Электродинамика эффекта Комптона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электродинамика эффекта Комптона

Канарёв Ф.М.

Аннотация

Эффект Комптона занимает центральное место в понимании процесса отражения фотонов электронами и в определении главного параметра электрона - длины его волны, которая оказалась равной радиусу электрона.

Анализ эффекта Комптона. Известен факт увеличения длины волны отраженных фотонов. Наиболее надежно и точно он фиксируется в эффекте Комптона. При этом, в соответствии с законом локализации фотонов , масса отраженных фотонов уменьшается. Это однозначно свидетельствует о потере фотоном массы, а значит - и энергии. Если владелец потерянной массы остаётся неизвестным, то эффект Комптона становится ярким доказательством нарушения закона сохранения энергии и этот факт невозможно опровергнуть никакими косвенными экспериментами, доказывающими обратное [1], [2].

Мы уже отметили, что дисбаланс масс ядер при их синтезе объясняется излучением гамма фотонов протонами. Что же касается причины дисбаланса масс фотонов в эффекте Комптона, то этот вопрос не ставился. Поэтому поставим его и попытаемся найти ответ или, в крайнем случае, сформулировать гипотезу о судьбе массы, теряемой отраженным фотоном [1].

На рис. 1 показана схема экспериментальной установки для изучения эффекта Комптона, а на рис. 2 - схема изменения длины волны отраженных фотонов при изменении угла . В эксперименте использовались рентгеновские фотоны с длиной волны .

Рис. 1. Схема для изучения эффекта Комптона: 1-рентгеновская трубка; 2-свинцовые экраны с прорезями; 3-фотопленка

Как видно (рис. 2), при увеличении угла рассеяния интенсивность несмещенной линии падает, а интенсивность смещенной линии возрастает. Чтобы найти математическую модель, описывающую изменение длины волны отраженного фотона, надо знать, прежде всего, геометрические параметры взаимодействующих объектов - рентгеновских фотонов и электронов.

Известно, что длина волны рентгеновского фотона равна радиусу его вращения и изменяется в интервале . Длина волны, а значит и радиус свободного электрона равны . Конечно, при энергетических переходах электрона в атоме длина его волны изменяется. Однако эти изменения у поверхностных электронов настолько незначительны, что в данном случае ими можно пренебречь. Сравнивая длину волны рентгеновского фотона, использованного в эксперименте, и длину волны электрона , видим их близкие значения.

Рис. 2. Схема изменения длины волны отраженных фотонов от угла (рис. 1)

На рис. 2 приведены спектры фотонов ( и ), рассеянные под разным углом . Главный вывод, который следует из этого рисунка, при возрастании угла отражения , длина волны отражённых фотонов и интенсивность их отражения увеличиваются [1]. Более интересная экспериментальная зависимость представлена на рис. 3.

Рис. 3. Эффект Комптона на радиаторах различной Природы

Она связана с таблицей химических элементов, из которых изготовлялся экран отражения. Ясно видно, что с усложнением атомов интенсивность отражённых фотонов вначале увеличивается, а потом уменьшается. Так у лития () максимальная интенсивность излучения состоит из смещенной М составляющей, а у меди () наоборот, интенсивность несмещенной линии P значительнее интенсивности смещенной линии M. Сразу возникает вопрос: почему интенсивность смещённой линии падает с увеличением номера химического элемента? Чтобы найти ответ на этот вопрос, надо представить структуры ядер начального (лития) и конечного в эксперименте химического элемента - меди. Они представлены на рис. 4.

комптон фотон электрон волна

Рис. 4. Ядра атомов: лития и меди

Нетрудно видеть, что на поверхности ядра атома лития всего три протона (Р), а на поверхности ядра атома меди - 29-го химического элемента, 29 протонов. Уже известно линейное взаимодействие электронов с протонами ядер атомов, поэтому можно представить структуры атомов лития и меди. На рис. 5, а представлена структура атома лития. Структуру атома меди с 29-ю электронами нарисовать сложно. Но если атом представлять в виде сферы, то её поверхность будет заполнена электронами. Вполне естественно, что на поверхности атома лития будет чётко представлен каждый из трёх электронов, а поверхность сферы атома меди будет заполнена электронами и её можно представить в виде одуванчика (рис. 5, b)

Рис. 5. Электронная структура поверхности атома лития (Li) и атома меди (Cu)

У рентгеновского фотона, размер которого близок к размеру электрона, имеется возможность взаимодействовать отдельно с каждым электроном атома лития (рис. 5, а). Радиус рентгеновского фотона больше радиуса электрона , поэтому при отражении от поверхности атома меди (рис. 5, b), которая заполнена электронами, у рентгеновского фотона теряется возможность взаимодействовать при отражении с отдельным электроном и, таким образом, передавать ему часть своей магнитной субстанции и возбуждать его. Рентгеновскому фотону приходится отражаться без потери своей массы, а значит и без изменения длины волны, равной его радиусу .

Поскольку с увеличением номера химического элемента увеличивается поверхностная плотность электронов на поверхностях их атомов, то в такой же последовательности теряется возможность у отражённого рентгеновского фотона, взаимодействовать с отдельным электроном и отдавать ему часть своей магнитной субстанции, и таким образом, увеличить длину своей волны, равную радиусу.

