康 かん 普 ひろし 頓 ひたすら 散 ち 射 い
在 ざい 原子 げんし 物理 ぶつり 学 がく 中 なか ,康 かん 普 ひろし 顿散射 しゃ ,或 ある 称 しょう 康 かん 普 ひろし 顿效应 (英語 えいご :Compton effect ),是 ぜ 指 ゆび 当 とう X射 い 线 或 ある 伽 とぎ 马射线的 てき 光子 こうし 跟物质相互 そうご 作用 さよう ,因 いん 失 しつ 去 さ 能 のう 量 りょう 而导致波长变长的现象。相 あい 应的还存在 そんざい 逆 ぎゃく 康 かん 普 ひろし 顿效应 ——光子 こうし 获得能 のう 量 りょう 引起波 は 长变短 たん 。这一波长变化的幅度被称为康 かん 普 ひろし 顿偏移 うつり 。
康 かん 普 ひろし 顿效应通常 つうじょう 指物 さしもの 质电子 こ 雲 くも 与 あずか 光子 こうし 的 てき 相互 そうご 作用 さよう ,但 ただし 还有物 ぶつ 质原子核 げんしかく 与 あずか 光子 こうし 的 てき 相互 そうご 作用 さよう ——核 かく 康 かん 普 ひろし 顿效应存在 そんざい 。
康 かん 普 ひろし 顿效应首先 さき 在 ざい 1923年 ねん 由美 ゆみ 国 こく 物理 ぶつり 学 がく 家 か 阿 おもね 瑟·康 かん 普 ひろし 顿 观察到,并在随 ずい 后 きさき 的 てき 几年间由他 た 的 てき 研究生 けんきゅうせい 吴有训 证实了 りょう 其普遍 ふへん 性 せい 。康 かん 普 ひろし 顿因发现此效应而获得1927年 ねん 的 てき 诺贝尔物理学 りがく 奖 。
这个效 こう 应反映 はんえい 出光 いでみつ 不 ふ 仅仅具有 ぐゆう 波 なみ 动性 。此前汤姆孙散射 しゃ 的 てき 经典波 は 动理论并不能 ふのう 解 かい 释此处波长偏移 うつり 的 てき 成因 せいいん ,必须引入光 こう 的 てき 粒子 りゅうし 性 せい 。这一实验说服了当时很多物理学家相信,光 ひかり 在 ざい 某 ぼう 种情况下表 ひょう 现出粒子 りゅうし 性 せい ,光 ひかり 束 たば 类似一 いち 串 くし 粒子 りゅうし 流 りゅう ,而该粒子 りゅうし 流 りゅう 的 てき 能 のう 量 りょう 与 あずか 光 ひかり 频率成 なり 正 せい 比 ひ 。
在 ざい 引入光子 こうし 概念 がいねん 之 の 后 きさき ,康 かん 普 ひろし 顿散射 い 可 か 以得到 いた 如下解 かい 释:电子与 あずか 光子 こうし 发生弹性碰撞 (彈性 だんせい 碰撞產 さん 生 せい 的 てき 非 ひ 彈性 だんせい 散 ち 射 い ),电子获得光子 こうし 的 てき 一部分能量而反弹,失 しつ 去 さ 部分 ぶぶん 能 のう 量的 りょうてき 光子 こうし 则从另一方 いっぽう 向 こう 飞出,整 せい 个过程 ほど 中 ちゅう 总动量 守恒 もりつね ,如果光子 こうし 的 てき 剩余 じょうよ 能 のう 量 りょう 足 あし 够多的 てき 话,还会发生第 だい 二次甚至第三次弹性碰撞。
康 かん 普 ひろし 顿散射 い 可 か 以在任 ざいにん 何 なん 物 ぶつ 质中发生。当 とう 光子 こうし 从光子 こうし 源 げん 发出,射 しゃ 入 いれ 散 ち 射 い 物 ぶつ 质(一般 いっぱん 指 ゆび 金属 きんぞく )时,主要 しゅよう 是 ぜ 与 あずか 电子发生作用 さよう 。如果光子 こうし 的 てき 能 のう 量 りょう 相当 そうとう 低 ひく (与 あずか 电子束 たば 缚能同 どう 数量 すうりょう 级),则主要 よう 产生光 こう 电效应,原子 げんし 吸收 きゅうしゅう 光子 こうし 而产生 せい 电离。如果光子 こうし 的 てき 能 のう 量 りょう 相当 そうとう 大 だい (远超过电子 こ 的 てき 束 たば 缚能)时,则我们可以认为光子 こうし 对自由 じゆう 电子发生散 ち 射 い ,而产生 せい 康 かん 普 ひろし 顿效应。如果光子 こうし 能 のう 量 りょう 极其大 だい (>1.022百 ひゃく 萬 まん 电子伏 ふく 特 とく )则足以轰击原子核 げんしかく 而生成 せいせい 一 いち 对粒子 こ :电子和正 かずまさ 电子,这个现象被 ひ 称 しょう 为成 なり 對 たい 產 さん 生 せい 。
由 よし 於光子 こうし 具有 ぐゆう 波 は 粒 つぶ 二 に 象 ぞう 性 せい ,因 いん 此,應 おう 該可以用波動 はどう 理論 りろん 詮 かい 釋 しゃく 這效應 おう 。埃 ほこり 尔温·薛定谔 於1927年 ねん 給 きゅう 出 で 半 はん 經典 きょうてん 理論 りろん 。這理論 ろん 是 ぜ 用 よう 古典 こてん 電動 でんどう 力學 りきがく 來 らい 描述光子 こうし ,用 よう 量子力學 りょうしりきがく 來 らい 描述電子 でんし 。[ 1] :28, 286
康 かん 普 ひろし 顿本人 じん 引用 いんよう 光 ひかり 电效应和 わ 狭 せま 义相对论来 らい 解 かい 释这一 いち 现象,并依据 すえ 余弦 よげん 定律 ていりつ 推导得 とく 出 で 康 かん 普 ひろし 顿频移 うつり 公式 こうしき
λ らむだ
−
λ らむだ
0
=
h
m
c
(
1
−
cos
θ しーた
)
{\displaystyle \lambda -\lambda _{0}={\frac {h}{mc}}\left(1-\cos \theta \right)}
其中的 てき 符號 ふごう 對應 たいおう 如下
λ らむだ
0
{\displaystyle \lambda _{0}\,}
撞前波 は 长
λ らむだ
{\displaystyle \lambda \,}
撞後波 は 长
m
{\displaystyle m\,}
电子质量
θ しーた
{\displaystyle \theta \,}
光子 こうし 方向 ほうこう 转动角 かく (碰撞前後 ぜんご 的 てき 路 ろ 径 みち 夹角)
h
{\displaystyle h\,}
普 ひろし 朗 ろう 克 かつ 常数 じょうすう
c
{\displaystyle c\,}
光速 こうそく
推導要件 ようけん :
p
0
{\displaystyle \mathbf {p} _{0}\,}
撞前光子 こうし 動 どう 量 りょう
p
{\displaystyle \mathbf {p} \,}
撞後光子 こうし 動 どう 量 りょう
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,}
撞後電子 でんし 速度 そくど
γ がんま
=
1
1
−
(
v
/
c
)
2
{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\left(\mathbf {v} /c\right)^{2}}}}}
p
0
=
p
+
γ がんま
m
v
{\displaystyle \mathbf {p} _{0}=\mathbf {p} +\gamma m\mathbf {v} }
动量守恒 もりつね
|
p
0
|
c
+
m
c
2
=
|
p
|
c
+
γ がんま
m
c
2
{\displaystyle \left|\mathbf {p} _{0}\right|c+mc^{2}=\left|\mathbf {p} \right|c+\gamma mc^{2}}
能 のう 量 りょう 守恒 もりつね
|
p
|
=
h
λ らむだ
{\displaystyle \left|\mathbf {p} \right|={\frac {h}{\lambda }}}
物質 ぶっしつ 波 は 公式 こうしき
推导如下:
p
0
2
+
p
2
−
2
|
p
0
|
|
p
|
cos
θ しーた
=
(
p
0
−
p
)
2
=
(
γ がんま
m
v
)
2
=
(
γ がんま
m
c
)
2
−
(
m
c
)
2
=
(
|
p
0
|
+
m
c
−
|
p
|
)
2
−
(
m
c
)
2
=
(
|
p
0
|
−
|
p
|
)
(
|
p
0
|
+
2
m
c
−
|
p
|
)
=
p
0
2
+
p
2
−
2
|
p
0
|
|
p
|
+
2
m
c
(
|
p
0
|
−
|
p
|
)
{\displaystyle {\begin{array}{rcl}\mathbf {p} _{0}^{2}+\mathbf {p} ^{2}-2\left|\mathbf {p} _{0}\right|\left|\mathbf {p} \right|\cos \theta &=&\left(\mathbf {p} _{0}-\mathbf {p} \right)^{2}=\left(\gamma m\mathbf {v} \right)^{2}\\&=&\left(\gamma mc\right)^{2}-\left(mc\right)^{2}=\left(\left|\mathbf {p} _{0}\right|+mc-\left|\mathbf {p} \right|\right)^{2}-\left(mc\right)^{2}\\&=&\left(\left|\mathbf {p} _{0}\right|-\left|\mathbf {p} \right|\right)\left(\left|\mathbf {p} _{0}\right|+2mc-\left|\mathbf {p} \right|\right)\\&=&\mathbf {p} _{0}^{2}+\mathbf {p} ^{2}-2\left|\mathbf {p} _{0}\right|\left|\mathbf {p} \right|+2mc\left(\left|\mathbf {p} _{0}\right|-\left|\mathbf {p} \right|\right)\end{array}}}
