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[物理史] 康普顿(Arthur H. Compton)的诞

所属栏目: X生活画 时间:2020-06-10 浏览:112
[物理史] 康普顿(Arthur H. Compton)的诞

图1:康普顿(Arthur H. Compton)

1895 年,伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen)在研究阴极射线时,发现了 X 射线。虽然当时有人建议将此新射线命名为「伦琴射线」,但因它的本质是个谜,所以伦琴还是坚持以数学上用以代表未知数的符号「X」来称呼它。由于伦琴所发现新型态的射线可以穿透身体的软组织,看得见骨头,在医学诊断上助益很大,所以马上在全球各地引起轰动。科学家对此新射线更是着迷,用尽各种方法,希望能揭开它的谜底,了解它的本质。1923 年,康普顿(Arthur H. Compton)提出了答案,X 光是短波长的电磁波,同时带有波和粒子的性质。

康普顿于 1892 年 9 月 10 日出生在美国俄亥俄州伍斯特(Wooster, Ohio),家学渊源,父亲艾利亚斯.康普顿是伍斯特大学的哲学教授、院长与代理校长。康普顿兄弟三人都是普林斯顿大学的博士,当时传为美谈;大哥卡尔曾任麻省理工学院校长,二哥威尔森则曾任华盛顿州立大学校长,他自己也当过圣路易斯华盛顿大学的校长,堪称「校长之家」。

大学期间,康普顿获得了一项以迴转仪技术控制飞机的专利,因而欲专攻机械工程。但后来他受到哥哥的影响,也追随哥哥到普林斯顿大学深造物理,1916 年,他完成论文〈X 光的反射及原子内部电子的分布〉,获得博士学位。

伦琴发现 X 光后不久,法国科学家萨格纳克(Georges Sagnac)即注意到,当 X 光照射到任何物质,不管是固体、液体或气体,都会引发次级辐射,此现象提供了研究 X 光本质的极佳平台;接着斯托克斯(G. G. Stokes,1819-1903,英国物理及数学家,1849-1903 任剑桥大学 Lucasian 讲座教授)提出了 X 光为电磁脉冲的观点。1903 年,汤木生(Joseph John Thomson,发现电子,1906 年诺贝尔物理奖)将斯托克斯的观点进一步延伸,提出电磁脉冲,即 X 光,照射在物体上时,电磁场会让物体中的电子加速;依照马克斯威的电磁论,电子会将吸收的能量以相同频率的电磁波辐射出去,即所谓的次级辐射。汤木生所导出的次级辐射的角分布形状,在教科书中通称为汤木生公式。

经由一系列的实验,巴克拉(C. G. Barkla,因研究 X 光获得 1917 年诺贝尔物理奖)印证了汤木生公式的正确性,并发现次级辐射也像光在天空中的散射一样,带有极化性。1912 年,劳厄(Max von Laue,1914 年诺贝尔物理奖)完成了 X 光行经晶体所出现的绕射实验,X 光的波动本质终于获得物理学家广泛的认同,其中还包括极力主张 X 光是由质点组成的威廉.布拉格(W. H. Bragg,1915 年诺贝尔物理奖)。

此外,巴克拉还发现,次级辐射中也含有一些与原入射 X 光波长不同的辐射,他称之为「特徵辐射」。因绝大多数特徵辐射的性质均与入射 X 光无关,只视被照射的物质而定,也就是说,这些特徵辐射反映了被照射物质的特性。不过,巴克拉还观察到少量的特徵辐射,波长与原入射 X 光相差不大,与被照射的物质亦无关,他称之为「J 特徵辐射」。

康普顿获得博士学位后,先到明尼苏达大学任教一年,再转赴匹兹堡的西屋灯具公司工作,并为讯号公司研发飞行仪器。二年后,他获得国家研究委员会的奖学金,得以到剑桥大学卡文迪西实验室进修,与汤木生的儿子乔治.汤木生(G. P. Thomson,1937 年诺贝尔物理奖)合作研究 $$\gamma$$(伽玛)射线的散射与吸收。他发现 $$\gamma$$ 射线所产生的次级辐射比较容易被物质吸收,而吸收率的增加被认为是因辐射的波长变大所致,但当时康普顿并无法由吸收率的变化精确地决定出波长的增加量。

