量子力学理论测试的新方法，康普顿效应难题得以解决

（文章来源：量子认知）

在物理学中，康普顿散射（Compton scattering），或称康普顿效应（Compton effect），是指当X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用，因失去能量而导致波长变长的现象。当美国物理学家亚瑟·康普顿（Arthur Compton）在1922年发现光波的行为类似于粒子，并且可以在撞击实验中将电子从原子中撞出时，这是量子力学的一个重要里程碑。

五年后，康普顿因这项发现获得了诺贝尔奖，这证明了电磁辐射的粒子性质。当时是一个令人震惊的发现：光的波性质已得到充分证明，但光既具有波性质又具有粒子性质的想法并不容易被接受。康普顿在实验中使用了高能量的短波光，这使他可以忽略电子与原子核的结合能。康普顿只是简单地假设他的计算是电子自由地停留在太空中。

迄今为止，在接下来的90年中，针对康普顿散射进行了许多实验和计算，这些实验和计算不断地显示出不对称性并带来了难题。例如，观察到在某些实验中，当将碰撞后的电子和轻粒子（光子）的运动能与碰撞前的光子的能量进行比较时，似乎损失了能量。由于能量不能简单地消失，因此可以认为，在这些情况下，与康普顿的简化假设相反，不能忽略原子核对光电子碰撞的影响。

现在，法兰克福歌德大学的物理学家团队进行了首次由光子进行的碰撞实验，同时观察到了射出的电子和原子核的运动，对康普顿效应进行了运动学上完整的实验，研究了康普顿散射氦原子的整个状态过程。该研究成果发表在昨天的《自然物理》杂志上。

他们在汉堡加速器设施DESY用X射线源PETRA III的X射线照射了氦原子，在COLTRIMS反应显微镜中检测了喷射的电子和其余带电的原子离子，通过所开发的检测设备，能够检测到原子和分子中的超快反应过程。

上图为康普顿散射的过程和启用实验的COLTRIMS反应显微镜示意图。光子（摆动线）在COLTRIMS反应显微镜的中心撞击原子中的电子，敲除电子（红球）并留下离子（蓝球）。两种粒子都被电场和磁场导向检测器（红色和蓝色圆盘）。

COLTRIMS反应显微镜，英文全称：Cold Target Recoil Ion Momentum reaction microscope，中文译名：冷靶反冲离子动量反应显微镜，用于原子和分子反应的显微镜技术，可为原子尺度上的物体，如原子、分子和团簇等的相关动力学提供详尽的信息。该技术涉及超音速气体喷射靶、明确的静电场以及对粒子位置与时间因素探测的探测器。

实验所观察的结果令人惊讶。首先，科学家们观察到，散射光子的能量当然是守恒的，并且部分地转移给了原子核离子的运动。此外，他们还观察到，碰撞的光子的能量实际上太低而无法克服电子与原子核的结合能时，有时会将电子从原子核中剔除。总体而言，在三分之二的情况下，电子仅以台球撞击实验方式中预期的方向喷射。在所有其它情况下，电子似乎被原子核反射，有时甚至以相反的方向射出。

研究人员在基于冷靶反冲离子动量反应显微镜的实验中确定了电子、反冲离子和散射光子的动量相关性，发现电子不仅沿动量转移的方向发射，而且还有第二个向后喷射的峰值。这一发现将康普顿散射与超短光脉冲电离、电子碰撞电离、离子碰撞电离和中子散射等过程类似的动量模式联系起来。

研究人员指出：“这使我们能够证明整个光子及射出的电子和离子的系统都是根据量子力学定律振荡的。因此，我们的实验为基于康普顿效应的量子力学理论的测试提供了一种新型的实验方法。这具有重要意义，特别是在天体物理学和X射线物理学中。”

（责任编辑：fqj）