La interacción Compton ocurre entre el rayo gamma incidente y un electrón del material donde ha incidido. El intervalo de energías en el cual este proceso es el más probable está comprendido entre centenas de keV y aproximadamente 5 MeV.


En el efecto Compton el rayo gamma incidente es desviado un ángulo theta de su dirección inicial. El fotón transfiere parte de su energía al electrón (suponiendo que inicialmente estaba en reposo). Como todos los ángulos de scattering son posibles, la energía transferida al electrón puede variar de cero a una fracción de la energía del rayo gamma.


Por conservación de energía y momento, la energia del rayo gamma desviado viene dada en función del ángulo θ:

La energía del electrón después de la interacción es por tanto:


La situación en la que se transfiere la mayor energía al electrón es aquella para la cual θ = π; en ese caso la energía es:


La probabilidad de scattering Compton por átomo depende del número de electrones accesibles como blanco, por lo que aumenta linealmente con Z. La distribución angular de los rayos gamma tras la interacción viene dada por la fórmula de Klein-Nishima: