γ射线是从原子核内部放出的一种电磁辐射，常伴随α或β射线产生。γ衰变的母体和子体是同一种核素，只是原子核内部能量状态不同而已。按照γ射线的性质划分，γ衰变的形式有两种，一是α—γ衰变，二是β—γ衰变。

　　1、α—γ衰变

　　（1）α—γ辐射性质

　　α—γ衰变，顾名思义，就是伴随α衰变放射出γ射线的现象。例如：

²¹²₈₃Bi→²⁰⁸₈₁Tl+⁴₂He

　　²¹²₈₃Bi核结构分析，C1=C2，单层核子数A=212/2=106，动态电子数e=212-83=129，其中C1：e=64，C2：e=65；核结构列式为：

　　C1：n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（4/8），n₅（6/12），n₆（7+1）/14，n₇（9+2）/18，n₈（10+3）/20，n₉（11+5)/22；

　　C2：n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（4/8），n₅（6/12），n₆（7+1）/14，n₇（9+2）/18，n₈（10+4）/20，n₉（11+5)/22；

　　²⁰⁸₈₁Tl核结构分析，C1=C2，单层核子数P=208/2=104，动态电子数e=208-81=127，其中C1：e=63，C2：e=64；核结构列式为：

　　C1：n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（4/8），n₅（5/10），n₆（7+1）/14，n₇（9+2）/18，n₈（10+3）/20，n₉（11+5)/22；

　　C2：n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（4/8），n₅（5/10），n₆（7+1）/14，n₇（9+2）/18，n₈（10+4）/20，n₉（11+5)/22；

　　比较²¹⁰₈₄Po和²⁰⁴₈₂Pb核壳层结构，可以发现，α衰变导致n₅壳层中的核子数发生了变化，核子数从12减少到10。而α衰变发生在最外层，表明核子发生了轨道跃迁，由n₅跃迁到了n₉层。核子轨道跃迁不同于核外电子可以跨越几个轨道，由于核子排列紧密，它必须逐层递进：n₅→ n₆→n₇→n₈→n₉，是一个补位过程，共跨越了4个能级，也就是说，将辐射出4个频率段的γ射线。α粒子来自于最外层核子，而γ射线则是内壳层中的核子发射出来的；因此，α粒子的能量只与最外层能级有关，γ射线的能量与壳层的能级有关，等于相邻两个能级的差，用公式表示为：hν=E_n- E_n-1。

　　由于壳层内的核子是通过质量场作用结合在一起的，因此，核子在轨道跃迁过程中，辐射出γ射线是质量场（M）性质的波，用γ_m表示。这种波与核外电子辐射出的电磁波性质一样，都是横波，具有偏振性，沿着原子核平面向外传播。

γ衰变的本质是核子发生了轨道跃迁，由高能级跃迁到低能级，因而，辐射出了质量波——γ_m射线。据此推断，只要核子发生了轨道跃迁，无论是否产生α衰变，都将放出γ_m射线。例如：

⁸³₃₆Kr＊→ ⁸³₃₆Kr+ γ

　　⁸³₃₆Kr 核结构分析，C1层核子数A=（83-1）/2=41，动态电子数e=（83-36-1）/2=23；C2层核子数A=83-41=42，动态电子数e=83-36-23=24。核结构列式为：

　　C1：n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（4/8），n₅（5+1）/10，n₆（6+1）/11；

　　C2：n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（4/8），n₅（5+1）/10，n₆（6+2）/12；

　　由⁸³₃₆Kr 核的结构列式可知，C1层的n₆只有11个核子，比标准12个少一个核子，且与n₅的10个核子较接近；因此，n₅中的核子很可能跃迁到n₆，放射出γ_m射线。但是，⁸³₃₆Kr 核又不具备发生α、β衰变的条件，这就是某些原子核不发生α衰变或β衰变，只放射γ射线的原因。

