МЕНЮ

К вопросу о рассеянии фотонов

Показано, что рассеяние фотонов является классическим явлением дисперсии частиц (фотонов).  Дана интерпретация известных феноменов – эффектов Фарадея-Тиндаля, Комптона, рассеяния Рэлея, излучения Вавилова-Черенкова, в основе которых лежит процесс поглощения и генерации (излучения) вторичных фотонов при взаимодействии потока фотонного газа с некоторой средой.

Введение.  Важность изучения рассеяния абсолютно очевидна, поскольку в современных условиях оно является одним из самых распространенных инструментов научных и прикладных исследований. В частности, рассеяние рентгеновского излучения под малыми углами является традиционным методом изучения интерфейсов многослойных наноструктур,  позволяющим определять,  как геометрические параметры системы, так и статистические шероховатости поверхности. [1]  Рентгеноструктурный анализ является инструментом определения атомного строения кристаллов с помощью изучения результатов упругого рассеяния рентгеновских лучей этими кристаллами. [2] Чрезвычайно плодотворными оказались исследования в области инфракрасной спектроскопии и техники. Детальное изучение рассеяния излучения плотно упакованными дисперсными системами позволило создать новые классы инфракрасных фильтров. [3]

Вопрос  о рассеянии фотонов на электронах сыграл, как известно, заметную роль в развитии квантовых представлений [4].

В 1923 г. Комптон наблюдал явление изменения частоты рентгеновых лучей при рассеянии их на электронах. Комптоном и независимо от него Дебаем были написаны соотношения для этого процесса, основанные на законах сохранения энергии и импульса, в предположении о существовании фотона как с энергией hν и импульсом hν/c.

Работа Комптона оказала существенное влияние на формирование представлений о фотоне и его взаимодействии с веществом.

Современная физика рассматривает фотон, как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую  строением и размерами [5]:  это элементарная частица, квант частица, электромагнитного излучения (в узком смысле — света) в виде поперечных электромагнитных волн и переносчик электромагнитного взаимодействия. Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме, только двигаясь со скоростью светаЭлектрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1.

Все эксперименты, проведённые до сих пор, показывают, что у фотонов нет ни электрического заряда, ни массы. Наибольшая точность, с которой удалось измерить заряд фотона, равна 5⋅10−52 Кл (или 3⋅10−33 e); для массы 1,1⋅10−52 кг (6⋅10−17 эВ/c2 или 1⋅10−22 me) [6].

Фотон обладает импульсом и энергией, что в результате взаимодействия с веществом может приводить к их полному поглощению или рассеянию без поглощения. Рассеяние может быть двух видов:  без изменения длины волны (когерентное рассеяние, томсоновское, классическое);  с изменением длины волны (некогерентное, комптоновское рассеяние) [7].

Когерентное и некогерентное  рассеяние частиц является основным методом исследования в атомной и ядерной физике, а также в физике элементарных частиц. По результатам рассеяния можно получить характеристику потенциальной энергии взаимодействия частиц с мишенью и узнать о строении мишени. Так в своё время с помощью рассеивания альфа-частиц на золотой фольге, Эрнест Резерфорд установил строение атома. [8]

Таким образом, современная теория взаимодействия фотонов и других элементарных частиц с веществом предполагает существование их в виде некоторых упругих и неупругих тел, которые соударяются друг с другом или с атомами  (протонами и электронами) вещества и обмениваются энергией.

Эфиродинамическая концепция [9], в свою очередь,  предполагает наличие у всех элементарных частиц структуры, массы и электрического заряда. А их взаимодействие между собой или с веществом осуществляется на основе законов газодинамики и акт соударения и, соответственно, обмен энергией выполняется только в частных случаях, например, в коллайдерах при соударениях протонов.

Совершенно иначе ведет себя фотон [10] – это элементарная частица, представляющая собой замкнутый тороидальный вихрь уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) и винтовым  движением внутри него, осуществляющая поступательно-циклоидальное движение (по винтовой траектории), обусловленное гироскопическими моментами собственного и вращения по круговой траектории  и предназначенная для переноса энергии.

