Согласно вышеизложенному, комптоновское и анти-комптоновское рассеяние являются чисто геометрическими эффектами работы навигатора, прокладывающего путь рентгеновской порции энергии. При этом никакого изменения этой порции энергии не происходит, поскольку она не испытывает «неупругого соударения» с ядром. Эта порция энергии проявляется лишь в самом конце проложенного для неё пути – в частности, в ионизационной камере.
Согласно же традиционному подходу, изменение длины волны фотона при рассеянии непременно сопровождается соответствующим изменением его энергии. При этом увеличение длины волны фотона должно означать передачу соответствующей части его энергии атомарному электрону, на котором фотон «неупруго рассеивается». Для фотонов К a-линии молибдена, с энергией около 17.4 кэВ, при рассеянии на угол q=90о, атомарному электрону должна передаваться энергия »590 эВ. Между тем, у лёгких элементов, для которых наблюдается эффект Комптона, энергии связи даже самых сильно связанных электронов меньше – так, у углерода эта величина составляет »490 эВ [11]. Таким образом, энергия, якобы, теряемая фотоном при комптоновском рассеянии, должна тратиться на выбивание атомарного электрона и на сообщение ему кинетической энергии – словом, она должна передаваться т.н. электрону отдачи.
Авторы ряда экспериментальных работ пытаются убедить нас в том, что всё именно так и происходит – причём, при единичном акте комптоновского рассеяния, электрон отдачи и рассеянный фотон начинают свой разлёт, практически, одновременно, а направления их разлёта оказываются в согласии с законами сохранения энергии-импульса. Давайте посмотрим, на чём основаны эти заявления.
Описание опыта Боте и Гейгера, получивших первый результат по «одновременности появления электрона отдачи и рассеянного фотона», дано, например, в [12]. По замыслу авторов, рентгеновские лучи должны были испытывать комптоновское рассеяние в газообразном водороде (Н2). Разлетающиеся частицы регистрировались двумя игольчатыми счётчиками Гейгера, один из которых – прикрытый платиновой фольгой – должен был реагировать только на фотоны, а другой – только на электроны. «Одновременные» срабатывания этих двух счётчиков, при временном разрешении схемы совпадений в 10-3 с [12,13], действительно имели место. Но, прежде чем интерпретировать эти результаты, следовало бы задаться вопросом: а имеет ли место эффект Комптона в водороде? Насколько нам известно, наблюдать таковой – с измерениями длин волн! – никому не удалось. Его и не может быть согласно вышеизложенным представлениям: в ядре водорода нет необходимых для этого нуклонных комплексов.
Далее, упомянем опыт Шенкланда, который сообщил об «одновременности» появления электрона отдачи и рассеянного фотона в пределах 10-4 с, причём угловое соотношение между направлениями их разлёта подтвердило фотонную теорию в пределах ±20о [14]. В этом опыте гамма-лучи, сколлимированные каналом в свинце, ортогонально направлялись на лоскуток алюминиевой фольги, служивший рассеивателем. Счётчик рассеянных гамма-квантов был установлен в стационарное положение, соответствовавшее углу рассеяния 90о. Положений же счётчика электронов использовалось всего лишь два: одно соответствовало «наиболее вероятному» направлению вылета электрона отдачи (согласно квантовой теории рассеяния), а другое служило контрольным. При первом из этих двух положений, схема совпадений систематически срабатывала несколько чаще (в среднем, в 1.38 раз), чем при втором. Но доказывает ли этот результат справедливость квантовой теории? На наш взгляд – ничуть не доказывает. Ведь здесь не было дано доказательств того, что счётчик гамма-квантов считал именно комптоновски рассеянные кванты – а, например, не кванты несмещённой компоненты. Также не было дано доказательств того, что счётчик электронов считал электроны отдачи – а, например, не фотоэлектроны, выбиваемые из атомов не только рассеивателя, но и воздуха, поскольку опыт проводился не в вакууме. Каким же образом, при отсутствии доказательств того, что схема совпадений срабатывала именно на продукты комптоновского рассеяния, можно было подтвердить теорию этого рассеяния?
