参与康普顿效应的发现与实验

芝加哥大学是美国历史悠久的著名学府之一，也是美国当时的物理学研究与教学的一个中心。值得注意的是，芝加哥大学与中国早年的科学界有过密切的关系，中国现代物理学界的许多老一辈物理学家青年时代都曾在此求过学，如李耀邦、饶毓泰、叶企孙、周培源等。   吴有训留学美国的第三年，年轻的物理学家A. H.康普顿来到芝加哥大学任教。吴有训成为他的研究生，从事X射线问题的研究。   康普顿在到芝加哥大学之前，曾先后工作于英国剑桥大学和美国密苏里的圣路易斯华盛顿大学，并初步发现了一种后来以他的名字命名的现象：康普顿效应。他发现：当用单色X射线作射线源，对一些较轻的元素(如碳)进行散射实验时，经元素散射后的X射线的波长发生些微变化，从经典物理学的角度看，这完全是一种异常现象。康普顿对异常现象选择了量子论式的解释，这就是他著名的X射线量子散射理论。   但这个发现当时并没有立即获得物理学界的广泛承认，一方面是因为这种效应与经典理论有很大的冲突，另一方面是康普顿所获得的实验证据还不充分，使相当多的物理学家不敢贸然相信，大家基本上采取了一种感兴趣的观望态度，他们等待着进一步的实验事实。当时着手进行这一实验的科学家很多，但科学界最为关注的仍是康普顿本人所在的实验室拿出更多的、有说服力的证据。   吴有训此时恰好就在这个实验室跟随康普顿进行研究工作，他用自己非凡的实验才能和艰苦努力，紧紧地抓住这个稍纵即逝的历史机遇，为现代物理学的发展做出了中国人的贡献。   科学界对康普顿量子散射理论的怀疑，首先在于他所依据的基本实验，实际上只有一种实验样品，即石墨样品。虽然这个实验本身完全无懈可击，但毕竟只使用了一种材料，这很难说明效应的普遍意义。吴有训在准备工作中设计出最隹实验配置后，即把主攻方向定在证实康普顿效应的普遍适用性方面。他陆续使用多达15种不同的样品材料进行X射线的散射实验，结果无一不与康普顿的理论相符合，从而形成了对此理论广泛适用性的强有力证明。由于吴有训高超的实验技巧，使这些验证工作不管是在精密度还是可靠性方面，都无可挑剔。这些工作当然得到了康普顿本人的极端重视和高度评价，他把吴有训所获得的15种物质X射线散射光谱与他自己的那张石墨散射谱，一并收入了他于1926年写成的专着《X射线与电子》中去，作为其量子散射理论的主要实验证据，这部著作于1935年再版时更名为《X射线之理论与实验》。康普顿在书中这样写道：实验"与理论的这种吻合并非出于偶然，图Ⅲ-48(按：指吴有训的那张15种物质X线散射光谱)的光谱就是证明；这是一张由吴博士所获得的根据各种元素的散射得到的、与前述(按：指他本人的那张石墨散射光谱)相类似的光谱。"后来在许多论及康普顿效应的著作中都引用了吴有训的光谱。   吴有训对康普顿效应的另一项重要证明工作，是用公认的精确无误的实验，消除了来自美国哈佛大学的著名X射线专家W.杜安尼及其助手G. L.克拉克对康普顿效应的两项质疑。此外，吴有训在发展康普顿散射理论方面也有很重要的贡献，这就是他用精确的实验，解决了康普顿散射光谱中变线与不变线之间的能量或强度的比率问题。这项工作当即就得到了美国物理学界的关注和重视。1925年11月，美国物理学会第135届会议就定在吴有训所在的实验室召开。会上宣读或交流的论文共有60篇，吴有训的论文排在第一位，他报告的题目是《康普顿效应中的变线与不变线之间能量的分布》。这项工作被列为会议的重要议题， 文章后来发表于美国《物理学评论》上，是该杂志1926年2 月号的首篇论文。   吴有训亲身参与了发现和确立康普顿效应中期以后的大量实验验证工作，最后以"康普顿效应"为题完成了自己的博士论文，并获博士学位。而康普顿则在1927年因为这项工作而获得诺贝尔物理学奖。   在现代物理学史上，康普顿效应占据了一个极端重要的地位。吴有训在效应的发现和实验验证过程中发挥了重要作用。但他本人从来都未将自己与康普顿相提并论，认为自己只是康普顿教授的学生而已。在这里，我们看到了一位真正的中国科学家的谦虚品格和坦荡胸怀。而康普顿作为一代物理学大师，则从来没有忘记吴有训在这项伟大发现中的重要贡献，在自己的多种著作和多种场合都不断地提到吴有训的实验，甚至在自己的晚年，还很有感慨地特意说道：吴有训是他平生最得意的两个学生之一。（另一位学生是L. W.阿尔瓦莱兹，在吴有训之后十年获得博士，于1968年获得诺贝尔物理学奖。）   1926年秋，已近而立之年的吴有训，经过五年的一流科学研究工作的磨练，成长为一名出色的实验物理学工作者。在获得博士学位后不久，吴有训打点行装，婉谢康普顿的极力挽留，踏上了归途。