　　实验中还发现，有些原子核即使发生了α衰变，也不会辐射出γ_m射线。例如：²¹⁰₈₄Po核，是一个只放出一组能量的α射线源，衰变方程如下：

²¹⁰₈₄Po→²⁰⁶₈₂Pb+⁴₂He

　　核壳层结构分析，²¹⁰₈₄Po核为双层结构：C1=C2，单层核子数A=210/2=105，动态电子数e=(210-84)/2=63；核结构式为：

　　n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（4/8），n₅（6/12），n₆（7+1）/14，n₇（8+2）/16，n₈（10+4）/20，n₉（10+5)/23；

　　²⁰⁶₈₂Pb核：C1=C2，单层核子数P=206/2=103，动态电子数e=(206-82)/2=62；核结构为：

　　n₁（1/2），n₂（2/4)，n₃（3/6），n₄（5/10），n₅（6/12），n₆（7+1）/14，n₇（8+2）/16，n₈（9+3）/18，n₉（10+5)/21。

　　对比²¹⁰₈₄Po和²⁰⁴₈₂Pb核壳层结构，可以发现，发生α衰变后，壳层n₄、n₈、n₉中的核子数产生了变化。其中：n₄核子数从8增加到10，而n₈核子数则从20减至18，n₉核子数从23减至21。不难推断，n₄增加的2个核子来自于n₈。根据原子核的能级排列规则，n₄＞n₈，因此，这2个核子是由低能级壳层向高能级壳层跃迁，吸收能量，不会放射出γ_m射线。n₉是最外壳层，核子脱离n₉不涉及到轨道跃迁问题，因而也不会放射出γ_m射线。在整个衰变过程中，²¹⁰₈₄Po核放射出一组能量的α粒子，却没有产生γ_m射线。

　　（2）中微子问题

　　实验中发现，一种α放射源，放射出的α粒子能量有时是一组，²¹⁰Po就是这样。有时候有好几组，例如²¹²₈₃Bi能够放出六组α粒子。在以往理论研究中，把α粒子强度（数目多少）随能量的分配，称为能谱；认为α能谱的分立性（不连续性），反映了原子核能级的不连续性。[4]

　　然而，在β衰变中，当测量电子的强度（数目多少）随电子的能量（动能）的分布时，亦即测量电子的能谱时，发现它是一个连续谱，这一结果与原子核能级的不连续性相矛盾。为了解释这一现象，泡里在1930年提出一种假设：在β衰变中，除了放出一个电子外，还放出一个不带电的质量很轻的粒子，称之为中微子。中微子与电子的能量之和为常数，原子核每放出一份能量，都要在电子和中微子之间分配，这样电子的能量就是一个连续谱。[5]

　　中微子是理论上预言的最为神秘的粒子，不带电荷，静质量几乎为零，以光速运动，与物质的作用极其微弱，具有很强的穿透性，能够自由地穿过人体、墙壁、山脉乃至整个行星，难以捕捉和探测，因而被称为宇宙中的“隐身人”。按理说，各种核反应都产生中微子，宇宙中应该充斥着大量的中微子；但是，到目前为止，实验直接检测到的中微子却少之又少，以至于给天文界留下了一个的巨大困惑——太阳中微子失踪之谜。

　　那么，在形态场原子核模型中，又是如何看待中微子问题的呢？通过对α衰变机制的阐述，我们知道，α粒子来自于最外层核子，其能量与内壳层没有任何关系；因此，α能谱的分立性，并不能反映原子核的能级。真正反映原子核壳层能级的是γ射线能，它相当于核外电子在轨道跃迁过程中辐射出的电磁波，代表了原子核能级的能量。

　　需要说明的是，α粒子能谱的不连续性问题。原来α粒子通过物质时，由于电离作用而不断损失能量。空气中每产生一对离子，要损失33.75eV的能量。当α粒子的能量全部耗尽后，也就终止前进了。α粒子所经过的路程，称为射程。能量为几个MeV的α粒子，在空气中的射程为几厘米。在固体物质内部，射程只有几十个微米，比在空气中缩短了一千倍左右。

