コンプトン散乱

コンプトン散乱は、高エネルギーX線光子が緩く束縛された（実質的に自由な）電子と衝突し、角度 theta だけ偏向して運動量の一部を電子に渡す現象である。散乱光子は入射光子より波長が長くなり、その変化量はコンプトン公式 delta-lambda = (h / m_e c)(1 - cos theta) で与えられる。係数 h / m_e c = 2.426 pm は電子のコンプトン波長である。theta = 0 では変化量ゼロ（前方散乱、掠め角）、theta = 90度では変化量がちょうどコンプトン波長 2.426 pm に等しくなり、theta = 180度（後方散乱）では変化量は最大の 4.852 pm となる。これは入射波長が約5 pm（硬X線）の場合、光子がエネルギーのほぼ半分を失うことに相当する。Arthur Compton は1923年にモリブデン Kα X線（lambda_0 = 70.8 pm）と回転結晶分光器を用いてこの変化量を測定し、公式を0.1%以内の精度で実証した。

コンプトンの結果が重要であった理由は、それが古典的な波動理論では説明できなかったからである。古典電磁気学では、振動する電磁波が電子を入射周波数で振動させ、同じ周波数で再放射するとされており（トムソン散乱）、波長変化は生じない。コンプトンの結果は、電磁放射が運動量 p = h/lambda を担い、個々の光子が電子とビリヤードの球のような衝突を行ってエネルギーと運動量を同時に保存することを証明した。これは光子という概念の決定的な証拠となり、コンプトンは1927年にノーベル賞を受賞した。この効果はガンマ線天文学のコンプトンカメラに応用されており（コンプトンガンマ線観測衛星搭載の COMPTEL は電子反跳追跡によって MeV 帯の全天マップを作成した）、また逆コンプトン散乱では高エネルギー電子が低エネルギー光子をX線・ガンマ線エネルギーまで増幅する。これは活動銀河核ジェットやスニヤエフ=ゼルドビッチ効果（銀河団が宇宙マイクロ波背景放射に刻む信号）を含む天体物理学上最も高光度な放射源のいくつかを駆動する機構でもある。