Compton 효과와 그 기본 이론. Compton 효과: Compton 효과에서 양자 역학 파장 변화의 초석

COMPTON EFFECT(Compton 산란), 자유 하전 입자에 의한 단단한(단파장) 전자기 복사의 산란과 함께 산란된 복사의 파장 변화. 그것은 1922년 A. Compton에 의해 흑연에서 단단한 X선이 산란되는 동안 발견되었으며, 방사선을 산란시키는 원자 전자는 좋은 정확도로 자유로이 간주될 수 있습니다(X선의 주파수는 전자의 특성 주파수를 훨씬 초과하기 때문에 가벼운 원자에서의 운동). Compton의 측정에 따르면 각도 θ로 산란될 때 X선 방사선 λ 0 의 초기 파장이 증가하여 다음과 같은 것으로 판명되었습니다.

여기서 λ C는 전자의 Compton 파장이라고 하는 모든 물질에 대한 상수 값입니다. (λ С = λ/2π = 3.86159268·10 -11 cm 값이 더 자주 사용됨) Compton 효과는 빛의 고전파 이론과 크게 모순되며, 이에 따르면 전자기 복사의 파장은 자유에 의해 산란될 때 변경되지 않아야 합니다. 전자. 따라서 콤프턴 효과의 발견은 빛의 이중성을 나타내는 가장 중요한 사실 중 하나였습니다(구체파 이원론 참조). Compton과 그와 독립적으로 P. Debye가 제공한 효과에 대한 설명은 전자와 충돌하는 에너지 E \u003d ћω 및 운동량 p \u003d ћk를 갖는 γ-양자가 에너지의 일부를 다음으로 전달한다는 것입니다. 산란 각도에 따라 다릅니다. (여기서 ћ는 플랑크 상수, ω는 전자기파의 주기적 주파수, k는 파장 벡터 |k|= ω/s이며 관계식 λ = 2π|k|에 의해 파장과 관련됩니다.) 다음의 법칙에 따르면 에너지와 운동량의 보존, 에너지 γ- 정지 전자에 의해 산란된 양자는 다음과 같습니다.

이것은 산란된 방사선 λ'의 파장에 완전히 해당합니다. 이 경우 전자의 Compton 파장은 전자 질량 m e, 빛의 속도 c 및 플랑크 상수 ћ: λ С = ћ/m e c와 같은 기본 상수로 표현됩니다. Compton 효과에 대한 그러한 해석의 첫 번째 정성적 확인은 1923년 C.T.R. Wilson이 자신이 발명한 챔버(Wilson 챔버)에서 공기에 X선을 조사할 때 반동 전자를 관찰한 것입니다. Compton 효과에 대한 상세한 정량 연구는 방사성 물질 RaC(214 Bi)를 고에너지 γ-양자 소스로 사용하고 자기장에 배치된 구름 챔버를 검출기로 사용한 D. V. Skobeltsyn에 의해 수행되었습니다. Skobeltsyn의 데이터는 나중에 양자 전기 역학을 테스트하는 데 사용되었습니다. 이 검증의 결과, 스웨덴 물리학자 O. Klein, 일본 물리학자 Y. Nishina 및 I. E. Tamm은 콤프턴 효과의 유효 단면적이 γ-양자 에너지의 증가에 따라 감소한다는 것을 발견했습니다. 전자기 복사의 파장에서) 및 Compton 파장을 크게 초과하는 파장의 경우 한계 σ T \u003d (8π / 3)re 2 \u003d 0.6652459 10 -24 cm 2, 파를 기준으로 J. J. Thomson이 표시한 경향이 있습니다. 이론 (re \u003d e 2 / m e s 2 - 고전 전자 반경).

Compton 효과는 전자뿐만 아니라 더 큰 질량을 가진 다른 입자에 의한 γ-양자의 산란에서 관찰되지만 이 경우 유효 단면적은 몇 자릿수 더 작습니다.