Фотон характеризуется энергией 2Eγ [эВ] = 0,62 – 0,5·105 , массой  mγ [кг] ≈ 1·10-40, электрическим зарядом   γ [Кл] = 1,6021766208·10−19, скоростью прямолинейного движения uγ [м/с] = (2,9979 – 3,0)·108, радиусом  тела (кольца) rγ [м] ≈ 10-19 – 10-20  и др.                                                                          параметрами. [11]

Фотон это элементарная частица с двойным гироскопическим эффектом (имеет вращение вокруг собственной оси и вокруг оси прямолинейного движения), которые и определяют его энергию. Энергия фотона фактически равна кинетической энергии вращения вокруг собственной оси вращения [11]:

E0 = mγ rγ 2 ωγ2 ,                                                                               (1)

где ωγ  – круговая частота собственного вращения.

Параметры mγ, rγ – квазипостоянные, на основании чего для всего спектра фотонов их энергия E0 ≈ f(ωγ2) фактически зависит только от частоты вращения вокруг собственной оси. В работе [11] показано, что соотношение этих частот для гамма-фотонов и инфракрасных ориентировочно равно 103, соответственно, соотношение энергий будет равно 106. Соотношение (1) показывает, что с уменьшением длины волны фотона его энергия растет, так как растет круговая частота собственного вращения. Таким образом, увеличиваются его гироскопические возможности. Этим и объясняются проникающие способности фотонов рентгеновского и гамма диапазонов излучения.

Гироскопические эффекты позволяют фотону проникать внутрь тела протона и электрона (замкнутые тороидальные вихри уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) [9]) и, в зависимости от величины его энергии, могут обуславливать следующие процессы: поглощение фотона, если энергия поглощаемого фотона меньше энергии протона и электрона и их связи; поглощение и генерация вторичных фотонов; разрыв связи между протоном и электроном в протон-электронной паре; разрушение структуры протона и электрона.

Таким образом, кроме процесса поглощения, эфиродинамическая концепция  в отличие от традиционной физики, предполагает совершенно иные процессы взаимодействия фотонов с веществом. Это обстоятельство требует исследования этих процессов и их адекватной оценки.

Исторические предпосылки рассеяния фотонов. На явление свечения неоднородной среды при прохождении через неё света впервые обратил внимание в 1857 г. M. Фарадей  и Дж. Тиндаль, по имени которого оно получило своё название, подробно описал его в 1868 г. [12] Тиндаля эффект – свечение оптически неоднородной среды вследствие рассеяния проходящего через неё света. Впервые теоретическую трактовку этому эффекту дали в 1987 г. Дж. Рэлей [13], а в 1908 г. Г. Ми.

В 1899 г. Дж. Рэлей произвел расчет интенсивности света, рассеянного на сферических частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны падающего света, и нашел, что для первоначального естественного света интенсивность рассеянного света равна

I = I0 (9π2εo2N(V’)2 / 2λ4L2) · [(ε – ε0)/ (ε + ε0)]2 ·(1 + cos2q),    (2)         

здесь N — число частиц в рассеивающем объеме, V’ и ε — объем и диэлектрическая проницаемость частицы, ε0 — диэлектрическая проницаемость среды, в которой взвешены частицы, θ — угол рассеяния, I0 — интенсивность падающего света, L — расстояние от рассеивающего объема до точки наблюдения.

Формула Рэлея описывает экспериментально открытые до ее вывода закономерности. В частности, интенсивность рассеянного света оказывается обратно пропорциональной четвертой степени длины волны, что находится в соответствии с измерениями и может объяснить голубой цвет неба, а закат красный.  Закон I ~ 1/λ4 носит название закона Рэлея.

Рэлей показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой степени длины волны для достаточно мелких частиц. Отсюда следует, что синий свет на таких частицах рассеивается больше, чем красный, примерно в 10 раз: (700 нм/400 нм)4 = 10.