Когда поверхность сложного атома, заполнена невозбуждёнными электронами, то она будет близка к сферической поверхности. Когда же один из его электронов поглощает фотон, то энергия связи такого электрона с ядром уменьшается и он удаляется от ядра и от общей сферической поверхности атома. В таком состоянии он становится активным - готовым вступить в связь с аналогичным электроном другого атома. Так образуется молекула.

Конечно, соединение произойдёт лишь с тем электроном соседнего атома, который будет удалён от его поверхности и у которого свободным будет противоположный магнитный полюс. Указанные два электрона и являются валентными электронами. Их может быть и больше двух, и тогда формируются различные виды химических связей, описанных химиками.

Таким образом, сравнивая поверхности атома лития и атома меди (рис. 5), видим значительную возможность рентгеновских фотонов взаимодействовать индивидуально с электронами атома лития и меньшую - с электронами атома меди. Экспериментальные данные, представленные на рис. 3, убедительно подтверждают это.

В научной литературе существуют теории анализа взаимодействия рентгеновского фотона с электроном в эффекте Комптона. Они посвящаются выводу формулы Комптона для расчёта изменения длины волны отражённого фотона. Главная особенность этих теорий - использование релятивистских волновых идей для вывода этой формулы, что значительно усложняет процедуру вывода, а результат делает приближенным. Теперь у нас есть возможность вывести формулу Комптона аналитически, используя корпускулярные модели фотона и электрона, выявленные нами [1].

Импульс падающего на электрон фотона и импульс отраженного от электрона фотона связаны простой зависимостью (рис. 6)

(1)

После взаимодействия фотона с электроном его импульс изменится на величину

(2)

Поскольку и , то

(3)

Рис. 6. Схема взаимодействия фотона с электроном в эффекте Комптона

Известно, что эффект Комптона проявляется при взаимодействии между электронами и рентгеновскими фотонами. Это обусловлено тем, что они имеют близкие по величине радиусы вращения, поэтому у нас есть основания обозначить . Полагая также, что , имеем

(4)

Это и есть формула Комптона для расчета изменения длины волны отраженного рентгеновского фотона, которую он подобрал эмпирически в 1922 году и использовал при интерпретации результатов своего эксперимента. Мы уже многократно доказали, что длина волны электрона равна его радиусу (рис. 7).

Рис. 7. Схема теоретической модели электрона (показана лишь часть магнитных силовых линий)

Эксперимент Комптона оказался одним из наиболее точных экспериментов. Экспериментальная величина радиуса электрона отличается от его теоретической величины в пятом знаке после запятой .

А теперь проверим реализацию закона сохранения энергии в эффекте Комптона. Из формулы (4) следует, что изменение длины волны отраженного фотона зависит от угла (рис. 1, 2, 3). В соответствии с константой локализации фотона при увеличении длины волны фотона уменьшается его масса , поэтому мы можем вычислить массу, потерянную рентгеновским фотоном при отражении.

Обозначая массу фотона до отражения через , а после отражения - через и учитывая, что

(5)

найдём

(6)

или

(7)

Если , то

(8)

Длины волн рентгеновских фотонов, использованных в эксперименте, . Константа локализации позволяет определить их массу

(9)

Поскольку угол может изменяться в интервале , то для расчётов возьмём его среднее значение . Тогда

(10)

Таким образом, рентгеновский фотон, взаимодействуя с электроном под углом , потерял

(11)

своей массы. Тем не менее, если бы из потерянной массы сформировался фотон, то он имел бы радиус

(12)

Как видно, масса (10), потерянная отражённым рентгеновским фотоном, эквивалентна массе рентгеновского фотона (табл. 1).

Таблица 1. Параметры различных участков спектра фотонных излучений

Сразу возникает вопрос: куда девалась масса, потерянная отражённым рентгеновским фотоном, если она не сформировалась в соответствующий фотон? Конечно, если бы она сформировалась в соответствующий фотон, то приборы обязательно зарегистрировали бы его. Однако чёткой информации об этом нет, поэтому у нас появляются веские основания полагать, что масса, потерянная отражённым фотоном, не оформившись ни в какую частицу, растворилась в пространстве, приняв форму и свойства эфира [1], [2].

Если это так, то сразу следует другой, не менее важный вопрос: выполняется ли закон сохранения энергии в эффекте Комптона? Если при отражении фотонов с другими длинами волн закономерность изменения массы сохраняется, то при отражении реликтового фотона , получим

(13)

Так как реликтовый фотон с массой является предельным (табл. 1), то фотоны с массой не формируются. Магнитная субстанция, представляющая эту массу, не оформившись в фотон, растворяется в пространстве. В результате закон сохранения энергии не соблюдается. Эффект Комптона - убедительное доказательство нарушения закона сохранения энергии в его современной формулировке.

Таким образом, есть все основания поставить под сомнение результаты ряда косвенных экспериментов, доказывающих, что закон сохранения энергии при эффекте Комптона соблюдается.

Заключение

Представленный анализ динамики эффекта Комптона не имеет аналогов по глубине и логичности его результата, поэтому без всяких сомнений заслуживает быть включённым в учебный процесс.

Источники информации

1. Канарёв Ф.М. Монография микромира. http://micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/663-2012-08-19-17-07-36

2. Канарёв Ф.М. Импульсная энергетика. Том II монографии «Начала физхимии микромира». http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/228----ii-

Размещено на Allbest.ru