康普頓誕辰 │ 科學史上的今天:09/10

光究竟是粒子還是波?這個問題自古即爭論不休,沒有定論。直到 1704 年牛頓出版《光學》一書,微粒說才因牛頓的崇高地位而壓過波動說,成為主流。不過,百年以後楊氏(Thomas Young)以雙狹縫實驗證實光具備波才有的干涉現象,後來法國物理學家菲涅耳(Augustin Fresnel)又提出更明確的實驗與理論,波動說自 1820 年代起又取代了微粒說。

沒想到 1900 年,普朗克提出量子的概念作為光的能量單位後,愛因斯坦竟又在 1905 年的論文中直接把光當成粒子,成功解釋了光電效應。然而已經普遍接受波動說的科學界大多無法認同,例如密立根就企圖以實驗駁斥光子說,只是沒想到他 1916 年得出的實驗數據反而吻合愛因斯坦的理論。即使如此,許多人仍對光子說持保留態度,最終能一錘定音,讓大家接受光也是粒子的,正是美國的物理學家康普頓(Arthur H. Compton, 1892-1962)。

康普頓於 1916 年取得博士學位後,當了一年講師,然後到西屋公司研發利用氣體放電的鈉燈。兩年後他前往劍橋大學的卡文迪許實驗室,跟G. P. 湯姆森一起研究 γ射線的散射。他對於散射後的γ射線變得比較容易被晶體吸收感到奇怪,因此 1920 年返國後,即開始用 X光作散射實驗。

透過光譜儀,康普頓發現部分散射後的 X光波長變長了,但正常而言,波反彈後不應該改變波長啊?另一方面,波長變長意味著能量變小,那麼短少的能量顯然是被晶體的電子吸收了。康普頓再從各種不同角度測量散射後的 X光,發現損失的能量與散射的角度有絕對的關係。

1923 年,康普頓發表論文提出解釋:如果將 X光散射視為光子與晶體中的電子像撞球那樣彼此相撞,那麼根據動量守恆所計算出來的結果,完全符合各種散射角度所測得的實驗數據;他並給出了「康普頓頻移公式」描述波長變化與散射角度的關係。也就是說在 X光散射中,X光表現得就像是粒子。

康普頓的實驗數據極為精確,難以挑剔,這多少歸功於他之前當研發工程師時的經驗,而能將測量儀器改造得更為靈敏。此一「康普頓效應」終於說服了原來存疑的物理學家接受愛因斯坦的光子說,光的波粒二象性從此成為共識,量子力學也因此有了牢固的基石。1927 年的諾貝爾物理獎因此頒獎給康普頓,以表揚他的重要發現。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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