γ-양자가 휴식에 의해 산란되지 않고 움직이는(특히 상대론적) 전자에 의해 산란되는 경우, 에너지는 전자에서 γ-양자로 전달될 수 있다. 이 현상을 역 Compton 효과라고 합니다.

광전 효과 및 전자-양전자 쌍의 생성과 함께 Compton 효과는 물질에서 단단한 전자기 복사를 흡수하는 주요 메커니즘입니다. Compton 효과의 상대적 역할은 원소의 원자 번호와 γ선의 에너지에 따라 다릅니다. 예를 들어 납에서 Compton 효과는 0.05-15 MeV 범위의 알루미늄에서 0.5-5 MeV의 에너지 범위에서 광자 손실에 주요 기여를 합니다(그림). 이 에너지 범위에서 Compton 산란은 γ선을 감지하고 에너지를 측정하는 데 사용됩니다.

Compton 효과는 천체 물리학과 우주론에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 이것은 광자가 별의 중심 영역(열핵 반응이 일어나는 곳)에서 표면으로 에너지를 전달하는 과정, 즉 궁극적으로 별의 광도와 진화 속도를 결정합니다. 산란으로 인한 빛의 압력은 별의 껍질이 팽창하기 시작하는 별의 임계 광도를 결정합니다.

초기 팽창 우주에서 Compton 산란은 양성자와 전자의 뜨거운 플라즈마에서 물질과 방사선 사이의 평형 온도를 이 입자에서 수소 원자가 형성될 때까지 유지했습니다. 이 때문에 우주 마이크로파 배경 복사의 각 이방성은 물질의 주요 변동에 대한 정보를 제공하여 우주의 대규모 구조를 형성합니다. 역 Compton 효과는 배경 은하 복사의 X선 성분과 일부 우주 소스의 γ 복사의 존재를 설명합니다. 우주 마이크로파 배경 복사가 먼 은하의 뜨거운 가스 구름을 통과할 때 역 Compton 효과로 인해 우주 마이크로파 배경 복사 스펙트럼에서 왜곡이 발생하여 우주에 대한 중요한 정보를 제공합니다(Sunyaev-Zeldovich 효과 참조).

역 Compton 효과는 가속된 초상대론적 전자의 충돌 빔에 레이저 방사선을 산란시켜 고에너지 γ-양자의 준 단색 빔을 얻을 수 있게 합니다. 어떤 경우에는 역 Compton 효과가 지상 조건에서 열핵 핵융합 반응의 실행을 방지합니다.

Lit.: 알파, 베타 및 감마 분광법. M., 1969. 발행. 1-4; Shpolsky E.V. 원자 물리학. 엠., 1986. T. 1-2.

콤프턴 효과
콤프턴 효과

콤프턴 효과 -자유 전자에 의한 전자기 복사의 산란, 복사 주파수 감소(1923년 A. Compton 발견). 이 과정에서 전자기 복사는 개별 입자의 흐름처럼 행동합니다. 소립자(이 경우 전자기장 양자 - 광자)는 전자기 복사의 이중 - 입자파 - 특성을 증명합니다. 고전적인 전기 역학의 관점에서 주파수 변화에 따른 방사선 산란은 불가능합니다.
콤프턴 산란은 에너지 E = hν = hc/λ(h는 플랑크 상수, ν는 전자기파의 주파수, λ는 길이, c는 빛의 속도)인 개별 광자의 자유 전자에 의한 산란이며 운동량 p = E/s. 정지해 있는 전자에 산란하면 광자는 에너지와 운동량의 일부를 전자에 전달하고 이동 방향을 변경합니다. 산란의 결과로 전자가 움직이기 시작합니다. 산란 후 광자는 에너지 E를 갖습니다. " = hv " (및 주파수) 산란 전의 에너지 (및 주파수)보다 작습니다. 따라서 산란 후 광자 파장 λ " 증가합니다. 에너지와 운동량 보존 법칙에 따라 산란 후 광자의 파장은 다음과 같이 증가합니다.

