物理學(xué)中，湯姆孫散射是指電磁輻射和一個(gè)自由帶電粒子產(chǎn)生的彈性散射。入射電磁波的電場(chǎng)使粒子加速，從而激發(fā)粒子產(chǎn)生和入射波頻率相同的輻射（散射波）。湯姆孫散射是康普頓散射在低能量區(qū)的近似。湯姆孫散射是等離子物理學(xué)中的一個(gè)重要現(xiàn)象，它首先由英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·湯姆遜解釋。只要粒子的運(yùn)動(dòng)是非相對(duì)論性的（即速度遠(yuǎn)小于光速），粒子加速的主要原因都來自入射波的電場(chǎng)分量，而磁場(chǎng)的作用可被忽略。粒子將會(huì)在電場(chǎng)振動(dòng)的方向上開始運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電磁偶極輻射。運(yùn)動(dòng)粒子在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的輻射最強(qiáng)，而輻射沿著粒子的運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生偏振。從而，取決于觀察者的位置，從一個(gè)小體元散射出的電磁波存在程度不同的偏振。
簡(jiǎn)介
在湯姆孫散射中，入射波和觀察到的散射波電場(chǎng)都可以分解為位于觀察平面（由入射波傳播方向和散射波傳播方向構(gòu)成的平面）內(nèi)和垂直于觀察平面的分量。習(xí)慣上，那些位于平面內(nèi)的分量被稱作“徑向”，而垂直于平面的分量被稱作“切向”，這都是對(duì)于觀察者而言的。
右圖所示的是散射在觀察平面內(nèi)的情形，圖中顯示了入射電場(chǎng)的徑向分量是造成位于散射點(diǎn)的帶電粒子在該方向上發(fā)生運(yùn)動(dòng)的原因，并且這一運(yùn)動(dòng)也位于觀察平面內(nèi)。此外還可以看出散射波的振幅正比于入射波與散射波夾角χ的余弦，而散射波的光強(qiáng)正比于振幅的平方，從而含有這一因子。而垂直于觀察平面的切向分量則不會(huì)產(chǎn)生類似的影響。
描述散射的最佳方法是引入一個(gè)發(fā)射系數(shù)，而是在時(shí)間間隔dt內(nèi)被體元散射至立體角這一方向內(nèi)，且波長(zhǎng)介于和之間的入射波能量。從觀察者的角度而言，湯姆孫散射存在有兩個(gè)發(fā)射系數(shù)，一個(gè)是對(duì)應(yīng)著徑向偏振波的發(fā)射系數(shù),另一個(gè)是對(duì)應(yīng)著切向偏振波的發(fā)射系數(shù)。它們分別由下面關(guān)系給出：
其中n是位于散射點(diǎn)的帶電粒子密度，I是入射波的通量（單位時(shí)間單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射到單位面積的能量）。而σ是帶電粒子的湯姆孫散射的導(dǎo)數(shù)截面（面積/立體角），其表達(dá)式為
其中第一個(gè)表達(dá)式的單位制是厘米-克-秒制，第二個(gè)表達(dá)式的單位制是國(guó)際單位制；q是單個(gè)粒子所帶電量，m是單個(gè)粒子所帶質(zhì)量，是真空介電常數(shù)。
注意到這正是一個(gè)具有質(zhì)量m和電荷q的點(diǎn)粒子的經(jīng)典半徑。對(duì)于電子而言，散射導(dǎo)數(shù)截面為
這里 {\displaystyle \lambda _{e}}是電子的康普頓波長(zhǎng)。
散射波輻射出的總能量可通過對(duì)發(fā)射系數(shù)求和并對(duì)空間中所有方向積分給出：
這里σT是總散射截面。
對(duì)于電子而言，這個(gè)散射截面為
湯姆孫散射的實(shí)例
在宇宙誕生的最初幾天里，宇宙中產(chǎn)生的光子不斷地被自由電子散射，從而導(dǎo)致了早期宇宙的不透明性，這一散射過程即為湯姆孫散射。而宇宙微波背景輻射正是這一散射最終演化的產(chǎn)物，威爾金森微波各向異性探測(cè)器和普朗克衛(wèi)星正在試圖對(duì)它的線偏振性進(jìn)行觀測(cè)。
太陽(yáng)輻射出的光子被日冕中的自由電子散射，從而形成了K冕，這一散射過程也是湯姆孫散射。美國(guó)航空航天局發(fā)射的日地關(guān)系天文臺(tái)通過采用兩個(gè)獨(dú)立衛(wèi)星對(duì)K冕進(jìn)行測(cè)量，從而可以得到太陽(yáng)周圍自由電子密度的三維圖像。逆康普頓散射也可以看作是相對(duì)論性粒子自身參考系下的湯姆孫散射。
康普頓散射
在原子物理學(xué)中，康普頓散射，或稱康普頓效應(yīng)（英語(yǔ)：Compton effect），是指當(dāng)X射線或伽馬射線的光子跟物質(zhì)相互作用，因失去能量而導(dǎo)致波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象。相應(yīng)的還存在逆康普頓效應(yīng)——光子獲得能量引起波長(zhǎng)變短。這一波長(zhǎng)變化的幅度被稱為康普頓偏移。康普頓效應(yīng)通常指物質(zhì)電子云與光子的相互作用，但還有物質(zhì)原子核與光子的相互作用——核康普頓效應(yīng)存在。康普頓效應(yīng)首先在1923年由美國(guó)華盛頓大學(xué)物理學(xué)家康普頓觀察到，并在隨后的幾年間由他的研究生吳有訓(xùn)進(jìn)一步證實(shí)。康普頓因發(fā)現(xiàn)此效應(yīng)而獲得1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這個(gè)效應(yīng)反映出光不僅僅具有波動(dòng)性。此前湯姆孫散射的經(jīng)典波動(dòng)理論并不能解釋此處波長(zhǎng)偏移的成因，必須引入光的粒子性。這一實(shí)驗(yàn)說服了當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)家相信，光在某種情況下表現(xiàn)出粒子性，光束類似一串粒子流，而該粒子流的能量與光頻率成正比。
在引入光子概念之后，康普頓散射可以得到如下解釋：電子與光子發(fā)生彈性碰撞（彈性碰撞產(chǎn)生的非彈性散射），電子獲得光子的一部分能量而反彈，失去部分能量的光子則從另一方向飛出，整個(gè)過程中總動(dòng)量守恒，如果光子的剩余能量足夠多的話，還會(huì)發(fā)生第二次甚至第三次彈性碰撞。
康普頓散射可以在任何物質(zhì)中發(fā)生。當(dāng)光子從光子源發(fā)出，射入散射物質(zhì)（一般指金屬）時(shí)，主要是與電子發(fā)生作用。如果光子的能量相當(dāng)?shù)停ㄅc電子束縛能同數(shù)量級(jí)），則主要產(chǎn)生光電效應(yīng)，原子吸收光子而產(chǎn)生電離。如果光子的能量相當(dāng)大（遠(yuǎn)超過電子的束縛能）時(shí)，則我們可以認(rèn)為光子對(duì)自由電子發(fā)生散射，而產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。如果光子能量極其大（百萬電子伏特）則足以轟擊原子核而生成一對(duì)粒子：電子和正電子，這個(gè)現(xiàn)象被稱為成對(duì)產(chǎn)生。
由于光子具有波粒二象性，因此，應(yīng)該可以用波動(dòng)理論詮釋這效應(yīng)。埃爾溫·薛定諤于1927年給出半經(jīng)典理論。這理論是用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)來描述光子，用量子力學(xué)來描述電子。
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