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康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”( 二 )


1927年的物理学奖颁给了两个完全不同的工作 。 一半奖金由美国物理学家康普顿（Arthur Compton）得到 ， 以表彰“发现了以他名字命名的效应”——康普顿效应 。 另一半由英国核物理先驱威尔逊（C.R.T. Wilson）得到 ， 表彰他“用蒸汽凝聚使带电粒子的径迹成为可见的方法” 。
康普顿散射实验是物理学史上的经典实验之一 ， 当X射线或γ射线对电子散射时 ， 散射后的射线不仅有原波长的射线 ， 还有波长更长的射线的出现 ， 而两者的波长差跟散射角度有关 ， 这种现象被称之为康普顿效应 。 实际上这一现象并不是康普顿最先观察到的 ， 早在1904年英国物理学家伊夫（A. S. Eve）就发现了γ射线有康普顿效应的迹象 ， 但是那时γ射线刚被发现 ， 根本不知道其本质 。
1919年 ， 康普顿来到卡文迪许实验室进行γ射线的研究 ， 他以精湛的实验技术测定了γ射线的波长 ， 发现散射后的波长变得更长 ， 之后也发现了X射线有相同的现象 。 尽管实验做得出色 ， 可这种现象的理论解释一直存在困难 ， 为此康普顿还提出过一些基于经典物理的模式模型 ， 但这些解释都不完美 。
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
康普顿散射模型公式丨图源：hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
1922年 ， 康普顿只依靠物理学中最基本的两个守恒——动量守恒和能量守恒 ， 利用光量子模型 ， 推导出了一个相当简单的方程 。 散射后波长变长实际上就是入射光子的部分能量转移到了电子上 。 这种解释直接呈现出了辐射的量子性质 ， 首次直接证实了爱因斯坦从光电效应中提出的光量子假说 ， 像γ射线这样的电磁辐射也可以被描述为光子 ， 光子不仅有能量 ， 也有动量 。
在物理学发展历程中 ， 光电效应已占有十分重要的位置 ， 而康普顿效应则更进一步 ， 为理解光的波粒二象性和物质波假说提供了令人信服的证据 ， 给量子力学的发展提供了进一步的实验依据 。 （直至今天仍有许多问题 ， 相关内容见《康普顿散射的新进展》）
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
康普顿（Arthur H. Compton ， 1892-1962）丨图源：photos.aip.org
【康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”】值得一提的是 ， 康普顿的学生 ， 中国物理学家吴有训在散射实验中做出了很多贡献 ， 证实了康普顿效应的普遍性 。 另一位中国物理学家赵忠尧在康普顿散射实验中最早发现了正电子 。 可惜他们都没能获得诺奖 。 （参见《LIGO-Virgo发现所谓“不可能”黑洞 ， 黑洞质量禁区真的存在吗？》插曲一节）
这一年的另外一半诺奖工作其实和康普顿效应有直接关系 。 威尔逊的贡献是发明了云室（cloud chamber）——一种可以探测粒子轨迹的装置 ， 也是最早的带电粒子探测器 ， 因此也称威尔逊云室 。
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
威尔逊（C.T.R. Wilson ， 1869-1959） 丨图源：thefamouspeople.com
这项装置的发明可以追溯到威尔逊在高山上当观测员时 。 他对太阳照在山峰的云雾显示出奇异的光学现象感到好奇 ， 想在实验室模拟实验 。 1895年 ， 威尔逊根据前人的工作设计了一套使蒸气冷凝成云雾的装置 ， 也就是早期的云室 。 同时 ， 他也意识到了一个前人留下的问题：为什么在空气中没有尘埃时就不能产生云雾 ， 是因为膨胀比不够大 。 在去除尘埃的精准测量后 ， 他发现气体中存在某种凝结核心并且大小不超过分子 ， 云雾正是由这种凝结核成为可见的液滴而形成 ， 便推测凝结核是否是带电的原子 。
在卡文迪许实验工作的威尔逊有机会用到早期的X射线管 ， 他就用X射线照射云室的气体 ， 结果发现了空气在X射线下发生了电离 ， 这正是他的导师汤姆逊（J. J. Thomson）气体导电理论所得到的结论（该研究获得了1906年诺贝尔物理学奖） 。
之后几年 ， 威尔逊不断改进实验 ， 到1911年他发明了威尔逊云室 ， 利用蒸汽绝热膨胀 ， 温度降低后会达到过饱和状态 ， 此时如果有带电粒子进入过饱和区域 ， 就会使路径上的气体分子电离 ， 这些离子就能作为凝结核使水蒸汽凝结成可见的液滴 ， 从而把粒子的路径显示出来 ， 并且结果可以被拍下来 。 他通过云室找出了α和β粒子的轨迹 ， 证实了X射线具有粒子性 ， 自此云室成为了研究核物理及粒子物理的有力实验工具 ，。
1932年 ， 美国物理学家安德森（Carl Anderson）正是用云室拍下了正电子的轨迹 ， 发现了第一个反粒子 ， 获得了1936年的诺贝尔物理学奖 。 额外提一句 ， 这一年诺贝尔物理学奖看似也是“拼桌” ， 另一半奖励给了奥地利裔美国物理学家赫斯（Victor Hess） ， 表彰他对宇宙射线的发现 。 但正电子正是在宇宙射线中发现的 ， 两者有密切联系 。
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”


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