《康普顿效应 选修3 5》由会员分享，可在线阅读，更多相关《康普顿效应 选修3 5（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、恶搞康普顿效应选修3 5恶搞康普顿效应(选修3-5) 2011年06月05日 康普顿 康普顿(Arthur Holly Compton)，1892年9月10日出生干俄亥俄州的伍斯特，1962年3月15日于加利福尼亚州的伯克利逝世，终年70岁。其父曾任伍斯特学院哲学教授兼院长，他的大哥卡尔(KarL)是普林斯顿大学物理系主任，后成为麻省理工学院院长，是康普顿最亲密的和最好的科学带路人。康普顿中学毕业后，升进伍斯特学院，他所受的基础教育，几乎完全决定了他一生中对生活、科学的态度。在学院以外，康普顿熟悉很多感爱好的事物，诸如密执安的夏令营、卡尔早期的科学实验等等。1913年，康普顿从伍斯特学院毕业后
2、，进进普林斯顿大学深造，1914年取得硕士学位，1916年取得博士学位。他的博士学位论文起先由里查逊(OWRichardson)指导，后来在库克(HLCooke)指导下完成。取得哲学博士学位后，康普顿在明尼苏达大学(19161917)担任为期一年的物理学教学工作，随后在宾夕法尼亚州的东匹兹堡威斯汀豪斯电气和制造公司担任两年研究工程师。在此期间，康普顿为陆军通讯兵发展航空仪器做了大量有独创性的工作；并且还取得钠汽灯设计的专利。后面这一项工作跟他以后在美国俄亥俄州克利夫兰内拉帕克创办荧光灯产业密切相关；在内拉帕克期间，他跟通用电气公司的技术指导佐利杰弗里斯(Zay Jeffries)密切配合，促进
3、了荧光灯产业的发展，使荧光灯的研制进进最活跃的年代。 康普顿的科学家生涯是从研究X射线开始的。早在大学 学习时期，他在毕业论文中，就提出一个新的理论见解，其大意是：在晶体中X射线衍射的强度是与该晶体所含的原子中的电子分布有关。在威斯汀豪斯期间(19171919)；康普顿继续从事X射线的研究。从1918年起，他在理论在获得X射线吸收与和实验两方面研究了X射线的散射。散射数据之间的定量吻合之后，根据JJ汤姆逊的经典理论，康普顿提出了电子有限线度(半径1.8510-10cm)的假设，说明密度与散射角的观察关系。这是个简单的开端，却导致了后来形成的电子以及其它基本粒子的“康普顿波长”概念。这个概念后来
4、在他自己的X射线散射的量子理论以及量子电动力学中都充分地得到了发展。在这一时期他的第二项研究，是1917年在明尼苏达大学跟奥斯瓦德罗格利(Oswrald Rognley)一起开始的，这就是关于决定磁化效应对磁晶体X射线反射的密度题目。这项研究表明，电子轨道运动对磁化效应不起作用。他以为铁磁性是由于电子本身的固有特性所引起的，这是一个基本磁荷。这一看法的正确性后来由他在芝加哥大学指导的学生斯特思斯(JCStearns)用实验得出的结果作了更有力的证实。第次世界大战后，1919至1920年间，康普顿到英国进修，在剑桥卡文迪许实验室从事研究。当时卡文迪许实验室正处于最兴旺发达的年代，很多年轻有为的英
5、国科学工作者从战场转到这里跟随卢瑟福、JJ汤姆逊进行研究。1919年，康普顿获得往欧洲学习的机会，他进进英国剑桥大学卡文迪什实验室。这时正好卢瑟福从曼彻斯特转到剑桥，接替JJ汤姆生当卡文迪什实验室教授。康普顿和JJ汤姆生与卢瑟福建立了真诚友谊，从他们那里得到了很多帮助和指导。康普顿在卡文迪什实验室主要从事射线实验研究。他以精湛的实验技术改进了仪器设备，精确地测定了丫射线的波长。在研究射线的散射特性时，康普顿得到了比别人更明确的结论，即了射线在散射后会变得波长更长，他试图用自己的理论解释散射射线波长变长的实验事实，却不大成功。于是，他转而采用了另一种假说，他的解释是：可能发生了某种新的荧光辐射，