여기서 θ는 광자 산란각, m e는 전자 질량 h/m e c = 0.024 Å을 전자의 Compton 파장이라고 합니다.
Compton 산란 동안 파장의 변화는 λ에 의존하지 않으며 γ-양자의 산란 각도 θ에 의해서만 결정됩니다. 전자의 운동 에너지는 다음 관계식에 의해 결정됩니다.

전자에 의한 γ-양자 산란의 유효 단면적은 흡수체 재료의 특성에 의존하지 않습니다. 동일한 공정의 유효 단면적, 원자당, 원자 번호(또는 원자의 전자 수) Z에 비례합니다.
Compton 산란 단면적은 γ-양자 에너지가 증가함에 따라 감소합니다. σ k ~ 1/E γ .

역 콤프턴 효과

광자가 산란되는 전자가 초상대론적 Ee >> E γ 인 경우 이러한 충돌에서 전자는 에너지를 잃고 광자는 에너지를 얻습니다. 이러한 산란 과정은 고에너지 γ-양자의 단일 에너지 빔을 얻는 데 사용됩니다. 이를 위해 레이저의 광자 플럭스는 가속기에서 추출된 고에너지 가속 전자 빔에 의해 넓은 각도로 산란됩니다. 이러한 고 에너지 및 밀도의 γ-양자 소스는 엘아저- 이자형전자 G아마- 에스출처(LEGS). 현재 작동 중인 LEGS 소스에서 351.1μm(~0.6eV)의 파장을 가진 레이저 방사선은 3GeV의 에너지로 가속된 전자에 의한 산란의 결과로 400MeV의 에너지를 갖는 γ선 빔으로 변환됩니다.
산란된 광자 E γ의 에너지는 가속된 전자빔의 속도 v, 에너지 E γ0 및 전자빔과 레이저 방사선 광자의 충돌 각도 θ, 1차 및 1차의 운동 방향 φ 사이의 각도에 의존 흩어진 광자

정면충돌에

E 0 는 상호작용 전 전자의 총 에너지이고, mc 2 는 전자의 나머지 에너지입니다.
초기 광자의 속도 방향이 등방성인 경우 산란된 광자의 평균 에너지 γ는 다음 관계식에 의해 결정됩니다.

γ = (4E γ /3) (E e /mc 2).

마이크로파 배경 복사에 의한 상대론적 전자의 산란은 에너지가 있는 등방성 X선 우주 복사를 생성합니다.
E γ = 50–100keV.
실험은 광자 파장의 예측된 변화를 확인했으며, 이는 Compton 효과의 메커니즘에 대한 미립자 개념에 찬성하여 증언했습니다. 광전 효과와 함께 콤프턴 효과는 미시 세계 입자의 미립자 파동 특성에 대한 양자 이론의 초기 조항이 옳았다는 설득력 있는 증거였습니다.

역 Compton 효과에 대한 자세한 내용은 참조하십시오.

설치 및 실험 기술에 대한 설명

참조

작업의 목표

콤프턴 효과

L A B O R A T O R N A Y R A B O T A 번호 7 V

테스트 질문

1. 광전 효과 현상의 본질은 무엇입니까? 광전 효과에 대한 아인슈타인의 방정식.

2. 외부 광전 효과에 대한 스톨레토프의 법칙을 공식화하십시오.

3. 광전 효과의 빨간색 테두리와 일함수를 정의합니다.

4. 플랑크 상수를 결정하기 위한 작업 공식을 유도합니다.

5. 광전 효과 동안 관찰되는 전류-전압 특성을 만들고 설명하십시오.

1. 컴퓨터 실험을 사용하여 Compton 효과를 연구합니다.

2. 산란 각도에 대한 입사 방사선의 파장 변화 의존성을 결정하십시오.