　　通常情况下，我们都把α放射源视为“点光源”，即α粒子是从一个点发射出来的。但实际上，α放射源是有体积的，α粒子从一个原子发射出来，在放射源内部是要经过一段路程的。设放射源的体积半径为R，中心部分原子发出的α粒走过的路程为R，表层原子发出的α粒子走过的路程最小值为零，最大值为2R。计算表明，在放射源体积较大的情况下，有些能量较低的α粒子，是无法从放射源深处发射出来的，或者说，实验中所探测到的α粒子是由表层原子贡献的。α粒子走过的路程与射程是同一性质的概念，也就是说，α粒子在从放射源释放出来的时候，就已经过了内部消耗，不同程度地损失了能量，这就是α粒子能谱出现不连续性的原因。

　　同样道理，在β衰变过程中，β粒子是在放射源内部也要经历上述过程，与原子核不停地发生碰撞。不同之处在于，电子与原子核碰撞主要以弹性散射作用为主，只改变运动方向，能量损失很小，能透过几毫米厚的铝板。由于电子的质量小，因而散射角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向。β粒子在物质中经过多次散射，最后的散射角可以大于90°，称为反散射。β射线透过物体产生的衰减与被测物体的厚度成正比。因而β射线的射程常用“质量厚度”标注，而不是像α射线那样用长度单位标注。总之，β射线在通过放射源内部路径的过程中，损失的能量较小或相对均衡，离开放射源的β粒子能量起伏不大，因而它的能量是一个连续谱。

综上所述，在形态场原子核模型中，核子的壳层结构形成了原子核的能级。在α、β、γ三种形式的衰变中，只有γ衰变能量与原子核的能级有关，α和β衰变能量与原子核的能级无关。由此可见，关于中微子的推导失去了理论前提，所谓中微子是根本不存在的。

　　（3）光电效应

　　γ_m射线与核外电子辐射出的电磁波性质相同，都是质量波，且γ_m射线沿着核外电子的轨道平面向外传播；因此，γ_m射线的能量很容易传递给核外电子。在以往的理论研究中，把原子吸收光发生电离，即“光”产生“电”的现象称为光电效应。准确地说，γ_m射线作用于核外电子，使之成为自由电子，应称为“内光电效应”，以区别可见光、紫外光在金属板上打出电子的“外光电效应”。

　　（4）穆斯堡尔效应

　　理论上，当一个原子核由激发态跃迁到基态，发出一个γ射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时，就能够被共振吸收。但是，在实验过程中，处于自由状态的原子核却很难实现上述过程。究其原因，研究者认为，原子核在放出一个光子的同时，自身也产生了一个反冲动量，这个反冲动量会使光子的能量减少。同样原理，吸收光子的原子核由于反冲效应，吸收的光子能量会有所增大。这样造成相同原子核的发射谱和吸收谱有一定差异，所以自由的原子核很难实现共振吸收。

　　1957年，穆斯堡尔提出实现γ射线共振吸收的关键在于消除反冲效应。如果在实验中把发射和吸收光子的原子核置于固体晶格中，那么，出现反冲效应的就不再是单一的原子核，而是整个晶体。由于晶体的质量远远大于单一的原子核的质量，反冲能量就减少到可以忽略不计的程度，这样就可以实现γ射线的共振吸收。1958年，穆斯堡尔首次在实验上实现了原子核的无反冲共振吸收，因而，原子核对γ射线能的吸收现象，被命名为穆斯堡尔效应。

　　穆斯堡尔使用¹⁹¹Os（锇）晶体作γ射线放射源，用¹⁹¹Ir（铱）晶体作吸收体，为减少热运动对结果的影响，放射源和吸收源都冷却到88K。放射源安装在一个转盘上，可以相对吸收体作前后运动，用多普勒效应调节γ射线的能量。¹⁹¹Os经过β¯衰变成为¹⁹¹Ir的激发态，¹⁹¹Ir的激发态可以发出能量为129 keV的γ射线，被吸收体吸收。实验发现，当转盘不动，即相对速度为0时共振吸收最强，并且吸收谱线的宽度很窄，每秒几厘米的速度就足以破坏共振。除了¹⁹¹Ir外，穆斯堡尔还观察到了¹⁸⁷Re、¹⁷⁷Hf、¹⁶⁶Er等原子核的无反冲共振吸收。由于这些工作，穆斯堡尔被授予1961年的诺贝尔物理学奖。[6]

