作者：彭曉韜

日期：2020年01月10日

[文章摘要]：康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)一樣，被廣泛認定為支持光為光子的重要證據(jù)之一。但光電效應(yīng)因無法解釋紫限（高于一定頻率的光也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)）現(xiàn)象而倍受質(zhì)疑。同樣地，用光量子解釋康普頓效也存在不可逾越的障礙：光量子不可能只與單個電子發(fā)生一次碰撞，也不可能不與原子內(nèi)層電子甚至原子核碰撞。本文在簡略介紹康普頓效應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用光為變化的電磁場及無論是哪種輕元素中的電子并非自由電子，也非相對靜止的電子，而是相對內(nèi)層電子稍微自由一些的、被原子核相對較弱約束的電子的實際狀況，對康普頓效應(yīng)作出了較完美的解釋。也就是說，并不需要讓光成為頻率單一且攜帶與其頻率成正比動能和動量的光量子。在此基礎(chǔ)上，提出了驗證光子的設(shè)想。希望能給有興趣進一步了解光子存在的真實性的朋友們參考。

一、康普頓效應(yīng)簡介

1923年，美國物理學(xué)家康普頓在研究x射線通過實物物質(zhì)發(fā)生散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長λ0的x光外，還產(chǎn)生了波長λ>λ0 的x光，其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)(Compton Effect)。用經(jīng)典電磁理論來解釋康普頓效應(yīng)時遇到了困難，康普頓借助于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(xiàn)象進行了圓滿地解釋。我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)也曾對康普頓散射實驗作出了杰出的貢獻。

實驗結(jié)果：

1、散射光中除了和原波長λ0相同的譜線外還有λ>λ0的譜線。

2、波長的改變量Δλ=λ-λ0隨散射角φ(散射方向和入射方向之間的夾角)的增大而增加。

3、對于不同元素的散射物質(zhì)，在同一散射角下，波長的改變量Δλ相同。波長為λ的散射光強度隨散射物原子序數(shù)的增加而減小?？灯疹D利用光子理論成功地解釋了這些實驗結(jié)果。X射線的散射是單個電子和單個光子發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。碰撞前后動量和能量守恒，化簡后得到Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(φ/2)稱為康普頓散射公式。λ=h/(m0c)稱為電子的康普頓波長。為什么散射光中還有與入射光波長相同的譜線?內(nèi)層電子不能當成自由電子。如果光子和這種電子碰撞，相當于和整個原子相碰，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的譜線。由于內(nèi)層電子的數(shù)目隨散射物原子序數(shù)的增加而增加，所以波長為λ0的強度隨之增強，而波長為λ的強度隨之減弱。

康普頓散射只有在入射光的波長與電子的康普頓波長相比擬時，散射才顯著，這就是選用X射線觀察康普頓效應(yīng)的原因。而在光電效應(yīng)中，入射光是可見光或紫外光，所以康普頓效應(yīng)不明顯。

二、用光量子解釋康普頓效應(yīng)存在的缺陷

雖然用光具有與其頻率成正比動能和動量的光量子來解釋康普頓效應(yīng)好像很是完美，但其實并非如此！

1、散射角與頻率變化不符合客觀實際

由康普頓散射公式Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(φ/2)可知：

散射角φ為0度時，Δλ=0，為最小值；

散射角φ為180度時，Δλ=(2h/m0c)，為最大值。

這似乎意味著透射的X射線的波長是不變化的，而正反射（散射角為180度）的X射線的頻率變化最大。但我們知道：可見光波段的光學(xué)規(guī)律是：反射光與入射光頻率相同，而透射光在進入散射物質(zhì)內(nèi)部時的波長會減小（介質(zhì)內(nèi)部的速度低于大氣層內(nèi)或真空中，光在介質(zhì)內(nèi)部的頻率應(yīng)該基本不變，因此，介質(zhì)內(nèi)部的波長應(yīng)該變短）。透射光從散射物質(zhì)另一側(cè)出來后，波長和速度又會恢復(fù)成大氣層或真空中的波長和速度。

