1927年的諾貝爾物理獎:亞瑟．康普頓及查爾斯．威爾遜

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。

［亞瑟．康普頓的諾貝爾獎官方照片。］

［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。

［X 射線和電子碰撞圖解。圖片來自康普頓的諾貝爾講座。］

康普頓計算 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。

［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，如果此時帶電粒子進入雲室，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。