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17세기 말에 빛의 본질에 대한 두 가지 이론이 거의 동시에 발생했습니다. 뉴턴이 제안한 만료 이론, 빛은 직선 궤적을 따라 발광체에서 날아가는 빛 입자(미립자)의 흐름입니다. 호이겐스가 제시한 파동 이론, 빛은 세계 에테르에서 전파하는 탄성파로 간주되었습니다.

빛의 가장 완전한 입자 속성은 Compton 효과에서 나타납니다. 미국 물리학자 A. Compton은 1923년에 가벼운 원자(파라핀, 붕소)를 가진 물질에 의한 단색 X선 방사선의 산란을 연구하면서 산란된 방사선의 구성에서 초기 파장의 방사선과 함께 더 긴 파도도 관찰됩니다. 실험에 따르면 Dl \u003d l "-l의 차이는 파장에 의존하지 않습니다 엘입사 방사선과 산란 물질의 성질, 그러나 산란각의 크기에 의해서만 결정됨 큐:

디 엘 = 엘" - 엘 = 2엘 C 죄 2 ( 큐/2), (1)

여기서 l"은 산란된 방사선의 파장, l C - 콤프턴 파장,(광자가 전자에 의해 산란될 때 엘 C = 오후 2시 426분).

콤프턴 효과파장의 증가와 함께 물질의 자유 전자(또는 약하게 결합된) 전자에 대한 단파 전자기 복사(X선 및 g 복사)의 탄성 산란이라고 합니다.

콤프턴 효과에 대한 설명은 전자기파의 성질에 대한 양자 개념을 기반으로 합니다. 양자 이론과 같이 방사선이 광자의 흐름이라고 가정하면 콤프턴 효과는 X선 광자와 물질의 자유 전자가 탄성 충돌한 결과입니다(가벼운 원자의 경우 전자는 핵에 약하게 결합되어 있습니다. 따라서 첫 번째 근사치에서 원자는 자유로 간주될 수 있습니다. 이 충돌 동안 광자는 보존 법칙에 따라 에너지와 운동량의 전자 부분으로 이동합니다.

그림 1

두 입자의 탄성 충돌을 고려하십시오(그림 1) - 운동량이 있는 입사 광자 피 g \u003d hn / c 및 에너지 e g \u003d hn, 정지해 있는 자유 전자(휴식 에너지 ​​W 0 \u003d m 0 c 2, m 0은 전자의 나머지 질량). 전자와 충돌하는 광자는 에너지와 운동량의 일부를 전자에 전달하고 운동 방향을 변경합니다(산란). 광자 에너지의 감소는 산란된 방사선의 파장의 증가를 의미합니다. 산란된 광자의 운동량과 에너지를 동일하게 둡니다. p"g=hn"/c및 예"g=hn". 이전에 정지해 있던 전자가 운동량을 얻음 피 e = mv,에너지 승=MC 2그리고 움직이기 시작합니다. 피드백을 경험합니다. 이러한 각 충돌에서 에너지 및 운동량 보존 법칙이 충족됩니다.

에너지 보존 법칙에 따르면,

, (2)

운동량 보존 법칙에 따르면,

케이 = 중 V + 케이 ,(3)

첫 번째 방정식을 다음으로 나눕니다. ~와 함께, 다음 형식으로 가져올 수 있습니다.

mc \u003d m 0 c + (k - k') . (4)

이 방정식을 제곱하면 다음이 제공됩니다.

(mc) 2 =(m 0 c) 2 + ( k) 2 +( k') 2 - 2( k)( k')+2m 0 c (k - k').(5)

그림 1에서 다음과 같이 나옵니다.

방정식 (5)에서 방정식 (6)을 빼면 다음을 얻습니다.

m 2 (c 2 –v 2) = m 0 2 c 2 - 2 2 kk'(1-cos )+2m 0 c (k - k'). (7)

m 2 (c 2 -v 2) = m 0 2 c 2인지 확인하면 모든 것이 평등해집니다.

m 0 c(k - k') = kk'(1-cos ). (8)

방정식에 2를 곱하고 다음으로 나눕니다. m 0 ck'다음을 고려하여 2 / k = l, 우리는 공식을 얻습니다.

. (9)

식 (9)는 Compton이 실험적으로 구한 식 (1)에 다름 아니다. 값을 대입 하, 엠 0과 ~와 함께전자의 Compton 파장을 제공합니다 l C \u003d h / (m 0 c) \u003d 2.426 pm.

산란된 복사선의 구성에서 "이동되지 않은" 선(원래 파장의 복사선)의 존재는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 산란 메커니즘을 고려할 때 광자는 자유 전자와만 충돌한다고 가정했습니다. 그러나 내부 전자(특히 무거운 원자)의 경우와 같이 전자가 원자에 강하게 결합되어 있으면 광자는 원자 전체와 에너지와 운동량을 교환합니다. 원자의 질량은 전자의 질량에 비해 매우 크기 때문에 광자 에너지의 미미한 부분만 원자로 전달됩니다. 따라서 이 경우 파장 l " 산란된 방사선은 입사 방사선의 파장 l과 실질적으로 다르지 않습니다.

콤프턴 효과는 전자뿐만 아니라 양성자와 같은 다른 하전 입자에서도 관찰되지만 양성자의 질량이 크기 때문에 매우 높은 에너지의 광자가 산란될 때만 반동이 "가시적"으로 나타납니다.

빛의 입자 속성의 존재는 또한 광자의 Compton 산란에 의해 확인됩니다. 이 효과는 1923년 이 현상을 발견한 미국 물리학자 Arthur Holly Compton의 이름을 따서 명명되었습니다. 그는 다양한 물질에 대한 엑스레이의 산란을 연구했습니다.

콤프턴 효과– 산란 중 광자의 주파수(또는 파장) 변화. X선 광자가 자유 전자에 의해 산란되거나 감마선이 산란될 때 핵에 의해 산란될 때 관찰될 수 있습니다.

쌀. 2.5. Compton 효과를 연구하기 위한 설정 계획.

트르- 엑스레이 튜브

Compton의 실험은 다음과 같습니다. 그는 소위 선을 사용했습니다. 케이 α파장이 있는 몰리브덴의 특성 X선 스펙트럼에서 λ 0 = 0.071 nm. 이러한 복사는 몰리브덴 양극에 전자를 충돌시키고(그림 2.5), 다이어프램과 필터 시스템을 사용하여 다른 파장의 복사를 차단함으로써 얻을 수 있습니다( 에스). 흑연 표적을 통한 단색 X선 복사의 통과( 중) 특정 각도에서 광자를 산란시킵니다. φ 즉, 광자의 전파 방향을 변경합니다. 검출기로 측정하여( 디) 다른 각도에서 산란된 광자의 에너지, 파장을 결정할 수 있습니다.

산란 방사선의 스펙트럼에는 입사 방사선과 일치하는 방사선과 함께 더 낮은 광자 에너지를 갖는 방사선이 있음이 밝혀졌습니다. 이 경우 입사 복사와 산란 복사의 파장 차이 ∆ λ = λ – λ 0 클수록 광자 운동의 새로운 방향을 결정하는 각도가 커집니다. 즉, 파장이 긴 광자는 큰 각도로 산란된다.

이 효과는 고전 이론으로 입증할 수 없습니다. 빛의 파장은 산란 중에 변하지 않아야 합니다. 광파의 주기적인 장의 작용 하에서 전자는 그 장의 주파수와 함께 진동하므로 어떤 각도에서도 동일한 주파수의 2차 파동을 방출해야 합니다.

Compton 효과에 대한 설명은 빛의 양자 이론에 의해 주어졌으며, 여기서 빛의 산란 과정은 다음과 같이 간주됩니다. 물질의 전자와 광자의 탄성 충돌. 이 충돌 동안 광자는 두 물체의 탄성 충돌에서와 마찬가지로 보존 법칙에 따라 에너지와 운동량의 전자 부분으로 이동합니다.

