康普顿效应是弹性碰撞吗_【量子力学】康普顿散射与逆康普顿散射

本文科普为主_(:з」∠)_，建议阅读时长：三分钟

一、康普顿效应

1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长

$λ_{0}$ 的x光外，还产生了波长

$λ>λ_{0}$ 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应。

用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难，康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。

康普顿效应是射线与物质相互作用的三种效应之一．康普顿效应是指入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的过程．碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化．如图所示，其中

$h\nu$ 是入射光子的能量，

$h\nu^\prime$ 是散射光子的能量，

$\theta$ 是散射光子的散射角，

$e$ 是反冲电子，

$\phi$ 是反冲电子的反冲角．

^[1]

康普顿原话：

“从量子论的观点看，可以假设：任一特殊的X射线量子不是被辐射器中所有电子散射，而是把它的全部能量耗于某个特殊的电子，这电子转过来又将射线向某一特殊的方向散射，这个方向与入射束成某个角度。辐射量子路径的弯折引起动量发生变化。结果，散射电子以等于X射线动量变化的动量反冲。散射射线的能量等于入射射线的能量减去散射电子反冲的动能。由于散射射线应是一完整的量子，其频率也将和能量同比例地减小。因此，根据量子理论，我们可以期待散射射线的波长比入射射线大，而散射辐射的强度在原始X射线的前进方向要比反方向大，正如实验测得的那样。”

二、康普顿散射实验

用大白话来说，就是用光去照射电子（光子和电子相碰撞），可测得碰撞之后的波长比之前变长了（

$E=h\nu=\frac{hC}{\lambda}$ ，

$h$ 为普朗克常量，

$\nu$ 为频率，

$\lambda$ 为波长）光子失去部分能量后

$\nu$ 减小，

$\lambda$ 增大

光子把自身能量的一部分转移给电子，光子本身不消失，而是保留了部分能量，成为散射光子。

解释射线方向和强度的分布，根据能量守恒和动量守恒，考虑到相对论效应，波长偏移量，即康普顿偏移公式：

$Δλ=λ-λ_{0}=(\frac{2h}{mc})sin^2(\frac{\theta}{2})$ （

$△λ$ 为入射波长

$λ_{0}$ 与散射波长

$λ$ 之差；这里的

$m$ 是静质量，PS：这里不太准确）

推导过程：

能量守恒定律:

$hv_{0}+ m_{0}c^{2} = hv + mc^{2}$

动量守恒定律:

$|mv|=(\frac{h\nu_{0}}{c})2 + (\frac{h\nu}{c})2 -2(\frac{h\nu_{0}}{c})·(\frac{h\nu}{c})·cos\theta$

解得

$\Delta\lambda=\lambda-\lambda_{0}=\frac{2h}{m_{0}c}sin^{2}\frac{\theta}{2}=2\lambda_{c}sin^{2}\frac{\theta}{2}$

哦豁，我还没讲动量守恒和能量守恒

改天，改天，，，，，

三、逆康普顿散射

普通的康普顿散射是能量较高的光子撞击静止的电子，变成能量较低的光子，光子在这个过程中损失能量，而电子增加能量；

逆康普顿散射恰恰与康普顿散射相反，用低能光子（通过激光产生）撞击高能电子，获得高能光子，然后再把这束高能光子与另一束高能光子相撞，即可实现高能光子对撞：

建议阅读

逆康普顿散射打造“史上最强的光”tech.huanqiu.com光子与光子会发生碰撞吗？www.zhihu.com

参考

^可以看看 http://wuli.wiki/changed/Comptn.html#fig1