作者：彭晓韬

日期：2020年01月10日

[文章摘要]：康普顿效应和光电效应一样，被广泛认定为支持光为光子的重要证据之一。但光电效应因无法解释紫限（高于一定频率的光也不能产生光电效应）现象而倍受质疑。同样地，用光量子解释康普顿效也存在不可逾越的障碍：光量子不可能只与单个电子发生一次碰撞，也不可能不与原子内层电子甚至原子核碰撞。本文在简略介绍康普顿效应的基础上，利用光为变化的电磁场及无论是哪种轻元素中的电子并非自由电子，也非相对静止的电子，而是相对内层电子稍微自由一些的、被原子核相对较弱约束的电子的实际状况，对康普顿效应作出了较完美的解释。也就是说，并不需要让光成为频率单一且携带与其频率成正比动能和动量的光量子。在此基础上，提出了验证光子的设想。希望能给有兴趣进一步了解光子存在的真实性的朋友们参考。

一、康普顿效应简介

1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长λ0的x光外，还产生了波长λ>λ0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难，康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。我国物理学家吴有训也曾对康普顿散射实验作出了杰出的贡献。

实验结果：

1、散射光中除了和原波长λ0相同的谱线外还有λ>λ0的谱线。

2、波长的改变量Δλ=λ-λ0随散射角φ(散射方向和入射方向之间的夹角)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Δλ相同。波长为λ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，化简后得到Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(φ/2)称为康普顿散射公式。λ=h/(m0c)称为电子的康普顿波长。为什么散射光中还有与入射光波长相同的谱线?内层电子不能当成自由电子。如果光子和这种电子碰撞，相当于和整个原子相碰，碰撞中光子传给原子的能量很小，几乎保持自己的能量不变。这样散射光中就保留了原波长的谱线。由于内层电子的数目随散射物原子序数的增加而增加，所以波长为λ0的强度随之增强，而波长为λ的强度随之减弱。

康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相比拟时，散射才显著，这就是选用X射线观察康普顿效应的原因。而在光电效应中，入射光是可见光或紫外光，所以康普顿效应不明显。

二、用光量子解释康普顿效应存在的缺陷

虽然用光具有与其频率成正比动能和动量的光量子来解释康普顿效应好像很是完美，但其实并非如此！

1、散射角与频率变化不符合客观实际

由康普顿散射公式Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(φ/2)可知：

散射角φ为0度时，Δλ=0，为最小值；

散射角φ为180度时，Δλ=(2h/m0c)，为最大值。

这似乎意味着透射的X射线的波长是不变化的，而正反射（散射角为180度）的X射线的频率变化最大。但我们知道：可见光波段的光学规律是：反射光与入射光频率相同，而透射光在进入散射物质内部时的波长会减小（介质内部的速度低于大气层内或真空中，光在介质内部的频率应该基本不变，因此，介质内部的波长应该变短）。透射光从散射物质另一侧出来后，波长和速度又会恢复成大气层或真空中的波长和速度。

2、散射物质中散射X射线的电子并非静止或作匀速直线运动的自由电子：虽然一般金属或物质的最外层电子受到原子核的约束会比内部电子要小得多，但也并不是静止或匀速直线运动的自由电子，而是以一定频率围绕一个或多个原子核作类似圆周/哑铃状轨迹运动的电子。因此，当X射线照射到其上时，一方面因为电子本身在运动，其散射出来的次生X射线的频率肯定会因电子运动方向的不同而发生变化，也就是会产生多普勒效应而改变反射/散射光的频率：电子与X射线运动方向相同时产生的散射频率会降低；而电子与X射线运动方向相反时产生的散射频率会升高；另一方面，X射线在电子周围产生的变化电磁场会使电子改变运动状态，致使一个周期开始与结束时刻的电子空间位置并不相同，致使反射/散射的次生X射线的频率发生变化也是理所当然的。因此，图1中将电子视为静止状态是不符合客观实际的。如果将电子视为围绕原子核高速圆周运动，而X射线与电子相遇的位置和电子的即时运动速度与方向就会不同时，其相互作用产生的次生X射线肯定会有所不同！不同位置上的电子改变运动状态而导致原子产生的电偶极子的偶极方向也不尽相同。由电偶极子产生的次生X射线也自然会与入射的X射线性质不同。如下图3所示。