康普頓 X光撞擊電子實驗 Compton's Effect

化學原理啟迪298

《CHARIOTS OF FIRE》

1.     如果「光速」可視為一股粒子流（光子），這些光子有沒有質量呢？這個問題的答案是「沒有」，光子並不像古典物理學的物質粒子那樣具備靜止狀態的質量。

2.     愛因斯坦的公式認為光子有「量子數momentum」，這是光子本身固有的性質，不會受質量與速度的影響，跟古典物理學的粒子定義不同。（量子數就是一種能量的「質量」，愛因斯坦應該認為光子是有質量的）。

3.     1922年美國物理學家康普頓Arthur Compton進行一個實驗，用X光碰撞電子，這些實驗顯示：

1.光子確實具備愛因斯坦公式所計算出來的量子數。

2.光子確實受到萬有引力的影響，如同愛因斯坦相對論所說的。

4.     我們必須瞭解光子不是一般的粒子，光子的質量是一種比較出來的東西，光子並沒有靜止的質量。

5.     從普朗克與愛因斯坦的研究成果，我們得到重要的結論：

l   「能量」是可以量化的quantized。能量是以個別的單位傳輸，稱為量子quanta。

l    電磁輻射，大家原本以為它只有波的性質，其實也具有某些特殊的物質性質。電磁輻射同時具有波與物質的性質，稱為「光的二元性 dual nature of light」。

n      翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Britannica Mobile、Chambrebrouillard

徐弘毅：

1.   人類原本並不知道光與電之間的因果關係，愛因斯坦的「光電效應理論」確定光與電可以互相轉換，但是大家還是不清楚，光子是怎麼樣讓金屬板發電？過程細節到底是什麼？康普頓的實驗就是要細膩地說明這個過程。

2.   康普頓用X射線或γ射線的光子流照射原子，結果，光子流用力推開了電子，並且因為消耗一些能量（力）在對抗原子核對電子的控制，自己也耗損了一些能量，變成能量比較低的光子流（波長比較長）。

3.   康普頓的實驗證明，確實是光（粒子流）的能量，推開了金屬板上原子的電子，造成了電流，並且因為光（粒子流）部分能量轉移到電子身上，光（粒子流）的能量因而衰減了。

4.   為什麼光讓金屬板發電，必須超越「閥值」門檻？ 金屬板上所有的電子都被原子核牢牢控制住，依據牛頓第三運動定律「作用力等於反作用力」，光子流要推開電子，代表光子流作用在電子的能量（力）必須能夠對抗原子核對電子的引力（能量），因此如果光子本身能量不夠強（頻率低於閥值），那是無法對抗原子核對電子的引力。

5.   康普頓如何證明「光子確實具備愛因斯坦公式所計算出來的量子數」？康普頓先計算「撞擊金屬原子的光子流能量」，再計算「撞擊之後光子流的能量」，以上這二股能量相減，得到的是光子流推動電子消耗掉的能量，這是不是電子脫離原子核的能量？

6.   電子原本是被原子核控制，繞著原子核進行慣性運動；電子脫離代表有外力介入，使電子被推動而出現加速度，外力的能量是電子的質量m×電子的速度a（牛頓第二運動定律：F＝ma）。

7.   康普頓經過計算之後發現，推動電子脫離的外力（能量）確實等於光子流失去的能量（力），因此愛因斯坦的公式E＝mc²是正確的。

8.   康普頓實驗為何證明了「光子確實受到萬有引力的影響，如同愛因斯坦相對論所說的」？因為當光子撞擊到電子之後，並不是反彈，而是偏折，這表示光子的行進路線受到原子核引力（萬有引力）的吸引，因此沿著原子核引力周遭的邊緣斜切出去。

9.   牛頓的萬有引力認為，二個物體會互相吸引，引力的大小跟這二個物體質量乘積成正比（質量愈大、引力愈大），跟它們的距離平方成反比（距離愈遠、引力愈小）。

10. 光子會被原子核吸引，證明光子有質量，當光子推開電子的時候，它與原子核的距離最短，受到原子核引力的控制也最強，因此無法反彈到相反方向，而是沿著原子核引力的邊緣，一點一點抵抗原子核的力量脫離，這就是偏折的路線。