2、散射物質(zhì)中散射X射線的電子并非靜止或作勻速直線運動的自由電子：雖然一般金屬或物質(zhì)的最外層電子受到原子核的約束會比內(nèi)部電子要小得多，但也并不是靜止或勻速直線運動的自由電子，而是以一定頻率圍繞一個或多個原子核作類似圓周/啞鈴狀軌跡運動的電子。因此，當X射線照射到其上時，一方面因為電子本身在運動，其散射出來的次生X射線的頻率肯定會因電子運動方向的不同而發(fā)生變化，也就是會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而改變反射/散射光的頻率：電子與X射線運動方向相同時產(chǎn)生的散射頻率會降低；而電子與X射線運動方向相反時產(chǎn)生的散射頻率會升高；另一方面，X射線在電子周圍產(chǎn)生的變化電磁場會使電子改變運動狀態(tài)，致使一個周期開始與結(jié)束時刻的電子空間位置并不相同，致使反射/散射的次生X射線的頻率發(fā)生變化也是理所當然的。因此，圖1中將電子視為靜止狀態(tài)是不符合客觀實際的。如果將電子視為圍繞原子核高速圓周運動，而X射線與電子相遇的位置和電子的即時運動速度與方向就會不同時，其相互作用產(chǎn)生的次生X射線肯定會有所不同！不同位置上的電子改變運動狀態(tài)而導(dǎo)致原子產(chǎn)生的電偶極子的偶極方向也不盡相同。由電偶極子產(chǎn)生的次生X射線也自然會與入射的X射線性質(zhì)不同。如下圖3所示。

3、保持波長不變的部分散射光的散射角為0且強度最大似乎表明：入射的X射線光量子未與散射物質(zhì)發(fā)生相互作用，或與散射物無動能和動量交換（這種可能性應(yīng)該是不可能出現(xiàn)的。因為光量子不可能不與散射物質(zhì)中的電子或原子核發(fā)生碰撞而毫無損傷地穿過散射物質(zhì)）。此種現(xiàn)象應(yīng)該是與常規(guī)的光學(xué)中的折射/透射光規(guī)律基本相同：光進入介質(zhì)后為折射光，再從介質(zhì)的另一側(cè)出來則為透射光。此過程中，光會被介質(zhì)界面反射/散射、折射/透射或轉(zhuǎn)換/熱輻射，通過介質(zhì)內(nèi)部的光速會發(fā)生明顯變化，從介質(zhì)的另一側(cè)出來成為透射光時，速度又會恢復(fù)到介質(zhì)外的速度。此過程中，光會與光路上的所有原子發(fā)生相互作用而不是不發(fā)生相互作用。也就是說：透過散射物質(zhì)的X射線并非進入散射物質(zhì)時的X射線，而是經(jīng)散射物質(zhì)改變而形成的次生的透射X射線。由此可見，上節(jié)第3款解釋未發(fā)生波長變化部分的X射線是由于與原子內(nèi)層電子相互碰撞但基本不改變動能的說法是相矛盾的。因為如果是與內(nèi)層電子發(fā)生準彈性碰撞的話，則X射線應(yīng)該被反射回來，其散射角應(yīng)該為180度才對！

4、正反射（散射角為180度）的波長變化最大說明：按照光量子的說法，X射線不是與原子發(fā)生了完全彈性碰撞而被彈回來的光量子，而是與原子發(fā)生了非完全彈性碰撞并失去了部分動能才降低頻率的。這個過程中，散射物質(zhì)中的原子應(yīng)該獲得了光量子的部分動能而沿X射線方向運動。由此可見，上節(jié)第3款解釋“與原子內(nèi)層電子相互碰撞但基本不改變動能”的說法是相矛盾的。

5、散射物質(zhì)的原子量與散射強度成反相關(guān)，而不影響散射頻率變化規(guī)律說明：一方面散射只是由原子中的部分電子與X射線間的相互碰撞，并不是與原子整體發(fā)生碰撞，也沒有與多個電子發(fā)生碰撞（這顯然是不可能的。因為如果是光量子與電子發(fā)生相互作用，光量子不可能只與一個電子發(fā)生相互作用）；另一方向散射物質(zhì)原子中的電子數(shù)量的增加不僅能提高光量子與電子的碰撞幾率，反而減少了碰撞次數(shù)（這是光量子解釋康普頓效應(yīng)的巨大障礙）。而用X射線為變化的電磁場使散射物質(zhì)產(chǎn)生次生的X射線就較好理解了。相同散射角上的散射X射線是由多個不同空間位置上的電子產(chǎn)生的次生X射線的矢量疊加且因相位不同而出現(xiàn)相互抵消而出現(xiàn)強度降低現(xiàn)象。因此，與光量子與電子相互碰撞而產(chǎn)生散射的規(guī)律是完全不同的：當光量子密度相同時，散射物質(zhì)中的電子數(shù)量越多、密度越大時，被散射的光量子數(shù)量也越多才對，不應(yīng)該反而變少！

