решение задач из практикума (гришаев-глушкова)

184.1 Kb.Название Дата конвертации28.08.2012Размер184.1 Kb.Тип 1. А. А. Гришаев РАССЕЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ: О ЧЁМ СВИДЕТЕЛЬСТВУЕТ АНТИ-КОМПТОНОВСКАЯ КОМПОНЕНТА А.А.Гришаев, независимый исследовательВведение. 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 ЂЂЂЂЂЂ=ЂЂЂe(1-cosЂЂЂ), где ЂЂЂe ЂЂЂ комптоновская длина волны электрона, ЂЂЂ - 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 ЂЂЂ первым экспериментальным свидетельством о том, что отдельные фотоны переносят импульс. Согласно же нашим представлениям, фотоны ЂЂЂ как автономные порции энергии, движущиеся со скоростью света ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 KЂЂЂ-линией, с длиной волны около 0.71 Ангстрем. Первичное излучение через систему диафрагм направлялось на рассеивающую мишень. Рассеянное в небольшой телесный угол излучение направлялось ЂЂЂ опять же, через систему диафрагм ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ при прочих равных условиях. По осям абсцисс отложен угол падения лучей на кристалл-спектрометр; метка Р соответствует несмещённой компоненте («primary»), а метка М ЂЂЂ комптоновской компоненте («modified»). Хорошо заметна также анти-комптоновская компонента ЂЂЂ 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 ЂЂЂ 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 ЂЂЂ на которых, якобы, рассеиваются рентгеновские лучи ЂЂЂ 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 ЂЂЂ укрепляя наши подозрения о том, что рассеяние, о котором идёт речь, происходит отнюдь не на электронах. Рассеяние рентгеновских лучей на нуклонных комплексах в ядрах. Как известно, характеристическое рентгеновское излучение порождается с непременным участием атомарных электронов. А именно: быстрые электроны, ударяя в антикатод, выбивают из его атомов внутренние электроны, и в образовавшиеся таким образом вакансии «сваливаются» более внешние электроны ЂЂЂ с увеличением своих энергий связи и излучением соответствующих характеристических фотонов. Что касается регистрации рентгеновских лучей с помощью ионизационной камеры, то эта регистрация происходит тоже с очевидным участием атомарных электронов. И вот, хотя в рассматриваемой экспериментальной схеме путь рентгеновских лучей начинается и заканчивается при участии атомарных электронов, мы полагаем, что рассеяние этих лучей в мишени происходит без участия атомарных электронов, но с участием ядер. Прежде всего, такой подход легко объясняет происхождение несмещённой компоненты. В самом деле: первичные рентгеновские фотоны, с энергиями в десяток кэВ и более, вполне могут поглощаться ядрами, а затем переизлучаться ЂЂЂ в произвольных направлениях, в полный телесный угол. Поэтому, при любом выбранном направлении рассеяния, на спектрометр непременно попадал бы какой-то процент фотонов, переизлучённых без изменения их энергии и, соответственно, без изменения длины волны. Поскольку масса ядра несоизмеримо больше «массы» рентгеновского фотона, проблема с законом сохранения импульса не возникала бы здесь даже с традиционной точки зрения, согласно которой фотон переносит импульс ЂЂЂ не говоря уже про нашу точку зрения, согласно которой такого переноса нет. С этой же точки зрения, изложим версию происхождения комптоновской и анти-комптоновской компонент. На наш взгляд, фотоны не переносят импульс потому, что фотонов в природе не существует ЂЂЂ в том виде, как их об