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第66章 质子的康普顿波长

科学史上,常用科学家的名字来命名他发现的某种特殊现象,例如在光的散射研究中,就有著名的康普顿效应和拉曼效应。

1923年,美国物理学家康普顿(A。H。Compton)在观察X射线被较轻物质散射时,发现在散射光谱中除了波长和原有射线相同的成分外,还包括一些波长较长的部分,两者的波长差值的大小与散射角有关,它们的强度遵从一定的规律。这种现象叫做康普顿效应。

早期的电磁波经典理论认为,单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时,引起受迫振动,向各方向辐射同频率的电磁波。但是,康普顿效应中波长发生了变化,经典理论对此不能做出合理解释,但是借助于爱因斯坦提出的光电子理论能得到科学的解释。

康普顿效应是高能的光子和低能的自由电子作弹性碰撞的结果。光子不仅具有能量,而且具有动量。在碰撞过程中,光子把一部分能量传递给电子,减少了它的能量,因而也就降低了它的频率。根据碰撞粒子的能量和动量守恒,可以导出频率改变和散射角的依赖关系,从而可以定量描述康普顿效应。

康普顿在做散射实验康普顿效应也证实了光除了具有早已熟知的波动性以外,还具有粒子的性质,也就是光是由互相分离的若干粒子所组成的,这种粒子也能表现出一般物质粒子的特性。

康普顿波长的含义是,入射角为90°时,入射波与散射波的波长差;它也可以理解为,入射光子的能量与粒子的静止能量相等时所相应的光子的波长。康普顿波长与粒子的静止质量成反比,质量越大,康普顿波长越小。例如,电子的康普顿波长为2.42631×10-12m,质子的康普顿波长为1.32141×10-15m,中子的康普顿波长为1.31959×10-15m。

由于对康普顿效应的一系列实验及其理论解释,康普顿和英国的威尔逊分享了1927年的诺贝尔物理学奖。

受到康普顿效应的启发,印度科学家发现了拉曼效应,即光的频率在散射后会发生变化,频率的变化大小取决于散射物质的特性。拉曼效应是入射光子和分子相碰撞时,分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果。拉曼也因此获得了1930年的诺贝尔物理学奖,成为亚洲获奖第一人。

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