[科普中國]-康普頓邊

在分光光度法中，康普頓邊，即康普頓邊緣（Compton edge），指從在閃爍器或探測器的康普頓散射產(chǎn)生的光譜的一個特征。當伽瑪射線散射離開閃爍檢測器，只有其能量的某些部分由檢測器測出。能量沉積在檢測器的數(shù)量取決于光子的散射角，從而導致對應于不同的散射角有不同的能量沉積，對應于全反散射的最高能量，稱為康普頓邊緣。

簡介在康普頓散射過程，入射光子與材料的電子碰撞。能量交換的量因角度而變化，由下式給出：

或者

其中，E是入射的光子的能量，E'是傳出光子，從而逸出的材料的能量，m是電子的質(zhì)量。c是光的速度。

能量轉(zhuǎn)移到材料的量與偏轉(zhuǎn)角而變化，角度接近0度時，沒有能量的轉(zhuǎn)移。當角度接近180度得到最大能量轉(zhuǎn)移：

可見為最大能量，不可能有更高的能量通過這個過程進行傳遞?？灯疹D邊緣因而得名。1

康普頓散射概述康普頓效應首先在1923年由美國華盛頓大學物理學家康普頓觀察到，并在隨后的幾年間由他的研究生吳有訓進一步證實?？灯疹D因發(fā)現(xiàn)此效應而獲得1927年的諾貝爾物理學獎。

這個效應反映出光不僅僅具有波動性。此前湯姆孫散射的經(jīng)典波動理論并不能解釋此處波長偏移的成因，必須引入光的粒子性。這一實驗說服了當時很多物理學家相信，光在某種情況下表現(xiàn)出粒子性，光束類似一串粒子流，而該粒子流的能量與光頻率成正比。

在引入光子概念之后，康普頓散射可以得到如下解釋：電子與光子發(fā)生彈性碰撞，電子獲得光子的一部分能量而反彈，失去部分能量的光子則從另一方向飛出，整個過程中總動量守恒，如果光子的剩余能量足夠多的話，還會發(fā)生第二次甚至第三次彈性碰撞。

康普頓散射可以在任何物質(zhì)中發(fā)生。當光子從光子源發(fā)出，射入散射物質(zhì)（一般指金屬）時，主要是與電子發(fā)生作用。如果光子的能量相當?shù)停ㄅc電子束縛能同數(shù)量級），則主要產(chǎn)生光電效應，原子吸收光子而產(chǎn)生電離。如果光子的能量相當大（遠超過電子的束縛能）時，則我們可以認為光子對自由電子發(fā)生散射，而產(chǎn)生康普頓效應。如果光子能量極其大（>1.022百萬電子伏特）則足以轟擊原子核而生成一對粒子：電子和正電子，這個現(xiàn)象被稱為成對產(chǎn)生。

由于光子具有波粒二象性，因此，應該可以用波動理論詮釋這效應。埃爾溫·薛定諤于1927年給出半經(jīng)典理論。這理論是用經(jīng)典電動力學來描述光子，用量子力學來描述電子。

康普頓頻移公式康普頓本人引用光電效應和狹義相對論來解釋這一現(xiàn)象，并依據(jù)余弦定律推導得出康普頓頻移公式：

其中 為撞前波長， 為撞后波長， 為電子質(zhì)量，為光子方向轉(zhuǎn)動角（碰撞前后的路徑夾角），為普朗克常數(shù)，為光速。2

應用康普頓散射康普頓效應對放射生物學十分重要，由于它是高能量X射線與生物中的原子核間，最有可能發(fā)生的相互作用，因此亦被應用于放射療法。

材料物理中，康普頓效應可以用于探測物質(zhì)中的電子波函數(shù)。

康普頓效應也是伽馬射線光譜學中的重要效應，它是導致（光譜圖表上）康普頓邊緣的原因，因為伽馬射線有可能被散射出所用的探測器以外?？灯疹D抑壓法（用較廉價的探測器去包圍較高價的主探測器）被用于探測走散的散射伽馬射線而抵消此作用帶來的影響。

逆康普頓散射逆康普頓散射在天體物理學上有重要意義。在X射線天文學中，黑洞周圍的吸積盤被認為會產(chǎn)生熱輻射。此輻射所產(chǎn)生的低能光子會與黑洞的暈中的相對論性電子發(fā)生逆康普頓散射，從而獲得能量。此現(xiàn)象被視為是吸積黑洞的X射線光譜（0.2-10千電子伏）中冪次項的成因。

當宇宙微波背景輻射穿過星系團周圍的熱氣體時，逆康普頓效應亦能被觀測到。宇宙微波背景輻射的光子被氣體中的電子散射到更高的能量去，即所觀測到的蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應。3

參見康普頓波長

湯姆孫散射

克萊因-仁科公式

光電效應

電子對生成

彼得·德拜

沃爾法·博特

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學