在數(shù)學(xué)上，康普頓散射（）量子物理理論，或稱康普頓效應(yīng)（），是指X射線或伽馬射線光子與物質(zhì)相互作用時(shí)，由于能量損失而導(dǎo)致波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象。 1922 年，德國(guó)化學(xué)家阿瑟·康普頓 ( ) 發(fā)現(xiàn)光波的行為類似于粒子，但可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)將電子從原子中敲出，這是量子熱學(xué)的一個(gè)重要里程碑。
兩年后，康普頓因這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，該發(fā)現(xiàn)證明了電磁輻射的粒子性質(zhì)。 這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：光的波動(dòng)性已經(jīng)被充分證明，但光同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性的觀點(diǎn)卻不容易被接受。 康普頓在他的實(shí)驗(yàn)中使用高能長(zhǎng)波長(zhǎng)光，這使他能夠忽略電子與原子核的結(jié)合能。 康普頓簡(jiǎn)單地假設(shè)他的計(jì)算是電子可以自由地在太空中徘徊。
迄今為止，在隨后的90年里，人們對(duì)康普頓散射進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和估計(jì)，但屢屢暴露出不對(duì)稱性并帶來(lái)了困難。 例如，在個(gè)別實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)將碰撞后的電子和光粒子（光子）的動(dòng)能與碰撞前的光子的能量進(jìn)行比較時(shí)，盡管能量損失了。 由于能量不可能簡(jiǎn)單地消失，因此可以感覺(jué)到，在這種情況下，與康普頓的簡(jiǎn)化假設(shè)相反，原子核-光電子碰撞的影響是不可忽視的。
現(xiàn)在，慕尼黑歌德學(xué)院的化學(xué)家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了首次光子碰撞實(shí)驗(yàn)，同時(shí)觀察彈射電子和原子核的運(yùn)動(dòng)，對(duì)康普頓效應(yīng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)上完整的實(shí)驗(yàn)，研究了康普頓的整個(gè)狀態(tài)過(guò)程散射氦原子。 研究結(jié)果今天發(fā)表在《自然化學(xué)》雜志上。
他們用來(lái)自比薩加速器設(shè)施 DESY 的 X 射線源 的 X 射線照射氦原子，并在反應(yīng)顯微鏡中檢測(cè)到噴射的電子和剩余的帶電原子離子。 超快的反應(yīng)過(guò)程。
上圖是康普頓散射過(guò)程和支持該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)顯微鏡的示意圖。 光子（擺動(dòng)線）撞擊反應(yīng)顯微鏡中心原子中的電子，擊出電子（黑球）并留下離子（藍(lán)球）。 兩種類型的粒子都通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)定向到測(cè)量器（藍(lán)色和白色圓盤）。
反應(yīng)顯微鏡，中文全稱：量子物理理論，英文翻譯：冷靶反沖離子動(dòng)量反應(yīng)顯微鏡，一種原子、分子反應(yīng)的顯微鏡技術(shù)，可用于原子尺度上物體的相關(guān)動(dòng)力學(xué)，如原子、分子和集群 提供詳細(xì)信息。 該技術(shù)涉及超音速二氧化碳噴射目標(biāo)、明確的靜電場(chǎng)以及用于粒子位置和時(shí)間感應(yīng)檢測(cè)的探測(cè)器。
實(shí)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果是令人驚訝的。 首先，科學(xué)家觀察到，散射光子的能量實(shí)際上是守恒的，并且部分轉(zhuǎn)移到了原子核和離子的運(yùn)動(dòng)中。 他們還觀察到，當(dāng)光子的能量實(shí)際上太低而無(wú)法克服電子與原子核的結(jié)合能時(shí)，碰撞光子有時(shí)會(huì)將電子從原子核中撞出。 總體而言，在三分之二的情況下，電子僅按照臺(tái)球撞擊實(shí)驗(yàn)方法中預(yù)期的方向噴射。 在所有其他情況下，電子有時(shí)甚至?xí)叵喾捶较驀娚洌M管它們被原子核反射。
研究人員在基于冷靶反沖離子動(dòng)量反應(yīng)顯微鏡的實(shí)驗(yàn)中確定了電子、反沖離子和散射光子的動(dòng)量相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)電子除了動(dòng)量轉(zhuǎn)移方向外還被發(fā)射，并且存在第二個(gè)向后噴射峰。 這一發(fā)現(xiàn)將康普頓散射與超短光脈沖電離、電子碰撞電離、離子碰撞電離和中子散射等過(guò)程的類似動(dòng)量模式聯(lián)系起來(lái)。
研究人員強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“這使我們能夠證明整個(gè)光子系統(tǒng)以及發(fā)射的電子和離子根據(jù)量子熱定律振蕩。” 因此，我們的實(shí)驗(yàn)為檢驗(yàn)基于康普頓效應(yīng)的量子熱理論提供了基礎(chǔ)。 一種新型實(shí)驗(yàn)。 這具有重要意義，特別是在天體化學(xué)和 X 射線化學(xué)方面。”