师：同学们好，很高兴我们又见面了。上节课我们了解到，爱因斯坦在解释光电效应规律时提出光量子假说，这使人们对光的本性认识出现重大转折，也极大推动了量子物理学的发展。本节课，我们来学习另一位科学家在这方面的贡献，他就是康普顿。
我们先来看一个思考题：白天的天空各处都是亮的，但航天员在大气层外飞行时，尽管太阳光线耀眼夺目，其他方向的天空却是黑的，甚至能看见星星。这是为什么呢？同学们是怎么思考的？
原来是这样，在大气层中有很多尘埃微粒，光在大气层中传播时与这些微粒发生作用，改变了传播方向。所以无论从哪个角度看，都有光进入我们眼睛，我们就能感受到它的存在。而在太空当中，几乎没有什么介质，光的传播方向几乎不发生改变，因此我们看到的天空是黑的。对于太阳和一些星星，有的能发光，有的能反射光，它们的光进入我们眼睛，我们就感受到了它们的存在。这实际上是一种光的散射现象，即光在介质中与物质微粒相互作用，传播方向发生改变的现象。
康普顿的科学生涯，就是从研究X射线的散射现象开始的。1918 - 1922年期间，他研究了石墨对X射线的散射，发现散射线中除了有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，我们把这种现象叫做康普顿效应。下面我们来了解一下康普顿的实验及实验中发现的规律。
左边是X射线管，这是康普顿亲自设计改进的。射线管发出的X射线经过光阑变成较细的一束，再经过散射物质石墨体的散射，由X射线谱仪探测并研究。我们设入射光线波长为λ?，散射光线波长为λ，散射波与入射方向的夹角称为散射角。这就是他的实验装置整体情况。通过这个装置，他得到了一系列数据。从中间这幅图片，我们能明显发现两个规律：一、除了有与原波长λ?相同的成分外，出现了波长λ大于λ?的成分；二、新波长λ随散射角的增大而增大。
这种现象该如何解释呢？如果用经典电磁理论来解释，能不能很好地说明这种现象呢？我们来看看经典电磁理论会得出什么结论。根据经典电磁理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将做受迫振动，这个受迫振动我们在3 - 4中已有所了解。其频率等于入射光的频率，它振动向外辐射电磁波，也就是发射散射光，这个散射光的频率也应该等于它自身振动的频率，当然也就等于入射光的频率。也就是说，它无法解释在散射光线中出现新波长λ的现象，另外也无法解释波长的改变和散射角有关。一般按照经典电磁理论，它受迫振动向外辐射电磁波应该各个方向都一样，与散射角应该没有关系。由此可见，经典电磁理论在解释康普顿效应规律时遇到了极大挑战。
而康普顿结合爱因斯坦的光量子假说，并进一步发展，提出了自己的观点。他认为X射线的光子不仅具有能量，也像其他粒子那样具有动量。X射线的光子与晶体中的电子碰撞时，要遵守能量守恒定律和动量守恒定律。从他的这一观点可以体会到，他并非直接用爱因斯坦的光量子假说解释这个现象，而是有重要发展，即指出光子不仅具有能量，也具有动量，这是一个非常大的进步。
按照我们在3 - 5第16章学习的动量知识，动量p = MV。对于光来说，它的速度用c表示，所以光子的动量用mc表示，这里的m是光子的质量。要注意，这个质量不是我们日常生活中所说的物体质量，而是爱因斯坦相对论中的质量。根据爱因斯坦的理论，有质能方程E = mc2，而光子的能量E又等于hν（ν是光的频率）。将这两个表达式相结合，我们得到光子质量的表达式m = hν / c2。把质量表达式代入动量表达式，可得到光子的动量p = h / λ（h是普朗克常量，λ是光的波长）。
这个理论能不能解释康普顿效应呢？我们来看。首先看波长的变化，如果光子与外层电子碰撞，光子有一部分动量会转移给电子，那么光子本身的动量就会减小。由p = h / λ可知，h是常数，动量减小，波长必然增大，所以散射光的波长将大于入射光的波长，很好地解释了新成分的出现。原波长又是怎么回事呢？若光子和束缚很紧的内层电子碰撞，光子相当于与整个原子碰撞。关于碰撞规律，我们在动量部分学过这样一个弹性碰撞模型：入射球去主动撞击一个原来静止的被碰球发生弹性正碰，根据动量守恒和能量守恒定律，可得到碰撞后入射球和被碰球速度的表达式。如果入射球质量远小于被碰球质量，入射球的动量大小几乎不变。由于光子质量远小于原子质量，所以碰撞前后光子的动量大小几乎不变，其波长也不变，因此散射线中仍然保留与原波长相同波长的散射线。那么散射角的关系可以这样解释：因碰撞中转移的动量和碰撞角度有关，所以波长改变和散射角有关。由此可见，康普顿的理论能够很好地解释康普顿效应中所体现出来的规律。
康普顿实验具有重要意义，主要体现在以下三个方面：一、有力地支持了爱因斯坦的光量子假设，因为他利用爱因斯坦的光量子假设，结合自己新观点，成功解释了康普顿效应规律；二、首次在实验上证实了光子具有动量；三、证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然成立。这一观点为科学家研究微观世界提供了理论和方法上的支持。康普顿也因此获得1927年的诺贝尔物理学奖。
当然，他的成功并非一帆风顺。从他早期的几篇论文中可以看出，一开始他认为散射光波长的改变是由于混进来了某种荧光辐射。在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。他为什么会认为是混进来某种荧光辐射造成这种变化呢？这实际上跟他的经历有关，他在成为物理学家之前，是一个电气工程师，主要研究荧光效应、荧光灯，所以固有思维对他造成了一些干扰。不过，他的创新思维最终战胜了原有的固有思维，取得了巨大成功。同时，他的这一观点当时并没有被所有科学家接受，不少科学家对他的理论提出质疑。对于这些质疑，他的学生、我国物理学家吴有训做出了极大贡献。
吴有训是中国近代物理学研究的开拓者和奠基人之一，被誉为中国物理学研究的开山祖师。从1988年发布的纪念邮票中，我们能了解他的地位。邮票背景左侧是康普顿效应中动量关系的一个模型，右侧是康普顿做实验获得的大量数据的展示。
1923年，吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。1925 - 1926年，在康普顿获得诺贝尔物理学奖之前，吴有训用银的X射线为入射线，以15种轻重不同的元素作为散射物质，在同一散射角（θ = 120°）测量各种波长的散射光强度，做了大量X射线散射实验，证实了康普顿效应的普遍性，打消了其他科学家对康普顿效应的质疑，助力康普顿获得诺贝尔物理学奖。
到这里，我们了解了物理学中量子化观点的发展历程，光电效应和康普顿效应是两个典型例证。下面我们对这两点做个简单小结。