（文章來源：量子認(rèn)知）

在物理學(xué)中，康普頓散射（Compton scattering），或稱康普頓效應(yīng)（Compton effect），是指當(dāng)X射線或伽馬射線的光子跟物質(zhì)相互作用，因失去能量而導(dǎo)致波長變長的現(xiàn)象。當(dāng)美國物理學(xué)家亞瑟·康普頓（Arthur Compton）在1922年發(fā)現(xiàn)光波的行為類似于粒子，并且可以在撞擊實驗中將電子從原子中撞出時，這是量子力學(xué)的一個重要里程碑。

五年后，康普頓因這項發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎，這證明了電磁輻射的粒子性質(zhì)。當(dāng)時是一個令人震驚的發(fā)現(xiàn)：光的波性質(zhì)已得到充分證明，但光既具有波性質(zhì)又具有粒子性質(zhì)的想法并不容易被接受?？灯疹D在實驗中使用了高能量的短波光，這使他可以忽略電子與原子核的結(jié)合能。康普頓只是簡單地假設(shè)他的計算是電子自由地停留在太空中。

迄今為止，在接下來的90年中，針對康普頓散射進(jìn)行了許多實驗和計算，這些實驗和計算不斷地顯示出不對稱性并帶來了難題。例如，觀察到在某些實驗中，當(dāng)將碰撞后的電子和輕粒子（光子）的運(yùn)動能與碰撞前的光子的能量進(jìn)行比較時，似乎損失了能量。由于能量不能簡單地消失，因此可以認(rèn)為，在這些情況下，與康普頓的簡化假設(shè)相反，不能忽略原子核對光電子碰撞的影響。

現(xiàn)在，法蘭克福歌德大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊進(jìn)行了首次由光子進(jìn)行的碰撞實驗，同時觀察到了射出的電子和原子核的運(yùn)動，對康普頓效應(yīng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)上完整的實驗，研究了康普頓散射氦原子的整個狀態(tài)過程。該研究成果發(fā)表在昨天的《自然物理》雜志上。

他們在漢堡加速器設(shè)施DESY用X射線源PETRA III的X射線照射了氦原子，在COLTRIMS反應(yīng)顯微鏡中檢測了噴射的電子和其余帶電的原子離子，通過所開發(fā)的檢測設(shè)備，能夠檢測到原子和分子中的超快反應(yīng)過程。

上圖為康普頓散射的過程和啟用實驗的COLTRIMS反應(yīng)顯微鏡示意圖。光子（擺動線）在COLTRIMS反應(yīng)顯微鏡的中心撞擊原子中的電子，敲除電子（紅球）并留下離子（藍(lán)球）。兩種粒子都被電場和磁場導(dǎo)向檢測器（紅色和藍(lán)色圓盤）。

COLTRIMS反應(yīng)顯微鏡，英文全稱：Cold Target Recoil Ion Momentum reaction microscope，中文譯名：冷靶反沖離子動量反應(yīng)顯微鏡，用于原子和分子反應(yīng)的顯微鏡技術(shù)，可為原子尺度上的物體，如原子、分子和團(tuán)簇等的相關(guān)動力學(xué)提供詳盡的信息。該技術(shù)涉及超音速氣體噴射靶、明確的靜電場以及對粒子位置與時間因素探測的探測器。

實驗所觀察的結(jié)果令人驚訝。首先，科學(xué)家們觀察到，散射光子的能量當(dāng)然是守恒的，并且部分地轉(zhuǎn)移給了原子核離子的運(yùn)動。此外，他們還觀察到，碰撞的光子的能量實際上太低而無法克服電子與原子核的結(jié)合能時，有時會將電子從原子核中剔除?？傮w而言，在三分之二的情況下，電子僅以臺球撞擊實驗方式中預(yù)期的方向噴射。在所有其它情況下，電子似乎被原子核反射，有時甚至以相反的方向射出。

研究人員在基于冷靶反沖離子動量反應(yīng)顯微鏡的實驗中確定了電子、反沖離子和散射光子的動量相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)電子不僅沿動量轉(zhuǎn)移的方向發(fā)射，而且還有第二個向后噴射的峰值。這一發(fā)現(xiàn)將康普頓散射與超短光脈沖電離、電子碰撞電離、離子碰撞電離和中子散射等過程類似的動量模式聯(lián)系起來。

研究人員指出：“這使我們能夠證明整個光子及射出的電子和離子的系統(tǒng)都是根據(jù)量子力學(xué)定律振蕩的。因此，我們的實驗為基于康普頓效應(yīng)的量子力學(xué)理論的測試提供了一種新型的實驗方法。這具有重要意義，特別是在天體物理學(xué)和X射線物理學(xué)中?！?/p>

（責(zé)任編輯：fqj）