[科普中国]-逆康普顿散射

定义

康普顿在 1922～1923年研究X射线被电子散射时发现X射线波长会增长﹐这种现象称为康普顿散射。这是高能光子 (X射线﹑γ 射线)与静止或近似静止电子相碰撞导致高能光子损失能量的一种散射现象。逆康普顿散射和康普顿散射一样﹐都是光子与自由电子之间的一种弹性散射过程﹐只是能量传递方向正好相反。前者能量从电子传递给光子﹐后者从光子传递给电子。

分类在宇宙空间和天体中﹐普遍存在各种各样的低能光子﹐诸如射电光子﹑星光光子﹑微波背景光子﹔在高能天体附近和宇宙射线中﹐又经常存在高能电子。因此﹐逆康普顿散射在天体物理问题中具有重要意义。由于逆康普顿散射的作用﹐低能光子获得能量而变成高能光子﹐这是宇宙X射线的来源之一。在一般条件 [E (mc )]下﹐光子能量约可提高γ倍﹐这里m 为电子静止质量﹔c 为真空中的光速﹔E 和 分别为散射前高能电子和低能光子的能量﹐而γ=E /mc 。逆康普顿散射作用的另一结果是﹐高能电子损耗能量而变成低能电子﹐丧失其作为高能电子的功能﹐因而逆康普顿散射可看作是一种与其他高能电子过程(尤其是同步加速辐射过程)的竞争机制。这种竞争可用同步加速辐射能耗率与逆康普顿散射能耗率之比来表达。低能光子场能密度愈大﹐逆康普顿散射就愈频繁﹐提供给同步加速辐射的能量也就愈少。

天体物理学逆康普顿散射在天体物理学上有重要意义。在X射线天文学中，黑洞周围的吸积盘被认为会产生热辐射。此辐射所产生的低能光子会与黑洞的晕中的相对论性电子发生逆康普顿散射，从而获得能量。此现象被视为是吸积黑洞的X射线光谱（0.2-10千电子伏）中幂次项的成因。

当宇宙微波背景辐射穿过星系团周围的热气体时，逆康普顿效应亦能被观测到。宇宙微波背景辐射的光子被气体中的电子散射到更高的能量去，即所观测到的苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应。2