移項 いこう 得 どく :
1
−
cos
θ しーた
m
c
=
|
p
0
|
−
|
p
|
|
p
0
|
|
p
|
=
1
|
p
|
−
1
|
p
0
|
=
λ らむだ
h
−
λ らむだ
0
h
{\displaystyle {\frac {1-\cos \theta }{mc}}={\frac {\left|\mathbf {p} _{0}\right|-\left|\mathbf {p} \right|}{\left|\mathbf {p} _{0}\right|\left|\mathbf {p} \right|}}={\frac {1}{\left|\mathbf {p} \right|}}-{\frac {1}{\left|\mathbf {p} _{0}\right|}}={\frac {\lambda }{h}}-{\frac {\lambda _{0}}{h}}}
也就是 ぜ
λ らむだ
−
λ らむだ
0
=
h
m
c
(
1
−
cos
θ しーた
)
{\displaystyle \lambda -\lambda _{0}={\frac {h}{mc}}\left(1-\cos \theta \right)}
康 かん 普 ひろし 顿效应对放射 ほうしゃ 生物 せいぶつ 学 がく 十分 じゅうぶん 重要 じゅうよう ,由 ゆかり 於它是 ぜ 高 だか 能 のう 量 りょう X射 い 线与生物 せいぶつ 中 ちゅう 的 てき 原子核 げんしかく 间,最 さい 有 ゆう 可能 かのう 发生的 てき 相互 そうご 作用 さよう ,因 いん 此亦被 ひ 应用於放射 ほうしゃ 疗法 。
材料 ざいりょう 物理 ぶつり 中 ちゅう ,康 かん 普 ひろし 顿效应可以用於探测物质中的 てき 电子波 なみ 函数 かんすう 。
康 かん 普 ひろし 顿效应也是 ぜ 伽 とぎ 马射线光 ひかり 谱学中 なか 的 てき 重要 じゅうよう 效 こう 应,它是在 ざい 光 ひかり 谱图表 ひょう 上 じょう 產 さん 生 せい 康 かん 普 ひろし 顿边缘 (Compton edge)的 てき 原因 げんいん ,因 いん 为伽马射线有可能 かのう 被 ひ 散 ち 射出 しゃしゅつ 所用 しょよう 的 てき 探 さがせ 测器以外 いがい 。康 かん 普 ひろし 顿抑压法 (用 よう 较廉价的探 さがせ 测器去 さ 包 つつみ 围较高 だか 价的主 ぬし 探 さがせ 测器)被 ひ 用 よう 於探测走散 ち 的 てき 散 ち 射 い 伽 とぎ 马射线而抵消此作用 よう 带来的 てき 影 かげ 响。
逆 ぎゃく 康 かん 普 ひろし 顿散射 しゃ 在 ざい 天体 てんたい 物理 ぶつり 学 がく 上 うえ 有 ゆう 重要 じゅうよう 意 い 义。在 ざい X射 い 线天文学 ぶんがく 中 なか ,黑 くろ 洞 ほら 周 しゅう 围的吸积盘 被 ひ 认为会 かい 产生热辐射 しゃ 。此辐射 しゃ 所 しょ 产生的 てき 低能 ていのう 光子 こうし 会 かい 与 あずか 黑 くろ 洞 ほら 的 てき 晕中的 てき 相 あい 对论性 せい 电子 发生逆 ぎゃく 康 かん 普 ひろし 顿散射 い ,从而获得能 のう 量 りょう 。此现象 ぞう 被 ひ 视为是 ぜ 吸积黑 くろ 洞 ほら 的 てき X射 い 线光谱(0.2-10千 せん 电子伏 ふく )中 ちゅう 幂次项的成因 せいいん 。
当 とう 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射穿 ほじ 过星 ほし 系 けい 团周 しゅう 围的热气体 たい 时,逆 ぎゃく 康 かん 普 ひろし 顿效应亦能 のう 被 ひ 观测到。宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 光子 こうし 被 ひ 气体中 ちゅう 的 てき 电子散 ち 射 い 到 いた 更 さら 高 だか 的 てき 能 のう 量 りょう 去 さ ,即 そく 所 しょ 观测到的 てき 苏尼亚耶夫 おっと -泽尔多 た 维奇效 きこう 应 。
^ George Greenstein; Arthur Zajonc. The Quantum Challenge: Modern Research on the Foundations of Quantum Mechanics. Jones & Bartlett Learning. 2006. ISBN 978-0-7637-2470-2 .