沈超,周磊

• 1:哈尔滨工业大学(深圳)前沿学部理学院

摘要(Abstract)：

康普顿散射是自然界中普遍存在的一种基本物理现象,在物质能量转换与传递过程中扮演着重要角色,并对天体演化进程具有关键影响。在自由电子与光子的康普顿散射过程中,散射光子波长增大,能量由光子转移至电子;而在高速电子与光子发生逆康普顿散射时,电子减速,辐射能量则显著增强。然而,现有教材通常缺乏对逆康普顿散射过程的完整推导,也未能清晰呈现其散射公式。本文考虑粒子具有任意初始速度的普遍情形,基于动量-能量守恒定律,严格推导出散射光子频率与初始光子频率及粒子初始速度矢量之间的普适关系式。本文采用两种方法推导康普顿散射公式:其一基于分立形式的守恒方程与能量-动量关系;其二则利用四维协变守恒方程,结合四动量性质,推导过程更为简洁。在电子初始静止的特殊情况下,该普适关系式可回归为常见的康普顿散射公式。针对高能电子与低能光子发生逆康普顿散射的情形,散射光子频率与能量均得到提升,其最大值可达入射光子能量的4γ_u~2倍(γ_u为洛伦兹因子)。此外,本文进一步从惯性参照系变换与多普勒效应的角度,对逆康普顿散射中散射光子能量增强的物理机制作出了解释。本研究结果可为大学物理及狭义相对论相关教学内容提供有益参考。

关键词(KeyWords)： 康普顿散射;逆康普顿散射;能量-动量守恒定律;德布罗意关系;相对论效应;多普勒效应

Abstract:

Keywords:

基金项目(Foundation): 国家自然科学基金(42130202)

作者(Author): 沈超,周磊

DOI: 10.27024/j.wlygc.2025.08.14.03

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