Эффект Комптона. Исторически сложилось так, что одним из главных свидетельств в пользу корпускулярной природы электромагнитного излучения явился эффект Комптона [14].

Эффект наблюдается для больших частот рассеиваемого электро-магнитного  излучения (в рентгеновской области и выше). Он проявлялся уже в первых опытах по рассеянию рентгеновских лучей на свободных электронах, но впервые с требуемой тщательностью был изучен Комптоном в 1922-23 г.г. 

            С точки зрения классической  электродинамики рассеяние с изменением частоты невозможно. Указанное противоречие было разрешено Комптоном и независимо от него Дебаем на основе представления о том, что рентгеновское излучение представляет собой поток частиц (фотонов или квантов излучения), обладающих как энергиейhν, так и импульсом (hν/c)n  (здесь ν и λ = c – частота и длина волны света,n – единичный вектор в направлении распространения волны).

Комптон рассмотрел упругое рассеяние фотона на свободном покоящемся электроне (что является хорошим приближением для рассеяния фотонов рентгеновских лучей на атомных электронах лёгких атомов). При рассеянии фотон передаёт электрону часть энергии и импульса, что соответствует уменьшению частоты (увеличению длины волны) рассеиваемого света. Из законов сохранения энергии и импульса он получил формулу для сдвига длины волны:

∆λ = λʹ – λ = h/(mе c) · (1 – cosq),                                                     (3)

где  λ,  λʹ  – длины волн до и после рассеяния, q – угол рассеяния, mе – масса электрона. Параметр h/(mе c) называется комптоновской длиной волны электрона и равен

2,4·10-12 м. Из кинематики процесса легко также определить энергию и импульс электрона отдачи.

Поскольку формула (3) основана только на кинематических соображениях, она оказывается справедливой и в точной теории. Из неё следует, что относительное изменение длины волны ∆λ/λʹ  велико только для коротких длин волн, когда

∆λ < h/(mе c).

В своей статье [15], опубликованной в 1923 году, Комптон провел расчеты и сравнил результаты с полученными ранее в эксперименте. Впечатляющее согласие пионерских измерений Комптона и многих последующих с теоретическими расчетами явилось сильным доводом в поддержку того, что свет обладает свойствами не только волны, но и частицы.

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. Теория Комптона разумного объяснения присутствию несмещенной компоненты не дает [16].

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.  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.

Однако, наиболее существенным доводом того, что подход Комптона является мифом квантовой механики, является противоречие фундаментальному свойству фотонов: независимость параметров фотона от каких либо факторов и систем отсчета. Из этого свойства следует, что ни при каких взаимодействиях фотона с чем бы то ни было его параметры не изменяются.

Современный взгляд на теорию рассеяния. Традиционный современный взгляд на процесс рассеяния является заложником исторически сложившихся представлений [17]: рассеяние микрочастиц, теория рассеяния – процесс столкновения частиц, в результате которого меняются импульсы частиц (упругое рассеяние) или наряду с изменением импульсов меняются также их внутренние состояния либо образуются другие частицы (неупругое рассеяние).

            Эти представления позволяют изучать законы взаимодействия частиц и исследовать структуру частиц. Например, классическими опытами Э. Резерфорда по рассеянию α-частиц атомами было установлено существование атомных ядер; из опытов по рассеянию электронов большой энергии на протонах и нейтронах (нуклонах) получают информацию о структуре нуклонов; эксперименты по упругому рассеянию нейтронов и протонов протонами позволяют детально исследовать ядерные силы и т.д.

                Однако они не применимы к исследованию взаимодействия фотонов с веществом в виду уникальности параметров фотона и их независимости от каких либо факторов.

Согласно эфиродинамическим представлениям фотон это элементарная частица – переносчик энергии. Эта энергия или полностью поглощается, т. е. рассеивается – нагревая тело, имея характер тепловой энергии, или идет на реализацию других физических процессов: возбуждение протон-электронной пары атома вещества с последующей генерацией вторичных фотонов; разрушение протон-электронной пары. В связи с чем,  понятия столкновение или рассеяние на чем-то для фотона не существует.

