横截面而且康普顿散射

描述的有用概念吸收物质辐射的横截面;它是光子通过特定过程与物质相互作用的概率的度量。当能源每个人的光子（hν)比轨道的剩余能量要小得多电子它的质量乘以光速方(米c²)),散射光子的数量是用横截面来描述的派生的J.J.汤姆森著。这个横截面叫做汤姆逊横截面，用希腊字母sigma表示下标为0 σ₀，等于一个数值因子乘以项的平方，电荷平方除以电子静止能，即σ₀= (8π/3) (e²/米c²）²．当光子能量等于或大于电子的静止能量(hν⋜米c²)，非弹性(即能量损失)散射开始出现。其中之一是康普顿散射，X射线或伽马射线(来自原子核的电磁辐射)经历一个增加波长(能量的减少)经过一个角度散射后。亚瑟·霍利·康普顿一位美国物理学家用经典定律正确地解释了这种效应相对论力学．他用希腊字母表示波长的增加δΔλ，与光子的能量无关，由一个表达式给出，其中两项的乘积出现。第一个是恒量用下标为0的希腊字母λ表示₀，一般称为康普顿波长，其本身等于普朗克常数，h，除以静止电子的质量和速度光的;也就是说,λ₀＝h/米c= 2.4 × 10^－10厘米。第二项取决于光子散射的角度，用希腊字母θ表示;等于1 - cos (1 - cos θ)在该角度观察到的波长增加为Δλ = λ₀(1 - cos θ)在讨论康普顿效应时，电子被看作是自由的，也就是说，电子不被束缚在原子核上，因为在研究大多数低质量物质的康普顿效应时原子序数时，入射光子的能量远大于束缚能。对于束缚电子，康普顿关系的修正很小，但很复杂。当光子被散射时概念的微分截面可采用;微分截面是光子在给定的小角度内散射的概率的度量。

康普顿过程的微分截面是由瑞典物理学家奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)和日本物理学家西名吉夫(Yoshio Nishina)推导出来的。的Klein-Nishina公式显示了低能光子与光束方向约90°的几乎对称散射。随着光子能量的增加，散射主要在前进方向上达到峰值，并且，对于能量大于电子剩余能量5倍的光子，几乎整个散射都被限制在30°的角度内。当平均角度，克莱恩-西尼娜横截面显示变化与入射光子能量。在低能时，横截面均匀增大，接近经典汤姆逊曲线价值随着能量的减少;在高能量时，横截面与能量成反比。康普顿电子(反冲电子或散射电子)和外向光子的能量分布也可以从Klein-Nishina理论推导出来。结果表明分布较广;对于原子序数低和入射光子能量在重要区域(即1,000,000到100,000,000 eV)的原子，单位能量区间的散射概率是相当恒定的——除了光子能量几乎全部转化为电子的情况动能，能量与角度的关系图显示了一个尖锐的窄峰。因此，作为一个粗略的近似，一个康普顿电子的平均能量大约是入射光子能量的一半。

康普顿散射在物质与中能伽马射线和高能X射线的相互作用中起着关键作用。对于这些辐射，它几乎是独家能量从辐射中转移并加入物质的机制。的渗透可以举出一个例子伽马射线从放射性物质钴-60变成水或水溶液的样品。电子密度约为3 × 10^23.每毫升。取康普顿截面约为3 × 10^-25年平方厘米每电子，计算得到平均自由程康普顿散射约为10厘米，也就是说，一个光子在连续与电子相遇之间将移动约10厘米。因此，由伽马射线产生的主要辐射效应是由于反冲电子和巨大的所产生的子电子(如二级电子和三级电子)的数量。这些高代电子是通过电子碰撞电离产生的原子通过另一个电子的碰撞)，一个持续的过程，直到被能量限制或低横截面所阻止。对于钴-60伽马射线，低原子序数物质(如水)的平均康普顿能量约为600,000 eV。