В 1922 г. А. Комптон установил, что рассеянный веществом рентгеновское излучение содержит кроме основной волны, что соответствует падающей длине волны ?, еще волну большей длины X '> X. В рассеянном излучении возникает компонента, смещена в сторону длинных волн.
Значение этого смещения АХ = X '- X не зависит от природы рассеивающей вещества, но зависит от угла рассеяния (угол между направлением рассеяния и направлением первичного пучка), и смещение тем больше, чем больше угол рассеяния. С увеличением угла рассеяния увеличивается интенсивность смещенной компоненты и уменьшается интенсивность основной. Если наблюдать рассеяния рентгеновского излучения под одним углом, а менять при этом рассею-тель, то можно установить, что интенсивность основной компоненты увеличивается с увеличением порядкового номера рассеивающей вещества. Это явление невозможно объяснить с точки зрения волновой природы света, однако легко толковать, исходя из корпускулярных представлений о природе рентгеновского излучения.
В случае внешнего фотоэффекта фотон при столкновении с электроном отдает ему всю свою энергию. На этом существование фотона заканчивается. Эффект Комптона наблюдается при столкновении фотонов с практически свободными (очень слабо связанными) электронами. При взаимодействии фотона с таким электроном электрон получает лишь часть энергии фотона. При этом электрон отскакивает в сторону. Такие электроны отдачи можно наблюдать с помощью камеры Вильсона. Энергия фотона при этом уменьшается, что приводит к увеличению длины волны рентгеновского излучения. Направление движения фотонов также изменяется, следовательно, происходит уменьшение энергии фотонов и рассеяние их.
Для количественного объяснения эффекта Комптона допустим, что столкновение фотонов рентгеновского излучения с электронами происходит по законам упругого столкновения шаров. При этом будем считать, что фотон «налетает» на неподвижный электрон. Итак, смещена линия в рассеянном излучении обусловлена рассеянием фотонов на свободных электронах. Практически наблюдение ведется на электронах атомов легких элементов, в которых электроны относительно рентгеновских фотонов имеют небольшую энергию, могут считаться свободными, поэтому на отрыв их от атома расходуется относительно небольшая часть энергии фотона. Интенсивность несмещенной линии увеличивается с увеличением порядкового номера элемента том, что растет общее число электронов в атоме, а следовательно, и сильно связанных электронов. При этом фотон взаимодействует уже с атомом в целом, а поскольку масса атома сравнению с фотоном большая, то, согласно закону упругого столкновения, фотон не отдает атому энергии, и, как следствие, длина волны фотона при рассеянии не меняется.
Комптоновское смещение оказывается лучше для фотонов сравнительно высоких энергий, соответствующих рентгеновском и гамма-излучению. Относительное значение смещения A? / X для ультрафиолетового излучения около 0,001%, для рентгеновского излучения 10%, для гамма-излучения 100%. Сам эффект зависит от длины волны, но лучше оказывается для более коротких длин волн. Для видимого света комптоновское смещение почти не наблюдается. Эффект Комптона является убедительным доказательством справедливости корпускулярной природы света, а также законов сохранения энергии и импульса в элементарных взаимодействиях, т. е. при взаимодействии элементарных частиц.