РАССЕЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ: О ЧЁМ СВИДЕТЕЛЬСТВУЕТ АНТИ-КОМПТОНОВСКАЯ КОМПОНЕНТА
А.А.Гришаев, независимый исследователь
Введение.
Уже в начале ХХ века было хорошо изучено на опыте явление такого рассеяния рентгеновских лучей веществом, при котором длина волны рассеянного излучения изменена по сравнению с длиной волны падающего излучения. Классическая теория рассеяния света не смогла объяснить этот феномен. В итоге было принято объяснение А.Комптона [1], основанное на подходе квантовой теории.
Согласно этому объяснению, рентгеновский фотон неупруго соударяется со слабо связанным атомарным электроном. При этом, как следует из законов сохранения энергии и импульса, часть своей энергии (и импульса) фотон передаёт электрону, отчего длина волны фотона увеличивается на величину Dl=le(1- cos q), где le – комптоновская длина волны электрона, q - угол рассеяния фотона. Такой подход согласуется с главными свойствами комптоновского сдвига длины волны: во-первых, с его независимостью от атомного номера вещества рассеивателя и, во-вторых, с его зависимостью лишь от угла, на который происходит рассеяние. Поэтому эффект Комптона считается одним из важнейших подтверждений квантовой теории – первым экспериментальным свидетельством о том, что отдельные фотоны переносят импульс.
Согласно же нашим представлениям, фотоны – как автономные порции энергии, движущиеся со скоростью света – не существуют [2] и, соответственно, импульс не переносят [3,4]. Мы постараемся показать, что именно наши представления дают более адекватное объяснение рассеяния рентгеновских лучей.
Прежде всего заметим, что ради торжества подхода Комптона был проигнорирован ряд особенностей, с которыми этот подход не согласуется. Следует иметь в виду, что комптоновский сдвиг длины волны потому и заметен с помощью спектрометров, что в рассеянном на любой угол излучении присутствует также несмещённая компонента – с той же самой длиной волны, что и у падающего излучения. Если законы сохранения энергии-импульса дают, при рассеянии фотона на ненулевой угол, ненулевой комптоновский сдвиг длины волны, то неужели несмещённая компонента порождается с нарушением этих законов? Теоретики пытаются убедить нас в том, что несмещённая компонента порождается при таком соударении фотона с атомарным электроном, при котором электрон не выбивается из атома, т.е. фотон соударяется, фактически, не с электроном, а с атомом – а поскольку масса атома гораздо больше массы электрона, то импульс отдачи у атома оказывается ничтожен. Тогда теоретикам следовало бы объяснить, отчего фотон с энергией, которая на 3 порядка больше энергии связи атомарного электрона, в одних случаях выбивает электрон из атома, а в других случаях не выбивает – рассеиваясь при этом на один и тот же угол. Увы, разумного объяснения этому нет. Далее, не удаётся наблюдать комптоновское рассеяние на атомах сверхлёгких (в частности, водорода) и тяжёлых элементов – хотя свойства слабо связанных электронов у всех элементов ничем принципиально не различаются. Наконец, уничтожающим доводом против подхода Комптона является тот малоизвестный факт, что в рассеянном на любой угол излучении присутствует, помимо комптоновской и несмещённой компонент, ещё и компонента анти-комптоновская – длина волны которой уменьшена на величину комптоновского сдвига. В теорию Комптона совершенно не укладывалось наличие анти-комптоновской компоненты, поэтому он в известных нам публикациях даже не упоминал про неё.
Мы же предлагаем более адекватное и честное объяснение феномена – на основе модели, согласно которой рассеяние рентгеновских лучей в рассматриваемом случае происходит не на атомарных электронах, а на нуклонных комплексах в ядрах. Такая возможность, казалось бы, совершенно исключена ввиду того, что константой в выражении для комптоновского сдвига является комптоновская длина волны электрона – откуда делается вывод о том, что рассеяние при этом не может происходить на чём-то ином, кроме как на электронах. Но, из нашей универсальной модели ядерных сил [5] следует, что, в случае составных ядер, имеет место необходимый пространственный размер.
Некоторые технические особенности наблюдения эффекта Комптона.
Типичная экспериментальная схема, использовавшаяся при первых наблюдениях эффекта Комптона, была такова [6]. Источником первичных лучей служила рентгеновская трубка с ускоряющим напряжением, достаточным для получения того или иного пика характеристического излучения у вещества антикатода. Обычно использовали антикатод из молибдена и работали с сильной K a-линией, с длиной волны около 0.71 Ангстрем. Первичное излучение через систему диафрагм направлялось на рассеивающую мишень. Рассеянное в небольшой телесный угол излучение направлялось – опять же, через систему диафрагм – на спектрометр, в качестве которого обычно применялся кристалл с рабочей поверхностью, отполированной параллельно плоскости спайности. Использовали почти скользящее падение рассеянных лучей на эту поверхность; варьировали угол этого падения и находили пики брэгговского отражения – по соответствующим пикам числа ионизаций, производимых отражёнными от кристалла лучами в ионизационной камере. Зная расстояние между атомными плоскостями кристалла и угол падения лучей на него, вычисляли длины волн, соответствующие пикам брэгговского отражения.
Мы воспроизводим типичные (нормированные) экспериментальные кривые [7], полученные при использовании рассеивающих мишеней из атомов различных химических
Рис.1. Типичные спектры при наблюдениях комптоновского рассеяния.
элементов – при прочих равных условиях. По осям абсцисс отложен угол падения лучей на кристалл-спектрометр; метка Р соответствует несмещённой компоненте («primary»), а метка М – комптоновской компоненте («modified»). Хорошо заметна также анти-комптоновская компонента – которая, впрочем, слабее комптоновской.
Обращает на себя внимание ещё одна особенность, которую демонстрируют кривые на Рис.1. Изменения в форме этих кривых прогрессируют лишь по мере изменения атомного номера химического элемента рассеивателя – безотносительно к тому, является ли элемент ярко выраженным металлом или ярко выраженным неметаллом. Такое положение дел лишний раз подчёркивает произвол в вопросе о том, какие электроны – на которых, якобы, рассеиваются рентгеновские лучи – следует считать «слабо связанными». По традиционной логике выходит, что если на электроне произошло комптоновское рассеяние, то он был «связан слабо», а если на таком же электроне произошло не-комптоновское рассеяние, то он был «связан сильно». Подобные двойные стандарты не украшают традиционный подход – укрепляя наши подозрения о том, что рассеяние, о котором идёт речь, происходит отнюдь не на электронах.