三、康普頓效應(yīng)機理分析

康普頓效應(yīng)應(yīng)該是由X射線使散射物質(zhì)中原子中的電子發(fā)生運動狀態(tài)的改變而產(chǎn)生的次生的反射/散射X射線。由于原子中的電子本身并非靜止或勻速直接運動，而是在以較高的速度圍繞原子核運動著。因此，當X射線照片到散射物質(zhì)時，位于不同運動狀態(tài)中的電子與X射線相互作用的結(jié)果會有所不同，其產(chǎn)生的次生X射線的性質(zhì)自然也就不會相同。當X射線方向與電子運動方向一致時，一方面X射線會使電子加速前進而增加X射線一個周期開始與結(jié)束時電子沿X射線運動方向的位移量。另一方面，X射線會使原子核朝相反的方向運動但一個周期內(nèi)的位移量會比較小而已。此時反射回去的X射線的頻率會降低（相當于多普勒效應(yīng)中的紅移），因此，散射角為180度時的散射頻率降幅最大；而與X射線方向不一致的朝其他方向的運動電子受到X射線作用而在一個周期內(nèi)的位移量則呈余弦函數(shù)關(guān)系，即為與X射線與電子運動方向間的夾角θ的余弦cosθ正相關(guān)，θ值越大，位移量越小，其反射出去的次生X射線的頻率變化也就越小。

下圖4很好的詮釋了電子運動時產(chǎn)生的次生X射線不同方位上的波長變化規(guī)律：沿電子運動方向的次生X射線的頻率會上升，而沿電子運動反方向的次生X射線的頻率會降低。

另一方面，從上圖4還可進一步得出：康普頓效應(yīng)很可能是因為X射線使散射物質(zhì)內(nèi)部的電子同時朝X射線方向移動，并在一個周期內(nèi)移動的距離基本相等。因此，散射物質(zhì)被X射線沿其運動方向極化為時變電偶極子。由此導(dǎo)致時變電偶極子產(chǎn)生了次生的X射線。雖然圖中各個方向上的次生X射線的波長與康普頓散射公式描述的規(guī)律存在一定差異，主要是右側(cè)的波長大于入射波的波長。但考慮到進入散射物質(zhì)內(nèi)部后，X射線的運動速度會下降，因此波長的減少與波帶的降低基本成比例，以使頻率基本不變。而從散射物質(zhì)另一側(cè)透射出來后，因速度又恢復(fù)到了散射物質(zhì)外部的速度，波長自然也就會增大并與康普頓散射公式所描述的一致。因此，實測到的波長應(yīng)該與入射波的波長差異就會減少。這也完全符合在介質(zhì)內(nèi)部的光速低于介質(zhì)外部的客觀規(guī)律。

四、檢驗光量子存在的方法探討

為了檢驗康普頓效應(yīng)到底是由X射線光量子與電子碰撞而出現(xiàn)動量/動能損失產(chǎn)生的散射，還是由X射線產(chǎn)生的變化電磁場使原子電偶極子化并導(dǎo)致電子同向位移而產(chǎn)生的次生X射線。我們可以用質(zhì)量基本相等但攜帶電荷差異明顯的中子與質(zhì)子來進行康普頓效應(yīng)實驗。只是實驗的光源可能需要進行必要的調(diào)整。按照康普頓波長[λ=h/(m0c)]，質(zhì)子的質(zhì)量是電子的約1836.5倍，質(zhì)子與中子的質(zhì)量僅差0.1%。因此，質(zhì)子和中子的康普頓波長應(yīng)該比電子的短1836.5倍左右。也就是可以用γ射線來進行類似的康普頓效應(yīng)實驗。即將康普頓效應(yīng)中的自由電子分別置換成自由質(zhì)子和中子，并嚴格控制質(zhì)子和中子的空間分布密度。也就是在質(zhì)子和中子密度完全相同時，對其照射同強度的γ射線，再檢測被質(zhì)子或中子散射到不同方位上的γ射線強度與頻率。如果γ射線產(chǎn)生的散射效應(yīng)不明顯，可調(diào)整γ射線的頻率繼續(xù)進行實驗。
以上實驗結(jié)果有三種可能情況：一是質(zhì)子和中子均出現(xiàn)了基本相同的康普頓效應(yīng)；二是只有質(zhì)子出現(xiàn)了康普頓效應(yīng)；三是質(zhì)子和中子均無康普頓效應(yīng)。這三種情況分別對應(yīng)于：

1、如果以上實驗中，質(zhì)子和中子均能觀測到與自由電子類似的散射效應(yīng)即康普頓效應(yīng)，則說明光量子是存在的且攜帶了與其頻率成正比的動能和動量；

2、如果只有質(zhì)子會產(chǎn)生類似的康普頓效應(yīng)，中子不能產(chǎn)生類似的效應(yīng)，則說明光量子是不存在的?？灯疹D效應(yīng)只是帶電粒子中的電荷與γ射線產(chǎn)生的變化電磁場間的相應(yīng)作用的結(jié)果；

3、如果質(zhì)子和中子均不會產(chǎn)生類似的康普頓效應(yīng)，就應(yīng)該提高質(zhì)子和中子的密度或照射光的強度和頻率繼續(xù)實驗。直到出現(xiàn)以上1或2的結(jié)果為止。

總結(jié)

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