人费解，无法用经典概念解释。面对这次实验观察到的事实，康普顿在1923中提出了自己的解释。他认为这种现象是由光量子和电子的碰撞引起的。光量子不仅有能量，还有一些类似于力学意义的动量。在碰撞过程中，光子将一部分能量转移给电子，降低了它的能量，从而降低了它的频率。另外，根据碰撞粒子的能量和动量守恒，可以导出频率变化和散射角的依赖关系，可以很好地解释康普顿观测到的事实。这样，人们不得不承认光除了众所周知的涨落之外，还具有粒子的性质。这说明一束光是由几个相互分离的粒子组成的，这些粒子在很多方面都有康普顿效应。
面表现出与普通物质粒子相同的性质。康普顿的科研成果发表在许多期刊上。1926年，他综合自己发表的论文，写了一本书《X射线与电子》。1923年，康普顿接受了芝加哥大学物理学教授的职位(R·A·密立根曾担任此职)，与迈克尔逊共事。在这里，他将自己的第一项研究命名为“康普顿效应”。因为康普顿效应的一系列实验及其理论解释，他与英国的A T R .威尔逊分享了1927诺贝尔物理学奖。此时他才35岁。同年当选美国国家科学院院士，1929成为C H Swift教授。从65438年到0930年，康普顿把主要兴趣从研究X射线转向研究宇宙射线。这是因为宇宙射线中高能γ射线与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体物理学的一个重要研究课题)。第二次世界大战期间，许多物理学家都在关注“铀问题”，康普顿也不例外。1941l 65438+10月6日，康普顿作为美国国家科学院铀委员会主席，发表了一份关于原子能军事潜力的报告，该报告推动了核反应堆和原子弹的发展。劳伦斯在加州大学发现了钚，很快，曼哈顿的冶金实验室负责钚的生产，而这些方面主要由康普顿和劳伦斯领导。费米的第一个核链式反应堆也得到了康普顿的支持和鼓励。战争结束时，康普顿接受了圣路易斯华盛顿大学校长的职位。就是在这所学校，他做出了25年前最大的物理发现——“康普顿效应”。1954年，康普顿到了该从大学行政领导岗位上退休的年龄。退休后，他继续讲课、教学和写书。在此期间，他出版了《原子探索》一书。这是一部杰作，完整系统地汇集了战争时期曼哈顿计划所有同事的研究成果。康普顿是世界上最伟大的科学家之一。他发现的康普顿效应是发展量子物理学的核心。这一发现为他在伟大科学家中赢得了无可争议的地位。