康普顿效应(卷名：物理学)
CoMpton effect
光照射在自由带电粒子上，散射光发生波长改变的现象。在1920年前人们即已发现，用X射线照射物质，可以观察到散射的X 射线波长发生了改变。根据经典电磁理论，散射光波长是不会改变的。1923年A.H.康普顿用光子与静止电子的弹性碰撞解释了散射光波长的改变，得出了波长移动的公式。他还测量了X 射线在石墨中散射后波长的改变，测量值与理论推测一致。于是人们称这个效应为康普顿效应。这与光电效应一起成为量子论的重要实验依据。
光子的动量为hv/с。光子与静止电子碰撞后，一定要把一部分动量给予电子，于是光子动量成为hv/с，而电子发生了反冲。图1表示出光子碰撞前后动量与电子动量的矢量关系。图中 v表示电子反冲速度，故电子动量为
。这里m0是电子质量。根据动量守恒定律可得
(1) 由能量守恒定律，则可得
(2) 解式(1)、式(2)，可得
。 (3) 式中λ与λ'分别为散射前后光波长，而
(4) λc叫康普顿波长，它决定了波长移动的数量级。式(3)表明，散射光波长与散射角θ有关，然而总是大于入射光波长。式(3)和式(4)合称康普顿公式。
以电子质量代入(4)，可得电子的康普顿波长为λc=2.42631×10-2Å，所以波长改变是一极小的量。上面的公式也可应用于其他带电粒子与光子的碰撞，此时M0代表粒子质量。如质子的康普顿波长为1.32141×10-5Å。
康普顿的最初实验是观察 X射线经过石墨的散射。因为X射线的波长是Å量级的，散射后波长的改变才是有意义的。X光子能量大，而石墨中价电子受到的束缚弱，可以近似认为是静止的自由电子。
图2是康普顿实验装置的示意图。铅准直缝让散射角为θ 的光子通过。光波长用晶体衍射方法测定。实验测得散射光波长与散射角θ 的关系如图3。
图3a表示入射X射线强度与波长的关系。图3b，图3c，图3d表示在散射角θ不同时X射线的强度分布。此时得两峰值，其一在入射X射线波长处。新的峰对应的波长即康普顿理论所预言的散射X 射线波长。测量结果证明康普顿的公式是正确的。
在散射X射线中波长不变的成分可以用内层电子散射来解释。内层电子紧紧束缚于原子核上，在应用康普顿公式时，M0应该理解为核质量。这时候的康普顿波长要比自由电子的康普顿波长小得多。X射线波长不变。
康普顿实验充分证明了爱因斯坦光子说所以内层电子散射的的正确性。所以康普顿效应成为光的量子理论的重要实验依据。又由于公式的推导中，引用了能量守恒和动量守恒定律，首次证明微观粒子的运动也遵循这两条基本定律。
进一步的分析表明，在物质中电子总是在运动的。运动电子与光子弹性碰撞的结果可以使光子动量变小，也可以使光子动量增加。散射光波长相应地可以增大，也可以减小。前面的康普顿公式就不适用了，这时散射光波长的改变应该考虑到多普勒效应。这是广义的康普顿效应。在这个基础上，人们得到了一些有意义的应用。如当人们观察X 射线通过物质后的散射强度分布时，可以发现多普勒效应所造成的强度分布。这就能了解电子在原子与物质中的速度分布。
用单能的γ射线照射到铝靶上， 连续改变散射角就可以实现γ射线波长的连续变化。用这个方法可得到波长可连续改变的单能γ射线。这在研究γ射线与核的相互作用中是很有用的。用红宝石激光射入电子加速器中，与高能电子对撞。反向散射的是波长极短的γ射线。而且此γ射线与入射激光有相同的偏振。这是获得单能极化γ射线的一种方法。
参考书目
R.S.Shankland，Atomic and Nuclear Physics，2nd ed.，MacMillan，New York，1960.