　　根据形态场原子核模型，要想实现原子核对γ射线的吸收，核子跃迁到高能级轨道，需要满足以下三个条件：（1）γ射线的性质必须是质量波（M），即γm射线，因为核子只吸收质量波的能量，并转化为动能发生轨道跃迁。稍后我们将谈到另一种性质的γ射线，属于电场波（Q），是不能使核子发生轨道跃迁的。（2）由于原子核为层状平面结构，发生跃迁的是最外层核子，因此，γ射线的入射方向必须在原子基准平面内或平行。如果γ射线垂直射向原子核平面，是不会引起核子轨道跃迁的。（3）γ射线的能量必须大于或等于吸收体原子核最外壳层和次壳层的能级差额，否则核子无法进行轨道变迁。

　　上述条件的第二点对实验条件要求很高。实验中，都是针对核的反冲效应采取的措施，如采用¹⁹¹Ir（铱）晶体作吸收体，把放射源和吸收源置于低温环境中，放射源安装在一个转盘上，通过多普勒效应调节γ射线的能量。实际上，这些操作都是为了实现γ射线准确射向最外层核子。吸收体采用金属晶体，其结构特征是原子有序排列，通过Q键串联起来，原子核平面相互平行。转动放射源所在的转盘，不是为了通过多普勒效应调节γ射线的能量，而是调整γ射线角度，使之与原子核平面相平行。实验证明，当转盘不动，即相对速度为0时，γ射线共振吸收最强。由此也就不难理解，在气体和不太粘稠的液体中，还没有观察到穆斯堡尔效应的原因了。

       2、β—γ衰变

　　（1）β—γ辐射性质

　　β—γ衰变，顾名思义，就是伴随β衰变放射出γ射线的现象。β—γ辐射分为两种情形，一种辐射释放出质量波，另一种辐射释放出电场波。

　　第一种情形，原子核放射出β粒子后，壳层结构发生了改变，处在激发状态。壳层内核子重组，当核子从高能级跃迁到低能级时，辐射出γ射线。这种射线与α—γ辐射机制放射出的γ射线性质相同，都是质量波，又称γm射线。

　　例如，在穆斯堡尔效应中，放射源¹⁹¹Ir是¹⁹¹Os经β¯衰变转化而来的，处在¹⁹¹Ir的激发态，发出能量为129 keV的γ射线。

　　第二种情形，在β衰变过程中，核内动态电子在原子核电场和质量场双重作用下，脱离原子核发射出去，处在加速运动状态。由于电子一维电场方向始终与原子核电场方向保持一致，因而在加速运动中，电子的一维电场将在原子核电场方向上（垂直于原子核平面）辐射出脉冲波，一种高频率的γ射线。这种波区别于α—γ辐射的质量波，是一种电场波，用符号γ_e表示。

　　γ_m射线与γ_e射线是两种不同性质的波，主要表现在以下两方面：

　　（1）γ_m射线是质量场辐射出来的平面波，是一种横波，具有偏振性；而γ_e射线是电场辐射出来的线性波，是一种纵波，不具有偏振属性。

　　（2）γ_m射线是由壳层内的核子发射出来的，反映了原子核的能级；而γ_e射线则是由动态电子发射出来的，与原子核的能级无关。

　　既然γ_e射线是带电粒子在加速过程中辐射出来的电场波，那么，这种辐射机制就不应该只局限于加速运动，对减速运动也同样适用。实验发现，带电粒子在减速运动中确实能够产生辐射出电磁波，人们把这种辐射称之为轫致辐射。

　　通常情况下，轫致辐射是指高速电子骤然减速产生的辐射，泛指带电粒子在碰撞过程中发出的辐射。例如，X射线管中高速电子轰击金属靶骤然减速时，能够辐射出X射线。轫致辐射的重要特征是具有连续谱，其强度在很宽的频谱范围内缓慢变化。