6、其强度与性质均随角度变化，与散射物质无关。康普顿跟汤姆逊的友好关系二直保持到生命的最后一刻。在剑桥期间，由于高压X射线装置不适用，康普顿便改用射线进行散射实验。这实验不仅证实格雷（TAGray)其他科学家早期研究的结果，同时也为康普顿对X射线散射实验作更深进的研究奠定了基础。 康普顿于1920年回到美国，在圣路易斯华盛顿大学担任韦曼克劳(Wayman Crow)讲座教授?*锢硐抵魅巍谡饫锼?鞒隽硕运?此凳亲钗按蟮囊桓龇帧笔保?灯斩侔牙醋灶獍械脑射线投射到石墨上以观测被散射后的x射线。他发现其中包含有两种不同频率的成分，一种频率和原来人射的X射线的频率相同，而另一种则比原来人射的射线的频率小。这
7、种频率的改变和散射角有一定的关系。对于第一种不改变频率的成分可用通常的波动理论来说明，由于根据光的波动理论，散射不会改变进射光的频率。而实验中出现的、第二种频率变小的成分却令人费解，它无法用经典的概念来说明。面对这种实验所观测到的事实，康普顿于1923年提出了自己的解释。他以为这种现象是由光量子和电子的相互碰撞引起的。光量子不仅具有能量，而且具有某些类似力学意义的动量，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。另外，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靠关系，这也就能很好地说明了康普顿所观测到的事实。这样一来，人们不得不承认：光除了
8、具有早巳熟知的波动性以外，还具有粒子的性质。这就说明了一束光是由互相分离的若干粒子所组成的，这种粒子在很多方面表现出和通常物质的粒子具有同样的性质。康普顿的这一科学研究成果，陆陆续续发表在很多期刊上。1926年他又把先后发表的论文综合起来写成 X射线与电子一书。1923年，康普顿接受了芝加哥大学物理学教授职位(RA密立根曾经担任过这一职位)，同迈克尔逊共事。在这里担，他把自己的第一项研究定名为“康普顿效应”。由于他对“康普顿效应”的一系列实验及其理论解释，因此与英国的ATR威尔逊一起分享了1927年度诺贝尔物理学奖金，这时他年仅35岁。同年，他被选为美国国立科学院院士，1929年景为CH斯威夫
9、特(CHSvift)讲座教授。1930年，康普顿改变了自己的主要爱好，从研究X射线转为研究宇宙射线。这是由于宇宙射线中的高能射线和电子的相互作用是“康普顿效应”的一个重要方面(今天高能电子与低能光子相互作用的反康普顿效应是天文物理学的重要研究课题)。第二次世界大战期间，很多物理学家都关心“铀的题目”，康普顿更不例外。1941年1月6日，康普顿作为国立科学院铀委员会主席，发表了一篇关于原子能的军事潜力的报告，这篇报告促进了核反应堆和原子弹的发展。劳伦斯在加利福尼亚大学发现钚，不久，曼哈顿工区冶金实验室负责生产钚，这些方面的工作主要也是由康普顿和劳伦斯领导的。费米设计的第一个原子核链式反应堆，也曾
10、受到康普顿的支持和鼓励。战争末期，康普顿接受了圣路易斯华盛顿大学校长的职位。25年前，他正是在该校做出了最大的物理发现“康普顿效应”。1954年，康普顿到了应从大学行政领导岗位上退休的年龄了。退休后，他继续讲学、教书并撰写著作。在此期间他发表了原子探索一书，这是一部名著，它完整而系统地汇集了战争期间曼哈顿计划中所有同事的研究成果。他所发现的“康普顿效应”是发展量子物理学的核心。他的这一发现为自己在伟大科学家的行列中取得了无可争辩的地位。 康普顿效应 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射.康普顿效应，19221923年康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等
11、)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。实验结果：1)散射光中除了和原波长0相同的谱线外还有0的谱线。2)波长的改变量=-0随散射角(散射方向和进射方向之间的夹角)的增大而增加。3)对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量相同。波长为的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。康普顿利用光子理论成功地解释了这些实验结果。X射线的散射是单个电子和单个光子发生弹性碰撞的结果，碰撞前后动量和能量守恒。 康普顿散射只有在进射光的波长与电子的康普顿波长相相比时，散射才明显，这就是选用X射线观察康普顿效应的原因。
