[科普中國(guó)]-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(cè)器的康普頓散射產(chǎn)生的光譜的一個(gè)特征。當(dāng)伽瑪射線散射離開(kāi)閃爍檢測(cè)器，只有其能量的某些部分由檢測(cè)器測(cè)出。能量沉積在檢測(cè)器的數(shù)量取決于光子的散射角，從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)于不同的散射角有不同的能量沉積，對(duì)應(yīng)于全反散射的最高能量，稱為康普頓邊緣。

簡(jiǎn)介在康普頓散射過(guò)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(shí)，沒(méi)有能量的轉(zhuǎn)移。當(dāng)角度接近180度得到最大能量轉(zhuǎn)移：

可見(jiàn)為最大能量，不可能有更高的能量通過(guò)這個(gè)過(guò)程進(jìn)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(yīng)首先在1923年由美國(guó)華盛頓大學(xué)物理學(xué)家康普頓觀察到，并在隨后的幾年間由他的研究生吳有訓(xùn)進(jìn)一步證實(shí)?？灯疹D因發(fā)現(xiàn)此效應(yīng)而獲得1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這個(gè)效應(yīng)反映出光不僅僅具有波動(dòng)性。此前湯姆孫散射的經(jīng)典波動(dòng)理論并不能解釋此處波長(zhǎng)偏移的成因，必須引入光的粒子性。這一實(shí)驗(yàn)說(shuō)服了當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)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(gè)過(guò)程中總動(dòng)量守恒，如果光子的剩余能量足夠多的話，還會(huì)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(dāng)光子從光子源發(fā)出，射入散射物質(zhì)（一般指金屬）時(shí)，主要是與電子發(fā)生作用。如果光子的能量相當(dāng)?shù)停ㄅc電子束縛能同數(shù)量級(jí)），則主要產(chǎn)生光電效應(yīng)，原子吸收光子而產(chǎn)生電離。如果光子的能量相當(dāng)大（遠(yuǎn)超過(guò)電子的束縛能）時(shí)，則我們可以認(rèn)為光子對(duì)自由電子發(fā)生散射，而產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。如果光子能量極其大（>1.022百萬(wàn)電子伏特）則足以轟擊原子核而生成一對(duì)粒子：電子和正電子，這個(gè)現(xiàn)象被稱為成對(duì)產(chǎn)生。

由于光子具有波粒二象性，因此，應(yīng)該可以用波動(dòng)理論詮釋這效應(yīng)。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(dòng)力學(xué)來(lái)描述光子，用量子力學(xué)來(lái)描述電子。

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

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

應(yīng)用康普頓散射康普頓效應(yīng)對(duì)放射生物學(xué)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(yīng)用于放射療法。

材料物理中，康普頓效應(yīng)可以用于探測(cè)物質(zhì)中的電子波函數(shù)。

康普頓效應(yīng)也是伽馬射線光譜學(xué)中的重要效應(yīng)，它是導(dǎo)致（光譜圖表上）康普頓邊緣的原因，因?yàn)橘ゑR射線有可能被散射出所用的探測(cè)器以外。康普頓抑壓法（用較廉價(jià)的探測(cè)器去包圍較高價(jià)的主探測(cè)器）被用于探測(cè)走散的散射伽馬射線而抵消此作用帶來(lái)的影響。

逆康普頓散射逆康普頓散射在天體物理學(xué)上有重要意義。在X射線天文學(xué)中，黑洞周圍的吸積盤被認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生熱輻射。此輻射所產(chǎn)生的低能光子會(huì)與黑洞的暈中的相對(duì)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(xiàng)的成因。

當(dāng)宇宙微波背景輻射穿過(guò)星系團(tuán)周圍的熱氣體時(shí)，逆康普頓效應(yīng)亦能被觀測(cè)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(cè)到的蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)。3

參見(jiàn)康普頓波長(zhǎng)

湯姆孫散射

克萊因-仁科公式

光電效應(yīng)

電子對(duì)生成

彼得·德拜

沃爾法·博特

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)