　　以电子为代表，带电粒子在加速运动中产生β—γ辐射，在减速运动中产生轫致辐射，把两者合称为e—γ辐射。e—γ辐射的本质是粒子的线性电场在运动中产生了波动，形成了脉冲辐射。

　　按照运动状态的不同，e—γ辐射将产生三种效应。以自由电子为例，电子携有一维线性电场，经外界电场作用以后，电子的电场方向与运动方向保持一致。当电子处在加速（+a）运动状态时，将在运动方向上辐射出电场波，称e—γ辐射正效应，图示（A）。当电子处在减速（- a）运动状态时，将在运动的反方向上辐射出电场波，称e—γ辐射负效应，图示（B）。当电子静止或处于匀速运动状态时，不辐射电场波，称e—γ辐射零效应。

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　　电子处于静止或匀速直线运动状态时，一维电场用公式表示为：E0= hν₀=hc/λ₀，h为普朗克常数，ν₀为电场的固有频率。电子运动速度发生变化时，△v=v₂-v₁，辐射波的能量为：E=h△v /λ₀。加速运动时，v₂＞v₁，△v＞0，E＞0，表示电场波的辐射方向与电子的运动方向相同，发生的是e—γ辐射正效应。减速运动时，v₂＜v₁，△v＜0，E＜0，表示电场波的辐射方向与电子的运动方向相反，发生的是e—γ辐射负效应。

通过e—γ辐射机制产生的电场波，除γe射线外，还包括X射线。它们是一种直线脉冲波，纵波性质，穿透力很强，能够以电场为媒介进行传播，在真空中的传播速度为光速C。

　　（2）康普顿效应

　　1923年，美国物理学家康普顿在研究X射线通过固体物质发生散射实验时发现，散射光中除了含有原波长λ₀的X光外，还产生了波长λ>λ₀ 的X光，其波长的增量随散射角的不同而变化，这种现象被称为康普顿效应。

　　实验中，康普顿将0.71埃的X光投射到石墨上，然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强度。当θ=0时，只有等于入射频率的单一频率光。当θ≠0（如45°、90°、135°）时，发现存在两种频率的散射光。一种频率与入射光相同，另一种则频率比入射光低。后者随角度增加偏离增大。

　　实验装置如图所示：

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　　康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，对X光散射现象进行了解释。康普顿认为，光子像电子、质子等粒子一样，具有能量和动量，在与粒子碰撞过程中，光子的一部分能量转移给了电子，因而，散射光中出现了λ＞λ₀的谱线。

　　为什么散射光中还有与入射光波长相同的谱线呢？原因是内层电子不能当成自由电子。如果光子和这种电子碰撞，相当于和整个原子相碰，光子传递给原子的能量很小，能量损失几乎为零，这样散射光中就保留了原波长的谱线。由于内层电子的数目随散射物原子序数的增加而增加，所以波长为λ₀的强度随之增强，而波长为λ的强度随之减弱。

　　康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相比拟时，散射才显著，这就是选用X射线观察康普顿效应的原因。而在光电效应中，入射光是可见光或紫外光，所以康普顿效应不明显。[7]

　　然而，按照e—γ辐射机制分析，康普顿的观点是不成立的。因为X光的本质是电场波，波与粒子之间是不能发生碰撞的。同时，电场波又不同于质量波，波的能量不能直接被电子所吸收，因此，也不会发生光电效应。

　　那么，X射线散射效应是如何发生的呢？根据e—γ辐射机制推断，X射线是电子发射出来的电场性质的波，因而，这种波能够以电场为媒介质进行传播。在康普顿实验中，X光投射到石墨上，不是与核外电子发生了碰撞，而是通过原子核电场和电子电场传导过去，简称光电传导说。

　　原子核是一个扁平状圆盘，携有一维线性电场（Q场），电场方向与原子核平面相垂直；因此，原子核具有传导电场波的功能，是传导X光的媒介质。同理，核外电子的电场也具有传导电场波的功能。不过，由于内、外层电子的电场结构不同，内层电子电场与原子核电场构成环形回路，外层电子的电场呈直线开放状态；因而，两种电子所产生的散射效应也是不一样的。

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　　从理论上讲，带电粒子传导电场波与金属导体传导电流在本质上是相同的，都是通过线性电场把流动的电场能或脉冲传导过去。电场是一个矢量场，具有方向性，对于电场波来说，线性电场是一个矢量性媒介质，允许同方向电场波通过，阻挡反方向电场波通过，这是电场波的传导规则。X射线通过原子核和内外层电子进行传导，将产生以下散射效应：

　　（1）原子核产生的散射效应

　　原子核平面位于原子的基准面内，携有两种形态的电场，一是垂直于原子核平面的线性电场，二是与核外电子电场联接而成的环形电场。线性电场只能传导垂直于原子基准面的X光，而环形电场则能传导以各种角度入射的X光。

　　当X射线垂直射向原子基准面时，与原子核线性电场相联接。这时，X光将通过原子核线性电场传导过去。透射光与入射光的传播方向一致，垂直于原子核平面，频率不发生变化，hν= hν₀，波长等于入射波的波长，λ=λ₀。这就是原子核线性电场产生的散射效应，又称X光的直射效应。

 

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　　X射线以一定倾角（α）射向原子基准面，与环形电场相联接。遵循电场波的传导规则，如果X光的入射方向与原子核的电场方向相同，那么，X光将沿着环形电场射向原子核。

　　如图所示：

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　　光穿过原子核之后，以环形电场的切线方向发射出去。X光的传播轨迹是一条曲线，表明发生了折射效应，折射角用β表示。折射后的散射光频率不发生变化，hν= hν₀，波长等于入射波的波长，λ=λ₀，这就是原子核环形电场产生的散射效应。

　　（2）内层电子产生的散射效应

　　X射线以一定倾角（α）射向原子基准面，与环形电场相联接。如果X光的入射方向与原子核的电场方向相反，那么，X光将沿着环形电场射向内层电子。X光在穿越电子的过程中发生分解，一部分透射过去，一部分把能量传递给了电子。

　　X光分解图示如下：

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　　入射线（hν₀）分解为两部分：水平分量和垂直分量。水平分量能量传递给电子，转化为电子的动能。用公式表示为：

E= hν₀sin²α；

　　内层电子在获取能量（E）后，产生径向运动，并发生轨道跃迁。其中，摆脱原子核束缚发射出去的电子，被称为康普顿电子。

　　X光的垂直分量穿过电子之后，以环形电场的切线方向发射出去，像原子核一样发生折射效应。折射线用公式表示为：

hν= hν₀cos²α；

　　需要说明的是，对于同一轨道半径的环形电场来说，无论入射角α如何变化，折射角β都是不变的，是一个常量。但是，当环形电场（椭圆形）偏心率变化时，折射角β则是一个变量，随着电子轨道半径的增大而增大。由于电子的轨道半径与原子的核电荷数Z成反比关系，Z值越大，原子核与电子结合得就越紧密，内层电子的轨道半径就越小。因而，原子序数越大，折射角就越小，反之亦然。这一效应反映在实验中，就是波长为λ的散射光强度，随散射物原子序数的增加而减小。

　　遵循能量守恒定律，传递给电子的能量和折射线能量之和等于入射线能量，关系表达式为：

hν₀=E+ hν= hν₀sin²α+ hν₀cos²α=hν₀（sin²αα+ cos²α）；

　　根据折射线公式推得，折射线的波长为：

λ=λ₀/cos²α

　　折射线的波长改变量：Δλ=λ₀（1/cos²α-1）

　　例如，当入射角θ=30°时，折射线的波长改变量为：Δλ=（1/3）λ₀，这就是内层电子环形电场产生的散射效应。

　　（3）外层电子产生的散射效应

　　外层电子电场呈直线型，与原子基准面相垂直。当X射线垂直射向原子基准面，与外层电子的线性电场相联接时，X光将通过电场传导过去。透射光与入射光的传播方向相一致，垂直于原子的基准面，频率不发生变化，hν= hν₀，波长等于入射波的波长，λ=λ₀，这就是外层电子产生的散射效应，也属于X光的直射效应。

