[物理史] 康普頓（Arthur H. Compton）的誕生

康普頓（Arthur H. Compton）的誕生
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀

圖1：康普頓（Arthur H. Compton）

1895 年，倫琴（Wilhelm Conrad Roentgen）在研究陰極射線時，發現了 X 射線。雖然當時有人建議將此新射線命名為「倫琴射線」，但因它的本質是個謎，所以倫琴還是堅持以數學上用以代表未知數的符號「X」來稱呼它。由於倫琴所發現新型態的射線可以穿透身體的軟組織，看得見骨頭，在醫學診斷上助益很大，所以馬上在全球各地引起轟動。科學家對此新射線更是著迷，用盡各種方法，希望能揭開它的謎底，了解它的本質。1923 年，康普頓（Arthur H. Compton）提出了答案，X 光是短波長的電磁波，同時帶有波和粒子的性質。

康普頓於 1892 年 9 月 10 日出生在美國俄亥俄州伍斯特（Wooster, Ohio），家學淵源，父親艾利亞斯．康普頓是伍斯特大學的哲學教授、院長與代理校長。康普頓兄弟三人都是普林斯頓大學的博士，當時傳為美談；大哥卡爾曾任麻省理工學院校長，二哥威爾森則曾任華盛頓州立大學校長，他自己也當過聖路易斯華盛頓大學的校長，堪稱「校長之家」。

大學期間，康普頓獲得了一項以迴轉儀技術控制飛機的專利，因而欲專攻機械工程。但後來他受到哥哥的影響，也追隨哥哥到普林斯頓大學深造物理，1916 年，他完成論文〈X 光的反射及原子內部電子的分佈〉，獲得博士學位。

倫琴發現 X 光後不久，法國科學家薩格納克（Georges Sagnac）即注意到，當 X 光照射到任何物質，不管是固體、液體或氣體，都會引發次級輻射，此現象提供了研究 X 光本質的極佳平台；接著斯托克斯（G. G. Stokes，1819-1903，英國物理及數學家，1849-1903 任劍橋大學 Lucasian 講座教授）提出了 X 光為電磁脈衝的觀點。1903 年，湯木生（Joseph John Thomson，發現電子，1906 年諾貝爾物理獎）將斯托克斯的觀點進一步延伸，提出電磁脈衝，即 X 光，照射在物體上時，電磁場會讓物體中的電子加速；依照馬克斯威的電磁論，電子會將吸收的能量以相同頻率的電磁波輻射出去，即所謂的次級輻射。湯木生所導出的次級輻射的角分佈形狀，在教科書中通稱為湯木生公式。

經由一系列的實驗，巴克拉（C. G. Barkla，因研究 X 光獲得 1917 年諾貝爾物理獎）印證了湯木生公式的正確性，並發現次級輻射也像光在天空中的散射一樣，帶有極化性。1912 年，勞厄（Max von Laue，1914 年諾貝爾物理獎）完成了 X 光行經晶體所出現的繞射實驗，X 光的波動本質終於獲得物理學家廣泛的認同，其中還包括極力主張 X 光是由質點組成的威廉．布拉格（W. H. Bragg，1915 年諾貝爾物理獎）。

此外，巴克拉還發現，次級輻射中也含有一些與原入射 X 光波長不同的輻射，他稱之為「特徵輻射」。因絕大多數特徵輻射的性質均與入射 X 光無關，只視被照射的物質而定，也就是說，這些特徵輻射反映了被照射物質的特性。不過，巴克拉還觀察到少量的特徵輻射，波長與原入射 X 光相差不大，與被照射的物質亦無關，他稱之為「J 特徵輻射」。

康普頓獲得博士學位後，先到明尼蘇達大學任教一年，再轉赴匹茲堡的西屋燈具公司工作，並為訊號公司研發飛行儀器。二年後，他獲得國家研究委員會的獎學金，得以到劍橋大學卡文迪西實驗室進修，與湯木生的兒子喬治．湯木生（G. P. Thomson，1937 年諾貝爾物理獎）合作研究 $$\gamma$$（伽瑪）射線的散射與吸收。他發現 $$\gamma$$ 射線所產生的次級輻射比較容易被物質吸收，而吸收率的增加被認為是因輻射的波長變大所致，但當時康普頓並無法由吸收率的變化精確地決定出波長的增加量。