쌀. 2.6. 광자의 콤프턴 산란

광자의 상대론적 입자와 전자의 상호 작용 후 전자는 초고속을 얻을 수 있으므로 에너지 보존 법칙은 상대론적 형식으로 작성되어야 합니다.

(2.8)

어디에 hv 0그리고 hv는 각각 사건의 에너지와 산란된 광자의 에너지이며, MC 2는 전자의 상대론적 정지 에너지, 는 충돌 전 전자의 에너지, 전자광자와 충돌 후 전자의 에너지입니다. 운동량 보존 법칙의 형식은 다음과 같습니다.

(2.9)

어디 p0그리고 피충돌 전후의 광자 모멘트는, 체육는 광자와의 충돌 후 전자의 운동량입니다(충돌 전 전자의 운동량은 0입니다).

우리는 식 (2.30)을 제곱하고 다음을 곱합니다. 2부터:

공식 (2.5)를 사용하고 광자 운동량을 주파수로 표현해 보겠습니다. (2.11)

상대론적 전자의 에너지는 다음 공식에 의해 결정됩니다.

(2.12)

에너지 보존 법칙(2.8)을 사용하여 다음을 얻습니다.

식 (2.13)을 제곱합니다.

공식 (2.11)과 (2.14)를 비교하고 가장 간단한 변환을 수행해 보겠습니다.

(2.16)

주파수와 파장은 관계에 의해 관련됩니다. ν =s/ λ , 따라서 공식 (2.16)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있습니다. (2.17)

파장차 λ – λ 0 는 매우 작은 값이므로 방사선 파장의 Compton 변화는 파장의 작은 절대값에서만 눈에 띄게 나타납니다. 즉, X 선 또는 감마 방사선에 대해서만 효과가 관찰됩니다.

실험에서 알 수 있듯이 산란된 광자의 파장은 물질의 화학적 조성에 의존하지 않으며 각도에 의해서만 결정됩니다. θ 광자가 흩어져 있는 곳. 이것은 광자가 핵에 의해 산란되는 것이 아니라 어떤 물질에서도 동일한 전자에 의해 산란된다는 점을 고려하면 설명하기 쉽습니다.

값 h/mc식 (2.17)에서 는 Compton 파장이라고 하며 전자의 경우 λc= 2.43 10 –12 m.

빛의 가장 완전한 입자 속성은 Compton 효과에서 나타납니다. 가벼운 원자(파라핀, 붕소)가 있는 물질에 의한 단색 X선 복사의 산란을 연구하는 Compton은 산란된 복사의 구성에서 초기 파장의 복사와 함께 더 긴 파장의 복사도 관찰된다는 것을 발견했습니다.

실험은 차이 Δ λ=λ΄-λ 파장에 의존하지 않는다 λ 입사 방사선 및 산란 물질의 성질, 그러나 산란 각도에 의해서만 결정됨 θ :

Δ λ=λ΄-λ = 2λ 초죄 2 , (32.9)

어디 λ΄ - 산란된 방사선의 파장, λ 초- 콤프턴 파장
(광자가 전자에 의해 산란될 때 λ 초= 오후 2시 426분).

콤프턴 효과단파 전자기 복사(X-선 및 γ -방사선) 파장의 증가와 함께 물질의 자유(또는 약하게 결합된) 전자에 대한.

이 효과는 산란 중에 파장이 변경되지 않아야 한다는 파동 이론의 틀에 맞지 않습니다. 광파의 주기적인 필드의 작용 하에서 전자는 필드의 주파수와 함께 진동하므로 산란된 파를 방출합니다 같은 주파수의.

