康普頓效應

康普頓效應 (Compton effect)
國立臺中女子高級中學物理科陳正昇老師/國立彰化師範大學吳仲卿教授責任編輯

康普頓效應(Compton effect)或稱為康普頓散射(Compton scattering)，是指當X射線或伽馬射線的光子跟電子交互作用，因失去能量而導致波長變長的現象，且波長的增長量會隨散射角的不同而變化。

這一波長的增量被稱為康普頓偏移(Compton shift)。康普頓效應首先在 1923 年由美國物理學家康普頓(Arthur H. Compton)觀察到，並在隨後的幾年間由他的研究生吳有訓進一步證實。康普頓因發現此效應而獲得 1927 年的諾貝爾物理學奬。

康普頓效應無法用古典的電磁理論加以解釋，為了成功解釋此處波長增長的成因，康普頓借助於愛因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度對此實驗現象進行了圓滿的解釋。這一實驗說服了當時很多物理學家相信，光在某種情況下表現出粒子性，光束類似一串粒子流，而該粒子流的能量與光頻率成正比。

在引入光子概念之後，康普頓散射可以得到如下解釋：電子與高能量的光子 $$(\sim k~eV)$$ 發生彈性碰撞，電子獲得光子的一部分能量而反彈，失去部分能量的光子則從另一方向飛出，整個過程中總動量守恆，如果光子的剩餘能量足夠多的話，還會發生第二次甚至第三次彈性碰撞。

在這個彈性碰撞過程中，電子是被視為自由的或非常微弱束縛的粒子，但要在實驗室中觀察到康普頓效應，入射光子的能量就不能太少。如果使用的入射光子的能量太少，但是仍然具有足夠的能量(如為 $$1.7$$～$$3.1~eV$$，大約在可見光區)，則我們將看不到康普頓效應，入射光子會消失，電子會被入射光子從物質表面敲擊出來，這就是光電效應的過程。

康普頓效應第一次從實驗上證實了愛因斯坦提出的關於光子具有動量的假設。這在物理學發展史上佔有重要的地位。

更多的具體事實：在 1922～1923 年康普頓大量研究了X射線被石墨、石蠟等散射後光的成分，發現散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外，還有波長較長的成分。康普頓將 $$0.71$$ 埃的X光入射到石墨上，然後在不同的散射角度測量被石墨中的電子散射的X光強度。

當 $$\theta=0$$ 時，只有等於入射頻率的單一頻率光。當 $$\theta\ne 0$$（如 $$45^\circ$$、$$90^\circ$$、$$135^\circ$$）時，發現存在兩種頻率的散射光。一種頻率與入射光相同，另一種則頻率比入射光低(即波長增長)。此增長量隨散射角度增加而增大。康普頓本人引用光電效應中光是一種粒子的觀念和狹義相對論的力學理論來解釋這一現象，並依據餘弦定律推導得出如下的康普頓頻移公式：

$$\Delta \lambda=\lambda’-\lambda_0=\displaystyle\frac{h}{m_ec}(1-\cos\theta)$$

其中 $$\lambda_0$$ 為散射之前的波長、$$\lambda’$$ 為散射之後的波長、$$m_e$$ 為電子質量、$$\theta$$ 為光子的散射角（散射前與散射後的路徑夾角）、$$h$$ 為普朗克常數以及 $$c$$ 為光速。

其中 $$\displaystyle\frac{h}{m_ec}=2.43\times 10^{-12}$$ 米，被稱為康普頓波長。

而爲什麽散射光中還有與入射光波長相同的譜線?那是石墨中的內層電子不能被視為自由電子。如果光子和這種束縛極強的電子碰撞，相當於和整個原子相碰，碰撞中光子傳給原子的能量很小，幾乎保持自己的能量不變。這樣散射光中就保留了原波長 $$\lambda_0$$ 的譜線。

參考出處
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5 … 3%E6%95%A3%E5%B0%84