（文章來(lái)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(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象。當(dāng)美國(guó)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(shí)驗(yàn)中將電子從原子中撞出時(shí)，這是量子力學(xué)的一個(gè)重要里程碑。

五年后，康普頓因這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，這證明了電磁輻射的粒子性質(zhì)。當(dāng)時(shí)是一個(gè)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(shí)驗(yàn)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?？灯疹D只是簡(jiǎn)單地假設(shè)他的計(jì)算是電子自由地停留在太空中。

迄今為止，在接下來(lái)的90年中，針對(duì)康普頓散射進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，這些實(shí)驗(yàn)和計(jì)算不斷地顯示出不對(duì)稱性并帶來(lái)了難題。例如，觀察到在某些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)將碰撞后的電子和輕粒子（光子）的運(yùn)動(dòng)能與碰撞前的光子的能量進(jìn)行比較時(shí)，似乎損失了能量。由于能量不能簡(jiǎn)單地消失，因此可以認(rèn)為，在這些情況下，與康普頓的簡(jiǎn)化假設(shè)相反，不能忽略原子核對(duì)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(duì)進(jìn)行了首次由光子進(jìn)行的碰撞實(shí)驗(yàn)，同時(shí)觀察到了射出的電子和原子核的運(yùn)動(dòng)，對(duì)康普頓效應(yīng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)上完整的實(shí)驗(yàn)，研究了康普頓散射氦原子的整個(gè)狀態(tài)過(guò)程。該研究成果發(fā)表在昨天的《自然物理》雜志上。

他們?cè)跐h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(cè)了噴射的電子和其余帶電的原子離子，通過(guò)所開(kāi)發(fā)的檢測(cè)設(shè)備，能夠檢測(cè)到原子和分子中的超快反應(yīng)過(guò)程。

上圖為康普頓散射的過(guò)程和啟用實(shí)驗(yàn)的COLTRIMS反應(yīng)顯微鏡示意圖。光子（擺動(dòng)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(chǎng)和磁場(chǎng)導(dǎo)向檢測(cè)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)以及對(duì)粒子位置與時(shí)間因素探測(cè)的探測(cè)器。

實(shí)驗(yàn)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(dòng)。此外，他們還觀察到，碰撞的光子的能量實(shí)際上太低而無(wú)法克服電子與原子核的結(jié)合能時(shí)，有時(shí)會(huì)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(tái)球撞擊實(shí)驗(yàn)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(shí)甚至以相反的方向射出。

研究人員在基于冷靶反沖離子動(dòng)量反應(yīng)顯微鏡的實(shí)驗(yàn)中確定了電子、反沖離子和散射光子的動(dòng)量相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)電子不僅沿動(dòng)量轉(zhuǎn)移的方向發(fā)射，而且還有第二個(gè)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(guò)程類似的動(dòng)量模式聯(lián)系起來(lái)。

研究人員指出：“這使我們能夠證明整個(gè)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(shí)驗(yàn)為基于康普頓效應(yīng)的量子力學(xué)理論的測(cè)試提供了一種新型的實(shí)驗(yàn)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）