12、而在光电效应中，进射光是可见光或紫外光，所以康普顿效应不明显。康普顿效应和光电效应都为光的粒子性提供了令人信服的证据。然而，康普顿效应比光电效应更前进了一步，由于在解释康普顿效应时不但要考虑能量守恒，还要考虑动量守恒。这个效应既说明了光的粒子性，也必须承认光的波动性，由此它为光的波粒二象性及德布罗意物质波假说提供了更完全的证据。这个效应是阿瑟康普顿历经5年的曲折才发现的。它公布于1923年，确证于1926年，1927年即获得诺贝尔物理学奖，说明这一成果影响之大，有人甚至把康普顿效应看成是物理学的转折点之一。 阿瑟康普顿是在研究X射线散射的过程中发现康普顿效应的。他的兄长卡尔康普顿(Karl T
13、aylor Compton，18871954)也是著名的物理学荚冬可以说是阿瑟康普顿早期的引路人。阿瑟康普顿在大学生时期就跟随卡尔康普顿对X射线开始了研究。那时卡尔康普顿正在著名热电子学专家里查森(OWRichardson)指导下做硕士论文，弟弟经常协助哥哥调整X射线光谱仪，从而学到了很多知识和技术。1913年，阿瑟康普顿从伍斯特学院毕业后，进普林斯顿大学当研究生，选题就是X射线。他在1917年发表博士论文，题为X射线反射的强度以及原子中电子的分布。显然，从一开始他就认定工作方向为研究X射线的本性，并由此对物质结构进行探讨。 1919年，阿瑟康普顿和卡尔康普顿对当时最灵敏的电测仪器一象限静电计
14、做了重大改进。他们把静电计中四个象限电极中间的一个改为可以上下自由升降，并且还略微有点倾斜。于是就大大进步了象限静电计的电压灵敏度。这种静电计被人们称为康普顿静电计，后来在精密丈量中得到了广泛应用。在1923年5月的物理评论上，阿瑟康普顿(以下简称康普顿)以X射线受轻元素散射的量子理论为题，用光量子假说对他发现的效应做出解释，与分别为X射线在散射后和散射前的波长，为散射角，h为普朗克常量，m为电子静止质量，c为真空中光速。因此，散射使X射线波长增加了(mc)(1cos) 康普顿把基本常量、m、c的数值代上式，即 .024 2(1cos)，单位是 (埃) 由此可见，波长差仅与散射角度有关，与进射
15、射线的波长无关。这一简单的推理对于现代物理学来说早已成为普通常识，可是，康普顿却是得来不易的。这类现象的研究经历了一二十年，到1923才由康普顿做出正确结论，而康普顿自己也走了5年的曲折道路，并且在做出发现之后还经历了一场风波。从(131)式可知，波长的改变决定于角度，与进射射线的波长久。无关。也就是说，对于某一角度，波长改变的尽对值是定的。进射射线的波长越短，波长变化的相对值也就越大。我们知道，射线的波长比X射线小一两个量级，可以推测，康普顿效应对于射线要比X射线明显。正是由于这个缘故，早在1904年，即康普顿发现康普顿效应的19年前，英国物理学家伊夫(ASEve)就在研究射线的吸收和散射性
16、质时首先发现了康普顿效应的迹象。那时，射线还刚刚发现，除了穿透力极强以外，对于射线的特性可以说是一无所知，更不了解它和X射线只不过是波长不同的电磁波。伊夫发现，散射后的射线往往比进射射线要“软”些。后来，射线的散射题目经过多人研究，始终未能查明题目的实质。当时人们尚未判明X射线和射线的本质，不知道它们是不同波长的电磁辐射，只能唯象地总结实验现象。 1919年，康普顿已回美国圣路易斯的华盛顿大学，他立即用X射线检验他在剑桥大学用射线做的散射实验结果。他发现，晶体反射的单色X射线也能激发他所谓的荧光辐射，并且他还发现这种X辐射具有偏振性。 康普顿的解释固然有错，但在实验结果上却比别人前进了很多。他所以能在实验上取得优先于他人的成果，主要靠的是多年从事X射线研究的实际经验，
