تعتمد ظاهرة كمبتون في تفسيرها على ان الضوء يتكون من فوتونات لها طاقة وكمية حركة ولا يمكن تفسيرها على اعتبار النموذج الموجي للضوء.  تم التحقق من هذه الظاهرة عملياً في عام 1923 في جامعة سانت لويس من قبل العالم آرثر كمبتون وذلك بإسقاط أشعة اكس على لوح من الكربون كما هو موضح في الشكل التالي:

وكانت نتائج التجربة على النحو التالي:

تم قياس الفرق في الطول الموجي للفوتونات المشتتة ووجد إنها تعتمد على زاوية تشتت الأشعة المشتتة حيث ان هذا الفرق يكون أكبر ما يمكن عندما تكون الزاوية 180 درجة.

اذا ما تم الاعتماد على النموذج الموجي للاشعة الكهرومغناطيسية لايمكن ايجاد تفسير للزيادة في الطول الموجي للاشعة المشتتة من لوح الكربون لأن حسب النظرية الكلاسيكية فإن الكترونات ذرات الكربون سوف تتذبذب بنفس تردد الفوتونات الساقطة ولا يحدث في هذه الحالة اية زيادة تطرأ على الطول الموجي للفوتونات المشتتة بل انها سوف تحتوي على نفس الطول الموجي.

ولتفسير هذه الظاهرة اعتمد كمبتون على ان الاشعة الساقطة تتكون من سيل من الفوتونات لها طاقة وكمية حركة

وعندما تتصادم بعض من هذه الفوتونات مع الالكترونات في لوح الكربون فإنها تفقد جزء من طاقتها كما أن الجزء الآخر من الفوتونات يصطدم بالإلكترونات تصادم مرناً فلا تفقد طاقتها وهذا ما يؤدي إلى الحصول على طوليين موجيين..

وحيث أن الفوتونات المشتتة تفقد جزء من طاقتها فإن ذلك يؤدي إلى أن الطول الموجي للفوتونات المشتتة أكبر من الطول الموجي للفوتونات الساقطة أي أن

ولتفسير هذه النتيجة وإيجاد علاقة رياضية تربط بين التغير في الطول وزاوية التشتت فإننا نعتبر التصادم بين فوتون وإلكترون حر على النحو التالي:
 

بتطبيق قانون الحفاظ على الطاقة والحفاظ على كمية الحركة نجد أن

وبإعادة ترتيب متجهات كمية الحركة للفوتون والإلكترون الحر بعد التصادم كما في الشكل التالي:

بتطبيق قاعدة فيثاغورس على المثلث القائم الزاوية نجد أن

بالضرب في مربع السرعة

من قانون الحفاظ على الطاقة حيث أن الطاقة قبل التصادم تساوي الطاقة بعد التصادم

بتربيع طرفي المعادلة نحصل على

المقدار يسمى بالطول الموجي لكمبتون compton wavelength حيث ان لهذا المقدار وحدة طول.  وبالتعويض عن قيمة الثوابت نجد أن:

ملاحظات
يمكن فقط قياس التغير في الطول الموجي عندما يكون الفوتون ذو طول موجي صغير أي في مدى أشعة اكس والأشعة الأصغر منه.   فمثلاً اذا كان الطول الموجي للفوتون 4000 انجستروم (الضوء المرئي) فإن الزيادة في الطول الموجي نتيجة لظاهرة كمبتون

وبهذا فإننا نلاحظ ظاهرة كمبتون عند الأطوال الموجية الصغيرة

مثال

بالتعويض في معادلة كمبتون