摘要：康普顿效应（Compton effect）或康普顿散射（Compton scattering）是一种现象，当高能光子与电子发生相互作用时便会出现这种现象。在碰撞过程中，光子将其一部分能量转移给电子，使电子从其外层壳层中被击出，同时光子也发生散射。由于散射后的光

康普顿效应（Compton effect）或康普顿散射（Compton scattering）是一种现象，当高能光子与电子发生相互作用时便会出现这种现象。在碰撞过程中，光子将其一部分能量转移给电子，使电子从其外层壳层中被击出，同时光子也发生散射。由于散射后的光子能量比相互作用前低，因此其波长也比相互作用前更长。

在这一效应被发现之前，主流的光散射理论是汤姆孙散射（Thompson scattering），以英国物理学家 J. J. 汤姆孙 的名字命名。汤姆孙散射利用经典电磁学来解释光与电子之间的相互作用。根据这个模型，当光与电子相互作用时，光的电场与磁场分量会对电子施加一个小的力，电子吸收光后被激发运动，并由于加速度的作用发射出辐射，而这种辐射的波长与入射光束的波长相同。自从1906年该理论提出以来，这种散射模型主导了科学界的解释，但它存在几个漏洞。

第一个漏洞是，汤姆孙模型预测散射应当沿着入射轴对称，但后续的高能散射实验显示，高能光束——比如X射线和伽马射线——实际并没有对称散射。第二个漏洞来自英国物理学家 查尔斯·巴克拉（Charles Barkla） 主导的实验，他发现短波长的光，比如X射线和伽马射线，在散射过程中被吸收的速率远低于汤姆孙散射预测的水平。

1910年代末，一位名叫 阿瑟·康普顿（Arthur Compton） 的年轻美国物理学家开始研究这些异常现象。起初，他尝试用经典物理来解决散射不对称的问题，甚至提出了一个假设：电子呈环状，半径约为2皮米（picometer），这个半径大约是如今公认电子半径的1000倍。然而，当他试图解释低吸收的问题时，他遇到了额外的困难，这最终迫使他彻底放弃了经典力学。

1921年，在圣路易斯华盛顿大学一栋楼的地下室实验室里，康普顿决定观察散射X射线的光谱，而不是仅仅测量强度。他的实验装置起始于一个装有钼（molybdenum）X射线源的铅盒，盒子里还放置了一块石墨，X射线束会以90°角反射到石墨上。经过这次偏转后，X射线束会通过铅盒上的一个小狭缝，再进入布拉格光谱仪（Bragg spectrometer）。

布拉格光谱仪的工作原理如下：首先，射线会通过一块方解石晶体发生衍射；然后，已经发生散射、同时也被衍射的X射线会被收集到一个带有电离室和静电计的装置中进行分析。通过布拉格定律，康普顿能够根据X射线散射通过方解石晶体时的入射角来确定X射线的波长。

他随后绘制了强度与散射角的关系图，未散射的X射线用虚线表示，散射后的X射线用实线表示。随着掠射角（即入射角）的增加，布拉格光谱仪所能检测的波长也增加。如图所示，散射后的X射线出现了波长偏移。起初，康普顿尝试把这种波长偏移解释为多普勒效应，以便继续维护经典力学。他将偏移归因于电子在快速反冲时导致的频移。然而，如果真是多普勒效应，这种效应在低强度光束下无论波长如何都会基本消失，但实验清楚地表明，这种波长偏移在所有强度下都会发生。

康普顿别无选择，只能彻底重构理论，放弃经典力学，转而采用量子力学的视角。他不再把X射线散射看作高能波被电子吸收后重新辐射的过程，而是将其视为光粒子与电子的碰撞。在他的数学推导中，他能够保持能量和动量守恒，并利用巧妙的代数推导，得出了描述光子在与电子碰撞散射后波长变化的方程。

有了这个方程，汤姆孙散射中的漏洞通过量子力学得到了完美的修补。他于1923年发表了这篇论文，到当年年底，查尔斯·威尔逊（Charles Wilson） 在云室实验中观测到了这些反冲电子。1927年，康普顿与威尔逊因这一工作共同获得了诺贝尔物理学奖。

康普顿在X射线散射上的研究被许多人认为是科学史上的一个关键时刻，因为它标志着科学家从经典理论走向量子物理的转折点。这项研究首次提供了光既是波又是粒子的确凿实验证据，正如爱因斯坦早在1905年提出的那样。正如康普顿在论文中所说：“如今，几乎没有什么疑问，X射线的散射是一种量子现象。”

来源：老胡科学一点号