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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，康普顿利用爱因斯坦的光量子理论，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，又根据爱因斯坦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的速度运动，则由能量守恒定律有：                                      （1），

式中和分别是电子的静止质量和运动质量，为入射光子的频率.又由动量守恒定律有：                                     （2），

由（1）式得：，由（2）式得：.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：                       （3），

式中为电子的静止质量，为电子碰撞前的动质量，为电子碰撞后的动质量.又由动量守恒定律有：X方向：；Y方向：；将两式取平方并相加，得：                                         （4），

由式(3)得：，由式(4)得：，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：242.