一年後，康普頓離開了劍橋，接任華盛頓大學教授職兼物理系主任。他立即著手研究，將 $$\gamma$$ 射線的散射延伸到 X 光範圍，以繞射方法精確地測定入射與散射的 X 光波長。他將石墨塊置於以鉬為標靶的 X 射線管外做為散射體，再以鉛板阻絕主輻射，並以幾組細縫引導次級輻射照在方解石晶體做成的繞射光柵上；當散射角度是 $$90^\circ$$ 時，出現的光譜有二條：一是原輻射鉬的 $$\mathrm{K_{\alpha}}$$ 線，另一則是波長增加 $$0.024\mathrm{\overset{\circ}{A}~(1\overset{\circ}{A}=10^{-8}cm)}$$ 的譜線。康普頓解釋，波長增加 $$0.024\mathrm{\overset{\circ}{A}}$$ 譜線的次級輻射是源自主輻射被散射體內電子所散射的。

當時美國國研會成立一次極輻射研究小組，由哈佛大學教授杜安（William Duane）主持。康普頓將他的發現放在小組的報告中，但杜安不相信他的結果，反對將其收錄在正式出版的報告中，幸好赫耳（W. Hull）堅持，康普頓的論文才得以登出。

康普頓的論文一發表出來，在蘇黎世聯邦理工大學（ETH），原即有著類似想法的德拜（P. Debye，1936 年諾貝爾化學獎）馬上寫了一篇論文，解釋康普頓所觀測的波長變化，論點基本上與康普頓的假設相同。康普頓完整的論文於《物理評論》（Physical Review）中刊出後幾天，德拜有關散射波長變化的論文亦在《物理學刊》（Physickalische Zeitschrift）中發表。

圖2：康普頓於1922年的實驗裝置：T為X射線管，R為散射體石墨，X光經由細縫引導入射於繞射光柵─方解石晶體，以測出其波長。

1923 年，康普頓在美國物理學會四月年會上報告，說明他發現次極輻射頻譜出現了差距約有 $$0.024\mathrm{\overset{\circ}{A}}$$ 的雙峰結構及其解釋，引起了極大的轟動。由於杜安無法認同康普頓的看法，所以美國物理學會於該年底的年會中安排了一場兩人的正式辯論會，會後兩人還互訪對方的實驗室，實際了解實驗結果相異的原因。後來，威爾森（C. T. R. Wilson）經由他發明的雲霧室觀測到 X 射線與電子碰撞後，反衝電子的軌跡與康普頓的理論預測相吻合，杜安才接受康普頓的見解。威爾森和康普頓於 1927 年因此發現同獲諾貝爾物理獎，X 光量子與電子碰撞以致波長增長的發現之後被稱為「康普頓散射」。

愛因斯坦對光電效應的解釋說明光具有波及粒子的雙重特性，康普頓效應則說明短波的電磁波如 X 光也帶有波及粒子的雙重特性。這讓物理學家確信所有的電磁波，不管波長大小，都具有波及粒子的雙重特性，也多少啟發了德布羅意（L. de Broglie，1929 年諾貝爾物理獎）在 1927 年提出電子應該也具有波及粒子的雙重特性。

1923 年，康普頓被芝加哥大學延攬， 1941 年 4 月，美國國家科學院成立研究委員會，探討原子能可能的軍事用途，康普頓擔任主席。之後，康普頓全力投入原子彈的研究工作，領導芝加哥大學的冶金實驗室，負責釙-239 的生產，以用來製造原子彈。當費米（E. Fermi，1938 年諾貝爾物理獎）於 1942 年 12 月在芝加哥成功地完成第一個核分裂的連鎖反應時，康普頓立即以密語向知情人士宣布：「義大利那位航海家（指費米）已經抵達新大陸了。」的確，原籍義大利的費米正如 400 多年前的哥倫布一樣，獲得了驚天動地的成就，對人類善惡的影響很深遠。

第二次世界大戰後，康普頓離開芝大，回到華盛頓大學擔任校長，直到 1956 年才卸任。在任校長期間，康普頓延攬了許多國際知名學者，大幅提升了學校的名氣。1961 年，康普頓退休，隔年因腦溢血病逝加州柏克萊。

原文刊載於物理雙月刊2013年10月號35卷第5期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。