光的粒子性的直接验证验证光具有粒子性的实验

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“光量子”假说在解释光电效应上取得了成功，但并没有说服当时大多数物理学家。直到1932年美国物理学家康普顿发现了X射线被电子散射时出现的奇异现象：X射线被电子散射后，波长有增大的现象，这就是所谓的“康普顿效应” 。这种现象与经典电动力学是相矛盾的。
实验装置图：经过光栅射出一束单色X射线为散射物质所散射，散射线波长用布拉格晶体的反射来测量。
关于光的散射：当光束通过不均匀媒质时,部分光束将偏离原来方向而分散传播,从侧向也可以看到光的现象,叫做光的散射。晴朗的天空为什么是蓝色呢？旭日和落日的天空却是红彤彤的呢？这是大气中的分子会对日光产生明显的散射，而这些被散射后的光线从四面八方进入了我们的眼睛。如果没有大气，空中没有散射光，则天空的背景应该是黑的，这就是宇航员在大气层外和月球上所见到的现象。
太阳光被地球大气层散射示意图
当散射体的尺寸小于波长时，不同波长的光散射情况不同，实验和理论研究表明：散射光强与入射光波长的四次方成反比，这就是所谓的“瑞利散射” 。晴朗的天空呈现蓝色，这是因为白光中短波成分散射较强，因而在偏离太阳直射方向（散射光）蓝紫色的成分要比红黄色的成分要多；朝霞和晚霞之所以是红色，那是由于早晚太阳光斜射向地面，阳光经历的大气层厚度要比正午时分厚的多，因而日光中的短波部分在大气层中沿路被大量散射掉，沿原路前进的主要是其中长波部分。
清晨看到的朝霞就是由于太阳光与大气分子发生瑞利散射
根据经典电磁理论：入射光与带电粒子相互作用，带电粒子在入射光的激发下做受迫振动，发出电磁波。这是共振吸收和再发射的过程，带电粒子受迫振动频率等于入射光波的频率，因此散射波（带电粒子振动发射的电磁波）的频率同样为入射光波的频率。散射光的波长与入射波的波长应该是相等的。
光对于分子散射是这样，对于电子呢？康普顿散射的理论解释显然，康普顿的电子散射实验无法使用经典理论解释，但是却很容易用光量子理论加以解释。
康普顿散射示意图，入射光与电子相互作用
首先，我们把散射原子中的电子看成自由且静止的。康普顿散射可看做是X射线中的光子和自由电子见的弹性碰撞过程。此过程中能量和动量守恒方程（相对论形式）
散射光波长增量计算

散射角度Φ计算
以上计算中假定了电子是自由的，实际上并不尽然，特别是重原子中内层电子被束缚得较紧，光子同这种电子碰撞时，实际上是在和一个质量很大的原子交换动量和能量，从而光子的散射只改变方向，几乎不改变能量，这就是散射光里总存在波长λ0这条谱线的缘故。这实际上也可以解释分子散射中散射光波长并未变化。
康普顿散射实际上是入射光子与原子最外层电子发生散射
光电效应和康普顿散射鲜明地揭示了光具有粒子性的一面，这种粒子叫“光子” 。光电效应揭示了光子能量和频率的关系，康普顿散射则进一步揭示了光子动量与波长之间的关系。
光的波粒二象性光的粒子性主要反映在光和物质的相互作用中，特别反映在对光的检测过程中。当我们使用各种仪器去检测可见光、X射线、γ射线时，在光的强度足够弱的情况下，只要仪器的时空分辨率足够高，我们接收到的总是一个个离散的电脉信号或者径迹。即光总是通检测仪器工作物质的单个电子、原子或分子起作用，检测器对光的响应总是发生在短促的时间间隔或微小的空间区域内。这便是所谓光的粒子性。

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