Compton 효과에 대한 설명은 빛의 성질에 대한 양자 개념을 기반으로 합니다. 콤프턴 효과는 물질의 자유 전자와 X선 광자의 탄성 충돌의 결과입니다(가벼운 원자의 경우 전자는 원자 핵에 약하게 결합되어 자유로 간주될 수 있음). 이 충돌 동안 광자는 보존 법칙에 따라 에너지와 운동량의 전자 부분으로 이동합니다.

두 입자의 탄성 충돌을 고려하십시오(그림 32.3) - 운동량이 있는 입사 광자 р f = hv/s그리고 에너지 에프 = hv, 정지해 있는 자유 전자(휴식 에너지 여 0 = m 0 ~와 함께 2 ;중 0은 전자의 나머지 질량입니다). 전자와 충돌하는 광자는 에너지와 운동량의 일부를 전자에 전달하고 운동 방향을 변경합니다(산란). 광자 에너지의 감소는 산란된 방사선의 파장의 증가를 의미합니다. 각 충돌에서 에너지 및 운동량 보존 법칙이 충족됩니다.

에너지 보존법칙에 따르면

여 0 + 에프=W + E f ", (32.10)

그리고 운동량 보존 법칙에 따라

r f = r e + r f ", (32.11)

어디에 여 0 = m 0 2부터는 충돌 전 전자의 에너지이고, 에프 = hv는 입사 광자의 에너지이며, 여= - 충돌 후 전자 에너지, 에프 " = 헐"는 산란된 광자의 에너지입니다. 식 (32.10)에서 양의 값을 대입하고 그림 (32.11)에 따라 표현합시다. 32.3, 우리는

중 0 2 + hν = + 헐",(32.12)

2 vv"코사인 θ . (32.13)

방정식 (32.12)와 (32.13)을 함께 풀면 다음을 얻습니다.

중 0 ~와 함께 2 (ν- ν" )= hvv"(1 – 코사인 θ ). (32.14)

하는 한 v = c/λ, v" = c/λ"및 Δ λ=λ΄-λ, 우리는 얻는다

Δ λ= 죄 2 . (32.15)

식 (32.15)는 Compton이 실험적으로 얻은 식 (32.9)에 불과합니다.

산란된 복사선의 구성에서 이동되지 않은 선(원래 파장의 복사선)의 존재는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 산란 메커니즘을 고려할 때 광자는 자유 전자와만 충돌한다고 가정했습니다. 그러나 내부 전자(특히 무거운 원자)의 경우와 같이 전자가 원자에 강하게 결합되어 있으면 광자는 원자 전체와 에너지와 운동량을 교환합니다. 원자의 질량은 전자의 질량에 비해 매우 크기 때문에 광자 에너지의 미미한 부분만 원자로 전달됩니다. 따라서이 경우 산란 된 방사선의 파장은 실제로 입사 방사선의 파장과 다르지 않습니다.

Compton 효과는 스펙트럼의 가시 영역에서 관찰할 수 없습니다. 가시광선의 광자의 에너지는 전자와 원자의 결합 에너지와 비슷하고 외부 전자조차도 자유로 간주될 수 없기 때문입니다.

콤프턴 효과는 전자뿐만 아니라 양성자와 같은 다른 하전 입자에서도 관찰되지만 양성자의 질량이 크기 때문에 매우 높은 에너지의 광자가 산란될 때만 반동이 "가시적"으로 나타납니다.

Compton 효과와 양자 개념에 기반한 광전 효과는 모두 광자와 전자의 상호 작용으로 인한 것입니다. 첫 번째 경우에는 광자가 산란되고 두 번째 경우에는 흡수됩니다. 산란은 광자가 자유 전자와 상호 작용할 때 발생하고 광전 효과는 결합된 전자와 상호 작용할 때 발생합니다. 광자가 자유 전자와 충돌할 때 광자의 흡수는 일어날 수 없습니다. 이는 운동량 및 에너지 보존 법칙과 충돌하기 때문입니다. 따라서 광자가 자유 전자와 상호 작용할 때 이들의 산란, 즉 콤프턴 효과만 관찰될 수 있습니다.