歷史 物理

1927年的諾貝爾物理獎:亞瑟.康普頓及查爾斯.威爾遜

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撰文者:余海峯
發文日期:2018-08-12
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  • 1927年的諾貝爾物理獎由亞瑟.康普頓(Arthur Compton)以及查爾斯.威爾遜(Charles Wilson)共同獲得。

    1927
    [亞瑟.康普頓的諾貝爾獎官方照片。]

     

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    [查爾斯.威爾遜的諾貝爾獎官方照片。]

     

    隨著量子力學在20世紀初快速發展,輻射同時具有波動和粒子特性的概念逐漸為物理學家所接受。然而,雖然普朗克的量子假設能夠描述黑體輻射光譜,愛因斯坦更以其解釋了光電效應,科學界仍然希望找到更多輻射(即光)遵守粒子行為的更多證據。

     

    康普頓發現了以他命名的物理現象——康普頓效應(Compton effect。他發現,當他用單一頻率的 X 射線照射比較輕的原子時,除了探測到原本頻率 X 射線的散射(這就是巴克拉的發現,他因此得到1917年諾貝爾物理獎)之外,還有一種頻率比較低的 X 射線,而且頻率更加會根據散射角度而改變。

     

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    X 射線和電子碰撞圖解。圖片來自康普頓的諾貝爾講座。]

     

    普頓計算 X 射線和原子在交互作用前後的動量,發現在各裡方向上總動量都守恆。這就好像一個撞球遊戲,一顆球擊中另外一顆球而被反彈開來,被撞的那顆球也以特定的速度彈開,而且過程中動量都守恆。康普頓發現 X 射線可以表現得像撞球一樣,因此康普頓效應實際上就是輻射擁有粒子特性的證明

     

    然而,我們又可以如何量度一顆原子的動量?威爾遜在1896年發明的雲室(cloud chamber)大家很可能已經在學校實驗室或科學博物館中見過(慕尼黑的德意志博物館就有展出一台)。雲室的名稱來自於雲的成因。當空氣中的水蒸氣溫度下降自露點(dew point)以下,就會凝結成雲。然而如果空氣中沒有所謂的「種子」去刺激水蒸氣就不會凝結成水。這叫做過冷現象。

     

    1927-4
    [查爾斯.威爾遜的雲室粒子(即氫原子核)軌跡照片。圖片來自威爾遜的諾貝爾講座。]

     

    威爾遜把氣體放進雲室之中,水蒸氣就會因體積突然變大而冷卻。他發現,如果此時但有電我的粒子進入雲室,就能刺激路徑上的水蒸氣凝結成水。這樣,帶電粒子的軌跡就會被顯現出來。及後,他於1912年改進了雲室,設計了一個裝置去拍攝稍瞬即逝的粒子軌跡。科學家就能使用雲室來觀察康普頓效應,得到帶電粒子與 X 射線碰撞前後的動量數值。

     

    經過多年以來科學家利用雲室所做的無數次實驗,康普頓效應不但被證明為真,越來越多科學家亦深信輻射真的擁有粒子特性,加速了量子力學的發展。

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