На основании вышеизложенного можно предположить, что понятие рассеяния связано с взаимодействием фотонов с атомами вещества, точнее с протон – электронными парами атомов вещества, которое  может происходить по сценарию поглощения и генерации вторичных фотонов. В этом случае,  фотоны, например, ультрафиолетового  или мягкого рентгеновского излучений, имеют энергетический уровень  значительно меньше  масс-энергии протонов и электронов и их энергий связи, что не позволяет им разрушать протон-электронные пары и в то же время достаточный для возбуждения протон-электронных пар и генерации вторичных фотонов, энергия которых не превышает энергию первичных.

Эффект Комптона соответствует данному случаю. Под воздействием фотонов рентгеновского излучения на мишень, например из графита,  протон-электронные пары атомов графита, в соответствии со своими спектральными возможностями, начинают генерировать спектр вторичных фотонов, распределение которого в мишени будет соответствовать энергетическому спектру атомов мишени. Чем выше энергия вновь сгенерированного фотона, тем меньше угол отклонения от направления падающего потока фотонов. Часть фотонов входного потока, в зависимости от толщины мишени, проходит сквозь мишень, образуя несмещенную компоненту.

            Мягкий рентгеновский диапазон излучения составляет диапазон длин волн от 10 до 0.1 нм, а энергий 124 – 12400 эВ. Данный уровень энергий падающих фотонов практически позволяет возбуждать все протон-электронные пары легких элементов, в частности – графита (углерода). Согласно справочным данным [18], при выше указанном уровне энергий, атом углерода способен генерировать спектр в диапазоне от 2,6988 до 1261,48 нм в количестве более 110 линий (фотонов). Отклонение потока фотонов на какой либо угол позволяет спектрометру производить измерения узкого диапазона длин волн, в соответствии с законом распределения фотонов по энергиям: чем выше энергия вновь сгенерированного фотона, тем меньше его длина волны, тем меньше угол отклонения от направления падающего потока. Таким образом, эффект Комптона является только его частным случаем.

Для понимания сущности рассеяния фотона на электроне достаточно вспомнить, что в 1934 г. Черенковым было открыто излучение Вавилова-Черенкова [19]. Черенкову удалось доказать, что при облучении жидкостей некоторыми радиоактивными β- и γ-источниками появляется совершенно новый тип свечения, многие характеристики которого следующие: интенсивность и спектр излучения почти не зависят от типа вещества, его чистоты и температуры;  излучение поляризовано и направлено вдоль пучка электронов,  с концентрацией излучения в узком конусе с осью в направлении движения заряженной частицы с углом при вершине конуса, описываемым знаменитой формулой cosq = 1/ bn(ω), где b — скорость частицы в единицах скорости света в пустоте (с), n — показатель преломления среды, зависящий от частоты свечения; излучение имеет сплошной спектр, максимум интенсивности приходится на синюю часть спектра; излучение имеет пороговый характер,  оно не вызывается, например, рентгеновскими лучами с максимальной энергией 30 КэВ.

            Основа схемы постановки эксперимента Черенкова и условия проведения исследований полностью идентичны схеме и условиям опытов Комптона. Отличие только в визуализации результатов экспериментов. Эксперимент Черенкова позволяет наблюдать излучение в узком конусе в направлении исходного пучка, а эксперимент Комптона – только фрагмент конуса, т. е. поток излучения узкого диапазона волн.

Аналогично при рассмотрении общей характеристики коллоидных растворов было отмечено их свойство рассеивать свет, описан эффект Тиндаля — Фарадея, наблюдавших образование светящегося конуса при боковом освещении коллоидного раствора пучком света. [20]

            В работе [19] рассмотрен механизм излучения Вавилова – Черенкова,  в основе которого находится  процесс поглощения и генерации вторичных фотонов, аналогичный  тому, что рассмотрен выше для эффекта Комптона.