Заметим, что это общий недостаток экспериментов, призванных засвидетельствоать «одновременность в эффекте Комптона»: никаких доказательств того, что исследовалось именно комптоновское рассеяние, не приводилось. Вот ещё один тому пример: статья Хофстадтера и Мак-Интайра [15], которые утверждали, что доказали одновременность вылетов электрона отдачи и рассеянного фотона в пределах 1.5×10-8 с. Источником у них служил радиоактивный изотоп Co60, дававший гамма-излучение с энергиями 1.17 и 1.33 МэВ. Это излучение направлялось на рассеиватель – кристалл стильбена. Считалось, что, при единичном акте комптоновского рассеяния, электрон отдачи вызывал в кристалле сцинтилляцию, которая регистрировалась парой фотоумножителей. Рассеянный же фотон, как считалось, мог вылететь из рассеивателя и попасть в кристалл-детектор – где, в свою очередь, он мог испытать комптоновское рассеяние и выбить второй электрон отдачи, который также вызвал бы сцинтилляцию. Сигналы с фотоумножителей рассеивателя и детектора подавались на осциллограф – с использованием калиброванных линий задержки. Зная величины этих задержек, судили о временном совпадении сцинтилляций в рассеивателе и детекторе – и делали вывод о таком же временном совпадении вылетов продуктов комптоновского рассеяния. Спрашивается: на чём была основана уверенность авторов [15] в том, что они имели дело с комптоновским рассеянием?Разве ранее кто-либо наблюдал комптоновские сдвиги для излучения с энергиями хотя бы в несколько сотен кэВ, не говоря уже про энергии более чем 1 МэВ? Насколько нам известно, уникальный кристалл-дифракционный спектрометр Дю Монда [16] – весьма громоздкое сооружение, с рабочим диапазоном до 1.3 МэВ – был введён в работу несколько позднее и использовался отнюдь не для наблюдения комптоновских сдвигов. Значит, доказательств самого факта работы с комптоновским рассеянием у авторов [15] не было и быть не могло. А ведь совпадающие сцинтилляции в их кристаллах могли иметь совсем иную причину. Едва ли можно оспаривать то, что в рассеивателе происходило, с наибольшей вероятностью, поглощение первичного гамма-кванта ядром – с последующим снятием возбуждения через каскадное излучение вторичных гамма-квантов. Один из этих вторичных квантов мог выбивать фотоэлектрон в кристалле-рассеивателе, а другой – в кристалле-детекторе. Эти-то фотоэлектроны и могли вызывать сцинтилляции – причём, с совпадением во времени, лучшим чем 10-8 с. Что же тогда мог доказать подобный эксперимент?
Наконец, нельзя не сказать про работу Крэйна, Гартнера и Турина [17], описание которой дано в [12]. Эти авторы поместили мишень-рассеиватель в центре камеры Вильсона – для проверки того, что направления вылета электрона отдачи и рассеянного фотона находятся в согласии с законами сохранения энергии-импульса. В качестве первичного излучения использовались жёсткие гамма-лучи – что, как уже отмечалось выше, делало весьма сомнительной саму возможность комптоновского рассеяния. Электроны, которые, судя по их трекам, вылетали из поглотителя вперёд, считались электронами отдачи – хотя они могли быть электронами внутренней конверсии или фотоэлектронами, выбиваемыми вторичными гамма-квантами. Поскольку фотон не оставляет трека в камере Вильсона, то, для подтверждения «правильного» направления полёта рассеянного фотона, требовалось получить «правильные» фотографии. А именно: на них, помимо трека «электрона отдачи», требовалось зафиксировать, в «правильном» сегменте камеры, трек ещё одного электрона – якобы, выбитого рассеянным фотоном. Мы говорим «якобы», поскольку никаких гарантий того, что второй электрон выбивался фотоном, вылетавшим из рассеивателя в центре камеры, быть не могло. При таком положении дел, «правильная» пара треков могла получаться лишь в результате маловероятного стечения случайных обстоятельств, на ничтожном проценте фотографий – как это и было в действительности. И вот, на основе обработки этих «удачных» фотографий, авторы сделали неизбежный, при подобном научном подходе, вывод о том, что «наблюдаемый угол полёта рассеянного фотона совпадает с вычисленным» [12]. Вновь желаемое было выдано за действительное.
Как можно видеть, перечисленные эксперименты, призванные доказать наличие электронов отдачи при комптоновском рассеянии, в действительности ровным счётом ничего не доказывают – и, таким образом, не бросают тень на нашу модель, согласно которой никаких «электронов отдачи» не существует.
Небольшое обсуждение.
Скептические слова в адрес традиционной интерпретации комптоновских сдвигов, а также критические замечания по поводу экспериментов с «электронами отдачи» высказывались и ранее – например, в исследовании [18]. Мы, в свою очередь, добавили к этой критике новое объяснение феномена. Наша модель позволяет объяснить не только происхождене анти-комптоновской компоненты, но и ещё некоторые особенности, которые не объясняет подход Комптона.
Во-первых, эффект Комптона не наблюдается, когда рассеивателями рентгеновских лучей являются атомы тяжёлых элементов – хотя эти атомы, конечно, тоже имеют «слабо связанные» электроны. Разгадка здесь, на наш взгляд, в том, что рентгеновские кванты эффективно взаимодействуют с электронами из внутренних электронных оболочек тяжёлых атомов – отчего эти кванты попросту «не добираются» до ядер.
