科學家和他的儀器

阿爾伯特·愛因斯坦因解釋光電效應而獲得諾貝爾獎。根據愛因斯坦的理論，光是由粒子（光子）組成的，這些粒子（光子）只將量子化的能量傳遞給原子的電子。如果光子的能量足夠大，它就能把電子踢出原子。但是光子在這個過程中的動量會發生什麼變化呢？歌德大學的物理學家現在能夠回答這個問題了。為此，他們開發並建造了一種新的光譜儀，其解析度是以前無法達到的。

該裝置長3米，高2.5米，包含的部件大約和一輛汽車一樣多。它坐落在裡德堡校區物理大樓的實驗大廳裡，周圍是一個不透明的黑色帳篷，裡面是一個非常高效能的鐳射器。它的光子與儀器中的單個氬原子碰撞，從而從每個原子中移除一個電子。這些電子出現時的動量會在儀器的長管中被極其精確地測量出來。

該裝置是法蘭克福發明的COLTRIMS（碰撞光學鐳射測試反應相互作用動量系統）原理的進一步發展。然而，通過理論計算預測到的光子動量向電子的轉移是如此之小，以至於以前無法測量它。這就是為什麼要建造“超級COLTRIM”的原因。

當來自鐳射脈衝的大量光子轟擊氬原子時，它們會使氬原子電離。原子的分裂會部分地消耗光子的能量。剩餘的能量被轉移到釋放的電子上。是電子還是原子核會保持光子動量的問題已經困擾物理學家30多年了。最簡單的想法是：只要電子附著在原子核上，動量就傳遞給較重的粒子，即原子核。一旦電子掙脫束縛，光子動量就轉移到電子上。這就好比風把它的動量轉移到船帆上。只要帆牢牢地繫住，風的動量就能推動船前進。然而，一旦繩索斷裂，風的動量只會轉移到帆上。

然而，研究人員哈頓通過他的實驗發現的答案更加令人驚訝。電子不僅接收到了預期的光子動量，而且還接收到光子本應進入原子核動量的三分之一。就像船帆知道繩索即將斷裂一樣，先竊取了一部分船的動量。為了更精確地解釋這個結果，哈頓使用了光波作為電磁波的概念：我們知道電子會通過一個小的能量勢壘隧道。在這樣做的過程中，它會被鐳射的強電場拉離原子核，而磁場則將這種額外的動量傳遞給電子。”

哈頓在實驗中使用了一種巧妙的測量裝置。以確保電子的小的附加動量不是由裝置中的不對稱性偶然引起的。這種精確測量的新方法可以更深入地理解鐳射在原子物理學中的磁性成分。