一年后,康普顿离开了剑桥,接任华盛顿大学教授职兼物理系主任。他立即着手研究,将 $$\gamma$$ 射线的散射延伸到 X 光範围,以绕射方法精确地测定入射与散射的 X 光波长。他将石墨块置于以钼为标靶的 X 射线管外做为散射体,再以铅板阻绝主辐射,并以几组细缝引导次级辐射照在方解石晶体做成的绕射光栅上;当散射角度是 $$90^\circ$$ 时,出现的光谱有二条:一是原辐射钼的 $$\mathrm{K_{\alpha}}$$ 线,另一则是波长增加 $$0.024\mathrm{\overset{\circ}{A}~(1\overset{\circ}{A}=10^{-8}cm)}$$ 的谱线。康普顿解释,波长增加 $$0.024\mathrm{\overset{\circ}{A}}$$ 谱线的次级辐射是源自主辐射被散射体内电子所散射的。

当时美国国研会成立一次极辐射研究小组,由哈佛大学教授杜安(William Duane)主持。康普顿将他的发现放在小组的报告中,但杜安不相信他的结果,反对将其收录在正式出版的报告中,幸好赫耳(W. Hull)坚持,康普顿的论文才得以登出。

康普顿的论文一发表出来,在苏黎世联邦理工大学(ETH),原即有着类似想法的德拜(P. Debye,1936 年诺贝尔化学奖)马上写了一篇论文,解释康普顿所观测的波长变化,论点基本上与康普顿的假设相同。康普顿完整的论文于《物理评论》(Physical Review)中刊出后几天,德拜有关散射波长变化的论文亦在《物理学刊》(Physickalische Zeitschrift)中发表。

[物理史] 康普顿(Arthur H. Compton)的诞

图2:康普顿于1922年的实验装置:T为X射线管,R为散射体石墨,X光经由细缝引导入射于绕射光栅─方解石晶体,以测出其波长。

1923 年,康普顿在美国物理学会四月年会上报告,说明他发现次极辐射频谱出现了差距约有 $$0.024\mathrm{\overset{\circ}{A}}$$ 的双峰结构及其解释,引起了极大的轰动。由于杜安无法认同康普顿的看法,所以美国物理学会于该年底的年会中安排了一场两人的正式辩论会,会后两人还互访对方的实验室,实际了解实验结果相异的原因。后来,威尔森(C. T. R. Wilson)经由他发明的云雾室观测到 X 射线与电子碰撞后,反冲电子的轨迹与康普顿的理论预测相吻合,杜安才接受康普顿的见解。威尔森和康普顿于 1927 年因此发现同获诺贝尔物理奖,X 光量子与电子碰撞以致波长增长的发现之后被称为「康普顿散射」。

爱因斯坦对光电效应的解释说明光具有波及粒子的双重特性,康普顿效应则说明短波的电磁波如 X 光也带有波及粒子的双重特性。这让物理学家确信所有的电磁波,不管波长大小,都具有波及粒子的双重特性,也多少启发了德布罗意(L. de Broglie,1929 年诺贝尔物理奖)在 1927 年提出电子应该也具有波及粒子的双重特性。

1923 年,康普顿被芝加哥大学延揽, 1941 年 4 月,美国国家科学院成立研究委员会,探讨原子能可能的军事用途,康普顿担任主席。之后,康普顿全力投入原子弹的研究工作,领导芝加哥大学的冶金实验室,负责钋-239 的生产,以用来製造原子弹。当费米(E. Fermi,1938 年诺贝尔物理奖)于 1942 年 12 月在芝加哥成功地完成第一个核分裂的连锁反应时,康普顿立即以密语向知情人士宣布:「义大利那位航海家(指费米)已经抵达新大陆了。」的确,原籍义大利的费米正如 400 多年前的哥伦布一样,获得了惊天动地的成就,对人类善恶的影响很深远。

第二次世界大战后,康普顿离开芝大,回到华盛顿大学担任校长,直到 1956 年才卸任。在任校长期间,康普顿延揽了许多国际知名学者,大幅提升了学校的名气。1961 年,康普顿退休,隔年因脑溢血病逝加州柏克莱。


原文刊载于物理双月刊2013年10月号35卷第5期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。


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