Во-вторых, эффект Комптона не наблюдается для излучения с длинами волн оптического диапазона – в частности, для видимого света – хотя, согласно логике квантовой теории рассеяния, комптоновские сдвиги здесь вполне могли бы иметь место. Наблюдение этих сдвигов не представляло бы особых технических сложностей. В самом деле, для длины волны 5000 Ангстрем, в случае конфокального интерферометра Фабри-Перо с расстоянием между зеркалами в 4 см, достижимо спектральное разрешение 5×10-5 Ангстрем [19] – что на три порядка меньше комптоновского сдвига при рассеянии на угол 90о. Встречается такое объяснение отсутствия комптоновского рассеяния для видимого света: при элементарном акте такого рассеяния, атомарный электрон должен был бы воспринять слишком малую порцию энергии – гораздо меньшую, чем энергия первого возбуждённого уровня – а это запрещается квантовой теорией. Действительно, согласно главному постулату квантовой теории, атом способен поглощать и излучать не любые порции энергии, а только такие, которые соответствуют переходам между стационарными уровнями энергии. Но, если этот постулат был бы справедлив, то атомы не могли бы взаимодействовать с равновесным излучением [20] – что противоречило бы не только основным положениям термодинамики, но и практическим реалиям. Так почему же нет комптоновского рассеяния для видимого света? На наш взгляд – потому, что видимый свет рассеивается именно атомарными электронами, а не нуклонными комплексами в ядрах.
Наконец, укажем на одну частную особенность: отсутствие несмещённой компоненты при рассеянии на литии – хотя комптоновская и анти-комптоновская компоненты в этом случае присутствуют. Эта особенность, малопонятная с позиций традиционного подхода, заметна на Рис.1; она специально исследовалась в работе [21]. Напомним, что мы объясняем происхождение несмещённой компоненты так: первичная порция энергии поглощается ядром, а затем переизлучается. Отсутствие несмещённой компоненты в случае с литием может означать, что, после поглощения ядром первичной порции энергии, возбуждение снимается, с наибольшей вероятностью, не через переизлучение той же самой порции энергии, а, например, через каскадное излучение.
Заключение.
Как мы постарались показать, комптоновская теория рассеяния рентгеновских лучей не выдерживает критики: она игнорирует анти-комптоновскую компоненту и не объясняет ряд других особенностей феномена, а также довольствуется экспериментальными «подтверждениями», в которых желаемое выдаётся за действительное. При таком положении дел, комптоновские сдвиги отнюдь не подтверждают квантовую теорию – в частности, её утверждение о том, что фотоны переносят импульс – поскольку эти сдвиги должны иметь более адекватную интерпретацию.
Мы предложили версию такой интерпретации. На основе допущения о том, что рассеяние рентгеновских лучей, о котором идёт речь, происходит не на атомарных электронах, а на нуклонных комплексах в ядрах – имеющих необходимый характерный размер, т.е. комптоновскую длину волны электрона – достигается большее согласие с экспериментальными реалиями. Поэтому, в сравнении с подходом, основанным на квантовой теории, наш подход выглядит предпочтительнее.
Автор благодарит С.Артёху, заострившего внимание на наличии анти-комптоновской компоненты, а также участников форума www.scientific.ru/dforum/altern - за полезную дискуссию.
Ссылки.
1. A.H.Compton. A quantum theory of the scattering of X-rays by light elements. Phys.Rev., 21, 5 (1923) 483.
2. А.А.Гришаев. Об аномально быстром движении светового импульса.
3. А.А.Гришаев. Масса, как мера собственной энергии квантовых осциляторов.
4. А.А.Гришаев. Новый взгляд на сущность эффекта Мёссбауэра.
5. А.А.Гришаев. Простая универсальная модель ядерных сил.
6. A.H.Compton. Phys.Rev., 22, 5 (1923) 409.
7. Дж.Дж.Странатан. «Частицы» в современной физике. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М.-Л., 1949.
8. А.А.Гришаев. Навигатор квантовых перебросов энергии.
9. А.А.Гришаев. Автономные превращения энергии квантовых пульсаторов – фундамент закона сохранения энергии.
10. А.А.Гришаев. Нейтрон: структурная связь «на приросте масс».
11. Таблицы физических величин. Справочник. И.К.Кикоин, ред. «Атомиздат», М., 1976.
12. Э.В.Шпольский. Атомная физика. Т.1. «Наука», М., 1974.
13. Э.В.Шпольский. УФН, т.XLII, вып.2 (1950) 315. – Доступна также в Интернете: https://www.ufn.ru/ufn50/ufn50_10/Russian/r5010_f.pdf
14. R.S.Shankland. Phys.Rev., 52 (1937) 414.
15. R.Hofstadter, J.A.McIntyre. Phys.Rev., 78, 1 (1950) 24.
16. D.E.Muller. H.C.Hoyt, D.I.Klein, J.W.M.DuMond. Phys.Rev., 88, 4 (1952) 775.
17. Crane, Gaerttner, Turin. Phys.Rev., 50 (1936) 302.
18. С.Артёха. Критика основ теории относительности. Веб-ресурс https://www.antidogma.ru/russian/
19. В.Демтрёдер. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. «Наука», М., 1985.
20. А.А.Гришаев. К вопросу о равновесном излучении.
21. Y.H.Woo. Phys.Rev., 27, 2 (1926) 119.