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　　康普顿实验解析：

　　模拟试验环境，设O点为X射线源，P为水平观测点，原子核电场（Q）与原子基准面相垂直。α为原子基准面与竖直面的夹角，也是X光与原子核电场（Q）的夹角，又称入射角。角θ为散射线OP’与水平观测线OP的夹角，又称散射角。

　模拟图示如下： 

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　　X光散射效应，按原子基准面是否垂直于水平观测线OP，分为两种情形：

　　第一种情形，当原子基准面垂直于水平观测线OP时，X光垂直射向原子基准面。这时，在水平观测P点，只能观测到由原子核线性电场和外层电子线性电场传导过来的透射光。这种透射光的频率不发生变化，hν= hν₀，波长等于入射波的波长，λ=λ₀。这就是散射角θ=0时，所观测到的X光散射效应。

　　参考图示如下：

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　　第二种情形，当原子基准面不垂直于水平观测线OP时，X光以一定的倾角射向原子基准面。

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　　这时，在P’点观测到的是通过环形电场传导过来的折射光。其中，经由原子核传导过来的折射光频率不发生变化，hν= hν₀，波长等于入射波的波长，λ=λ₀。经由内层电子传导过来的折射光频率发生了变化，波长改变量适用于公式Δλ=λ₀（1/cos²α-1）。该公式表明，折射线波长的改变量Δλ随入射角α的增大而增加。由于散射角∠θ=∠α+∠β，∠β为一常量；因此，散射光的波长改变量随着散射角θ的增加而增大。这就是散射角θ≠0时，所观测到的X光散射效应。

　　逆康普顿效应

　　在宇宙射线中，存在一种高能光子，它被认为是通过“逆康普顿效应”生成的。所谓逆康普顿效应是指，光子和运动速度非常接近光速的高能电子相撞，光子的能量增加，波长变短的现象，所产生的辐射，称为“逆康普顿辐射”。

　　在X光散射效应中，既然光子能量减小，波长增大，不是光子与电子碰撞产生的结果，那么，光子与接近光速的高能电子相撞的观点也是不成立的。逆康普顿效应的产生原因是，从天体中发射出来的质子和电子等带电粒子，当处在加速运动状态时，按照e—γ辐射正效应辐射出的X射线。由于发生了多普勒效应，因而，X射线的频率增高，波长变短，是一种反轫致辐射效应。

　　3、电子对的生成与湮灭

　　从1930年起，美国物理学家安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场，并快速拍下粒子径迹的照片，然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。1932年8月2日，安德森在照片中发现一条奇特的径迹，这条径迹和负电子有同样的偏转度，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子，于是他果断地得出结论，这是带正电荷的电子。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从实验上完全证实了正电子的存在。至此，正电子被正式列入基本粒子的行列，正是由于正电子的发现，拉开了正负电子对实验效应的序幕。

　　电子对湮灭效应

　　自然状态下，正电子极其罕见，因为它很容易与电子结合在一起，发生正负电子对湮灭。1930年，中国物理学家赵忠尧第一个观测到了正负电子湮灭现象。正负电子相遇将发生如下反应：

e¯+ e⁺→γ₁ + γ₂

　　就是说，正电子与一个电子发生湮灭之后，转变成了两个光子。电子对湮灭现象是物质转化为能量的一种表现形式。现在的问题是，电子作为一种结构性粒子是如何转化为光子的呢？下面就来探讨这一问题。

　　通常情况下，正负电子相遇首先发生作用的是电场（Q场）。因为电子的线性电场方向与电子的运动方向一致，在同一条直线上，在两个粒子接触之前，电场就已经开始发生作用了。电场作用遵循同方向相吸、反方向相斥的规则。因而，正负电子相遇，两电子的电场方向是相同的。如图所示：

