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。

3、保持波长不变的部分散射光的散射角为0且强度最大似乎表明：入射的X射线光量子未与散射物质发生相互作用，或与散射物无动能和动量交换（这种可能性应该是不可能出现的。因为光量子不可能不与散射物质中的电子或原子核发生碰撞而毫无损伤地穿过散射物质）。此种现象应该是与常规的光学中的折射/透射光规律基本相同：光进入介质后为折射光，再从介质的另一侧出来则为透射光。此过程中，光会被介质界面反射/散射、折射/透射或转换/热辐射，通过介质内部的光速会发生明显变化，从介质的另一侧出来成为透射光时，速度又会恢复到介质外的速度。此过程中，光会与光路上的所有原子发生相互作用而不是不发生相互作用。也就是说：透过散射物质的X射线并非进入散射物质时的X射线，而是经散射物质改变而形成的次生的透射X射线。由此可见，上节第3款解释未发生波长变化部分的X射线是由于与原子内层电子相互碰撞但基本不改变动能的说法是相矛盾的。因为如果是与内层电子发生准弹性碰撞的话，则X射线应该被反射回来，其散射角应该为180度才对！

4、正反射（散射角为180度）的波长变化最大说明：按照光量子的说法，X射线不是与原子发生了完全弹性碰撞而被弹回来的光量子，而是与原子发生了非完全弹性碰撞并失去了部分动能才降低频率的。这个过程中，散射物质中的原子应该获得了光量子的部分动能而沿X射线方向运动。由此可见，上节第3款解释“与原子内层电子相互碰撞但基本不改变动能”的说法是相矛盾的。

5、散射物质的原子量与散射强度成反相关，而不影响散射频率变化规律说明：一方面散射只是由原子中的部分电子与X射线间的相互碰撞，并不是与原子整体发生碰撞，也没有与多个电子发生碰撞（这显然是不可能的。因为如果是光量子与电子发生相互作用，光量子不可能只与一个电子发生相互作用）；另一方向散射物质原子中的电子数量的增加不仅能提高光量子与电子的碰撞几率，反而减少了碰撞次数（这是光量子解释康普顿效应的巨大障碍）。而用X射线为变化的电磁场使散射物质产生次生的X射线就较好理解了。相同散射角上的散射X射线是由多个不同空间位置上的电子产生的次生X射线的矢量叠加且因相位不同而出现相互抵消而出现强度降低现象。因此，与光量子与电子相互碰撞而产生散射的规律是完全不同的：当光量子密度相同时，散射物质中的电子数量越多、密度越大时，被散射的光量子数量也越多才对，不应该反而变少！

三、康普顿效应机理分析

康普顿效应应该是由X射线使散射物质中原子中的电子发生运动状态的改变而产生的次生的反射/散射X射线。由于原子中的电子本身并非静止或匀速直接运动，而是在以较高的速度围绕原子核运动着。因此，当X射线照片到散射物质时，位于不同运动状态中的电子与X射线相互作用的结果会有所不同，其产生的次生X射线的性质自然也就不会相同。当X射线方向与电子运动方向一致时，一方面X射线会使电子加速前进而增加X射线一个周期开始与结束时电子沿X射线运动方向的位移量。另一方面，X射线会使原子核朝相反的方向运动但一个周期内的位移量会比较小而已。此时反射回去的X射线的频率会降低（相当于多普勒效应中的红移），因此，散射角为180度时的散射频率降幅最大；而与X射线方向不一致的朝其他方向的运动电子受到X射线作用而在一个周期内的位移量则呈余弦函数关系，即为与X射线与电子运动方向间的夹角θ的余弦cosθ正相关，θ值越大，位移量越小，其反射出去的次生X射线的频率变化也就越小。

下图4很好的诠释了电子运动时产生的次生X射线不同方位上的波长变化规律：沿电子运动方向的次生X射线的频率会上升，而沿电子运动反方向的次生X射线的频率会降低。

另一方面，从上图4还可进一步得出：康普顿效应很可能是因为X射线使散射物质内部的电子同时朝X射线方向移动，并在一个周期内移动的距离基本相等。因此，散射物质被X射线沿其运动方向极化为时变电偶极子。由此导致时变电偶极子产生了次生的X射线。虽然图中各个方向上的次生X射线的波长与康普顿散射公式描述的规律存在一定差异，主要是右侧的波长大于入射波的波长。但考虑到进入散射物质内部后，X射线的运动速度会下降，因此波长的减少与波带的降低基本成比例，以使频率基本不变。而从散射物质另一侧透射出来后，因速度又恢复到了散射物质外部的速度，波长自然也就会增大并与康普顿散射公式所描述的一致。因此，实测到的波长应该与入射波的波长差异就会减少。这也完全符合在介质内部的光速低于介质外部的客观规律。

四、检验光量子存在的方法探讨

为了检验康普顿效应到底是由X射线光量子与电子碰撞而出现动量/动能损失产生的散射，还是由X射线产生的变化电磁场使原子电偶极子化并导致电子同向位移而产生的次生X射线。我们可以用质量基本相等但携带电荷差异明显的中子与质子来进行康普顿效应实验。只是实验的光源可能需要进行必要的调整。按照康普顿波长[λ=h/(m0c)]，质子的质量是电子的约1836.5倍，质子与中子的质量仅差0.1%。因此，质子和中子的康普顿波长应该比电子的短1836.5倍左右。也就是可以用γ射线来进行类似的康普顿效应实验。即将康普顿效应中的自由电子分别置换成自由质子和中子，并严格控制质子和中子的空间分布密度。也就是在质子和中子密度完全相同时，对其照射同强度的γ射线，再检测被质子或中子散射到不同方位上的γ射线强度与频率。如果γ射线产生的散射效应不明显，可调整γ射线的频率继续进行实验。
以上实验结果有三种可能情况：一是质子和中子均出现了基本相同的康普顿效应；二是只有质子出现了康普顿效应；三是质子和中子均无康普顿效应。这三种情况分别对应于：

1、如果以上实验中，质子和中子均能观测到与自由电子类似的散射效应即康普顿效应，则说明光量子是存在的且携带了与其频率成正比的动能和动量；

2、如果只有质子会产生类似的康普顿效应，中子不能产生类似的效应，则说明光量子是不存在的。康普顿效应只是带电粒子中的电荷与γ射线产生的变化电磁场间的相应作用的结果；

3、如果质子和中子均不会产生类似的康普顿效应，就应该提高质子和中子的密度或照射光的强度和频率继续实验。直到出现以上1或2的结果为止。