康普顿散射

康普顿散射是量子力学中的一个基本概念，它展示了电磁辐射的波粒二象性，特别是X射线和伽玛射线。该现象以亚瑟·H·康普顿命名，他于1923年发现了这一现象。康普顿散射展示了电磁辐射与物质之间的相互作用，为光的粒子性质提供了证据。

历史背景

到20世纪初，光的波动性已经通过例如杨的双缝实验以及光的干涉和衍射等实验得到了充分的证明。然而，阿尔伯特·爱因斯坦发现的光电效应——其中光被证明可以从金属表面弹射出电子——则表明光也表现出粒子性。康普顿散射进一步展示了这种粒子般的行为，为波粒二象性的概念提供了更多支持。

什么是康普顿散射？

康普顿散射是光子（通常是X射线或伽玛射线光子）由目标（通常是电子）无弹性散射的现象。在此散射过程中，光子将部分能量转移给电子，导致光子的波长和方向发生变化。这种波长的变化被称为康普顿位移。

理解康普顿效应

在深入探讨之前，让我们先从一个简单的类比开始。想象一个台球（代表光子）碰撞上另一个台球（代表电子）。碰撞后，两个球都会改变方向，而光子（台球）会损失部分能量给电子（另一个台球）。在康普顿散射中，光子像台球一样也会损失能量，从而导致光的波长增加。碰撞后的光子的波长比原始波长更长。

数学表示

波长变化（康普顿位移）可以通过康普顿公式计算：

Δλ = λ' - λ = (h / (m_e * c)) * (1 - cos θ)

其中：

Δλ是波长的变化。
λ'是散射后的波长。
λ是散射前的初始波长。
h是普朗克常数（约6.626 x 10^-34 J s）。
m_e是电子静止质量（约9.109 x 10^-31 kg）。
c是真空中的光速（约3 x 10⁸ m/s）。
θ是光子的散射角度。

波粒二象性

波粒二象性是量子力学的核心原则之一，提出每个粒子或量子实体都同时表现出波和粒子的特性。在康普顿散射的背景下，这一原则通过电磁辐射（传统上被描述为波动）也能表现出粒子般的特性，如动量和能量转移来得到说明。

波动性与粒子性

早期的实验如衍射和干涉强调了光的波动性质。然而，像光电效应和康普顿散射这样的现象通过展示能量的量子化，突出了光的粒子性质。

视觉表示

让我们设想康普顿散射过程：