Данное обстоятельство позволяет сделать вывод, что эффект Комптона, эффект Тиндаля, рассеяние Рэлея и т. п., это эффекты одного порядка  – дисперсия входного потока фотонов при переходе из одной среды в другую, в основе которого лежит процесс поглощения и генерации вторичных фотонов.

Почему днем небо голубое, а вечером красное? Феномен окраски неба интересует человечество с давних времен. Однако первое разумное объяснение этого феномена сделал Дж. Тиндаль в 1859 году. Он обнаружил любопытный эффект: если пропустить свет через прозрачную жидкость, в которой взвешены мелкие частички, то голубой свет будет рассеиваться этими частичками сильнее, чем красный. Эффект Тиндаля касается рассеяния света в мутных жидкостях. Частички в такой жидкости должны иметь особую структуру поверхности — бороздки, решетки, поры, углы, размер которых сопоставим с длиной световой волны.

Несколько лет спустя эффект Тиндаля был подробно изучен лордом Рэлеем. Лорд Рэлей тоже поддерживал эту идею, но недолго. В 1899 году он опубликовал свое объяснение: именно воздух, а не пыль или дым, окрашивает небо в голубой цвет. С тех пор рассеяние света на очень маленьких частицах стало называться рэлеевским рассеянием.

В XIX веке было высказано несколько возможных объяснений, в то время казавшихся научными и близкими к истине. Некоторые ученые считали, что молекулы озона и воды поглощают лучи красного цвета и пропускают голубые. Но оказалось, что в атмосфере просто не хватит этих веществ, чтобы окрасить небо в голубой цвет.

Атмосфера Земли представляет собой смесь молекул газа и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). В основном атмосфера состоит из газов азота (78%) и кислорода (21%). [21] Газы и вода (в виде паров, капель и ледяных кристаллов) являются наиболее распространенными составными частями атмосферы. Состав атмосферы меняется в зависимости от географического положения, от погоды и многого другого. Где-то может быть больше воды в воздухе после ливня или рядом с океаном, где-то вулканы извергают большое количество частиц пыли высоко в атмосферу.

Атмосфера более плотная в своей нижней части, рядом с Землей. Она с высотой постепенно утончается. Не существует резкого разрыва между атмосферой и пространством.

Самое интересное в атмосфере, если бы воздух в верхних слоях был таким же плотным, как и около земли, мы бы никогда не увидели красивой голубой картинки у нас над головами. Свет рассеивается только теми молекулами воздуха, расстояние между которыми  порядка длины волны рассеиваемого света – а это возможно только когда воздух сильно разрежен.

            Еще более интересен другой вопрос. Хорошо, если свет с короткой длиной волны рассеивается лучше, то почему мы не видим, что небо фиолетовое – ведь фиолетовый цвет еще “короче” чем голубой. Объяснений тут несколько. Во первых, фиолетовый вообще сильно поглощается атмосферой, во вторых, наше зрение к нему менее чувствительно.

            В XXI веке сущность объяснения феномена окраски неба практически не изменилась [22]: На земле небо голубое потому, что когда солнечный свет (содержащий разные цвета) проходит через атмосферу – голубой цвет рассеивается с большей вероятностью, чем красный. То есть, голубой цвет неба – это рассеянные в атмосфере фотоны солнечного света. По этой же причине у Солнца на закате красный цвет – голубые фотоны в атмосфере рассеялись вбок, на прямой линии от Солнца осталось больше красных фотонов.

            Адекватного ответа на поставленный вопрос современная физика не имеет по причине неадекватной интерпретации эффектов Тиндаля и Комптона, рассеяния Рэлея, излучения Вавилова-Черенкова и т. п., а также непонимания сущности фотона и его взаимодействия с веществом. В данном случае ответ на поставленный вопрос фактически является критерием понимания сущности рассеяния фотонов.