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　　当两粒子零距离接触时，质量场开始发生作用。正电子为右手旋粒子，电子为左手旋粒子，电场方向相同的正负电子，其质量场旋转方向正好相反。根据质量场作用规则，互为逆向旋转的质量场产生排斥作用；因而，正负电子对将自动调整旋转轴方向，使质量场的旋转方向相一致。这时，正负电子的质量场产生吸引作用，合二为一结合在一起。参考图示如下：

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　　在电子对自动调整旋转轴方向的同时，电场方向也发生了变化，由相同方向转为相反方向。在零距离的条件下，两电场将产生强烈的排斥作用。其结果是，电场从电子的结构体中分离，以电场波的形式释放出去。这时，电场能转换为两个传播方向相反的γ_e光子。

　　电场与质量场分离，电子结构解体，在电场分离的反作用下，结合在一起的质量场也将发生分离，转化为质量波，并以γm光子的形式发射出去。正电子的质量场转化为右旋偏振波，负电子的质量场转化为左旋偏振波。γ_m光子的传播方向与γ_e光子的传播方向相垂直。

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　　简言之，正负电子相遇，湮灭生成了四个光子，一对电场性质的γ_e光，一对质量场性质的γ_m光子。电子的电场能Ee转化为γ_e光子的能量，hν=Ee；电子的质量场能量转化为γm光子的能量，一个电子的静质量m₀c² =0.511MeV，每个γ_m光子的能量：hν=0.511MeV。这就是正负电子对的湮灭过程。

　　电子对生成效应

　　实验发现，当高能光子从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子，自身消失，这一过程称为电子对生成效应。反应列式如下：

γ → e¯ + e⁺

　　电子对生成效应是电子湮灭的逆效应，反映的是能量转化为物质的过程。从结构物理的角度来说，需要解决的问题是，光子是如何组建成结构性粒子的。

　　根据能量守恒定律，只有当入射光子能量hν大于电子对静质量2m₀c²，即hν >1.02MeV时，才能发生电子对效应。由此推断，入射光子是质量场性质的γ_m光子。电子是由质量场（M）和电场（Q）两种场组成的，而γm光子只能提供M场，因此，要想组建电子，还需要引入Q场。高能光子在原子核附近发生电子对效应，借助的就是原子核的电场（Q）。

　　设γ_m光子以平行于原子基准面方向传播，令γ_m光子的M场平面与原子核平面相平行。当γ_m光子从原子核平面上方通过时，将横切原子核的线性电场。根据电子的形态场结构，质量场（M）和电场（Q）具有相互结合的倾向；因此，在γ_m光子横切原子核线性电场的过程中，两种场（Q—M）将结合在一起生成电子。

　　若γ_m光子是一个右旋偏振波，原子核电场方向向上，那么，生成的就是右手旋的正电子。若原子核电场方向向下，生成的则是左手旋的负电子。γ_m光子为左旋偏振波时，情况正好相反。参考图示如下：

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　　原子核电场除以线性状态存在以外，还会与内层电子构成环形电场，在横切面内，环形电场分别呈向上和向下两个方向。在γ_m光子能量hν >1.02MeV的条件下，若γ_m光子横切环形电场，那么，将同时生成一个正电子和一个负电子，这就是电子对效应。参考图示如下：

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　　综上所述，高能光子与原子核电场作用，既可以生成正电子，也可以生成负电子，还可以生成正负电子对。在以往的理论研究中，认为高能光子只能生成正负电子对，不可能生成单个电子，否则将违反电荷守恒定律。其实，这种观点忽略了原子核电场的作用，在没有原子核电场参与的情况下，是不可能形成结构性粒子的。

　　电子对效应是质量场（M）与电场（Q）结合，组建成粒子（e）的过程。按理说，既然γ_m光子能够俘获原子核电场生成电子，那么，γ_e光子也可以通过俘获原子核质量场生成电子。但是，这种推论在实验中是无法实现的。因为γ_e光子组建电子，只需要俘获一个单位电荷的电场能量就可以了。而γ_e光子组建电子，需要俘获质量场的能量为：m₀c² =0.511MeV，原子核质量场不可能达到这一阈值，实验条件无法满足能量守恒定律。