（文章來源：量子認知）

在物理學中，康普頓散射（Compton scattering），或稱康普頓效應（Compton effect），是指當X射線或伽馬射線的光子跟物質相互作用，因失去能量而導致波長變長的現象。當美國物理學家亞瑟·康普頓（Arthur Compton）在1922年發現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，這是量子力學的一個重要里程碑。

五年后，康普頓因這項發現獲得了諾貝爾獎，這證明了電磁輻射的粒子性質。當時是一個令人震驚的發現：光的波性質已得到充分證明，但光既具有波性質又具有粒子性質的想法并不容易被接受。康普頓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合能。康普頓只是簡單地假設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，當將碰撞后的電子和輕粒子（光子）的運動能與碰撞前的光子的能量進行比較時，似乎損失了能量。由于能量不能簡單地消失，因此可以認為，在這些情況下，與康普頓的簡化假設相反，不能忽略原子核對光電子碰撞的影響。

現在，法蘭克福歌德大學的物理學家團隊進行了首次由光子進行的碰撞實驗，同時觀察到了射出的電子和原子核的運動，對康普頓效應進行了運動學上完整的實驗，研究了康普頓散射氦原子的整個狀態過程。該研究成果發表在昨天的《自然物理》雜志上。

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

上圖為康普頓散射的過程和啟用實驗的COLTRIMS反應顯微鏡示意圖。光子（擺動線）在COLTRIMS反應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（藍球）。兩種粒子都被電場和磁場導向檢測器（紅色和藍色圓盤）。

COLTRIMS反應顯微鏡，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顯微鏡，用于原子和分子反應的顯微鏡技術，可為原子尺度上的物體，如原子、分子和團簇等的相關動力學提供詳盡的信息。該技術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。

實驗所觀察的結果令人驚訝。首先，科學家們觀察到，散射光子的能量當然是守恒的，并且部分地轉移給了原子核離子的運動。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合能時，有時會將電子從原子核中剔除。總體而言，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性，發現電子不僅沿動量轉移的方向發射，而且還有第二個向后噴射的峰值。這一發現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都是根據量子力學定律振蕩的。因此，我們的實驗為基于康普頓效應的量子力學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和X射線物理學中。”

（責任編輯：fqj）