            Излучение Солнца представляет собой поток фотонного газа, частицы которого – фотоны имеют широкий спектр электромагнитного диапазона, в частности, видимый диапазон, воспринимаемый человеческим глазом, который соответствует длинам волн в вакууме от ~400 до ~760 нм. [23], где синий цвет ~ 440 – 485 нм, голубой ~ 485 – 500 нм, … , оранжевый ~ 590 – 625 нм, красный ~ 625 – 740 нм.

            При достижении атмосферы Земли, фотоны излучения Солнца начинают взаимодействовать с атомами молекул газа и различных примесей атмосферы. Так как на 90% атмосфера состоит из молекул азота и кислорода, то определяющий вклад во взаимодействия фотонов с атмосферой будут давать молекулы азота и кислорода. Молекулы состоят из атомов, а атомы из протон-электронных пар. Фактически фотоны взаимодействуют с протон-электронными парами атомов, указанных молекул.

Согласно экспериментальным данным [18] наиболее интенсивный спектр излучения атомов азота и кислорода в видимом диапазоне следующий: для атомов азота ~ 463,0543 – 501,062 нм, 600,848 – 672,312 нм, для кислорода ~ 464,9139 – 470,5385 нм, 615,5975 – 645.4445 нм. Т. е.  спектр излучения  атомов азота и кислорода наиболее интенсивен в диапазоне сине-голубого и красного цветов.

Взаимодействие фотонов излучения Солнца с молекулами азота и кислорода атмосферы осуществляется по сценарию поглощения и генерации вторичных фотонов. Фотоны излучения Солнца поглощаются атомами (протон-электронными парами) азота и кислорода, в результате чего происходит их возбуждение. Величина энергии поглощаемых фотонов достаточна для генерации вторичных фотонов атомами азота и кислорода, спектр которых находится в диапазоне сине-голубого и красного цветов. Распространение вторичных фотонов осуществляется вдоль направления потока первичных фотонов в виде конуса. При этом фотоны сине-голубого цвета находятся вблизи основного направления, что обеспечивает их непосредственное наблюдение глазом человека. Небо воспринимается в виде сине-голубого цвета. Фотоны красного цвета распространяются вблизи образующей конуса и направлены под некоторым углом к основному направлению, что исключает их наблюдение в течение дня. При закате Солнца, наоборот, основной поток направлен параллельно поверхности наблюдения, что исключает восприятие фотонов сине-голубого цвета, зато становятся доступными для восприятия фотоны красного цвета. Небо воспринимается в виде красного цвета.

Выводы. Традиционная физика рассматривает рассеяние фотонов как процессстолкновения частиц, в результате которого меняются импульсы частиц (упругое рассеяние) или наряду с изменением импульсов меняются также их внутренние состояния либо образуются другие частицы (неупругое рассеяние).

            Понятия столкновения и рассеяния к фотонам неприменимы вследствие уникальности существования и независимости их параметров от каких либо факторов и систем отсчета.

            Эфиродинамическая концепция  предполагает, что рассеяние фотонов это процесс поглощения и генерации фотонов вторичной средой, приводящий к явлению дисперсии частиц.

            Данная концепция позволяет интерпретировать все известные эффекты рассеяния с единой позиции процесса поглощения и генерации фотонов, а также объяснить, почему днем небо голубое, а закат красный.

Литература.

  1. Ульянов С. В., Романов В. П.,  Уздин В. М. Рассеяние рентгеновского излучения на слоистых наносистемах с шероховатыми интерфейсами. НАНОСИСТЕМЫ: ФИЗИКА, ХИМИЯ, МАТЕМАТИКА, 2012, 3 (3), С. 110–122.
  2. Фетисов Г. В. Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ. / Под редакцией Л.А.Асланова. – М.: Физматлит. -2007. – 672 с.
  3. Шпилевский, Э. М. Академик Н. А. Борисевич: путь созидателя / Э. М. Шпилевский. – Минск: Беларус. навука, 2013. – 125 с.: ил.
  4. Курносова Л. В. “Рассеяние фотонов различных энергий на электронах” УФН 52. С.603 – 649 (1954).
  5. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Фотон.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи