Эффект Комптона

К теории эффекта Комптона тоже есть некоторые вопросы, в частности, к интерпретации двух ключевых фактов экспериментальной кривой: 1) рассеянию на свободных покоящихся электронах; 2) декларации наличия сильно (?) связанных электронов при энергии падающих жестких рентгеновских лучей более 1 Mev (?!). По первому факту надо заметить следующее. Во-первых, при реальных температурах вероятность даже для свободного электрона иметь нулевую скорость равна нулю и надо рассматривать произвольные движения электронов (реальное распределение). В частности, пик должен иметь отношение не к нулевой, а к наиболее вероятной скорости (а в атоме - к скорости связанных электронов в атоме, которая довольно велика). Во-вторых, было бы интересно подтвердить эффект на электронных пучках независимо по всем трем величинам (полный баланс): по углам, энергиям и количеству частиц. По второму факту заметим, что при заявленных больших энергиях странно не вырвать любой электрон (даже внутренний). Возможно, эффект Комптона (как и эффект Мессбауэра) должен рассматриваться для тела (или атома) как целого из некоторых резонансных условий (с учетом конкретных механизмов поглощения и излучения в атоме). Однако, все равно остаются неопределенности влияния движения электронов в атомах и влияния температуры на все три измеряемые в одном (!) опыте величины.

Казалось бы, для электромагнитных взаимодействий меньше всего должно быть оснований сомневаться в релятивистском уравнении движения

$${d{\bf P}\over dt} = e{\bf E} +{e\over c}[{\bf v}\times {\bf B}]$$

и, как следствие, в применимости релятивистских законов сохранения для процесса столкновения. Тем не менее сделаем ряд дальнейших замечаний по вопросу обоснованности релятивистского описания эффекта Комптона. Выше уже рассматривался ряд неопределенностей для столкновения шариков - аналога "бильярдной" модели Комптона. Будем анализировать опыты, приводимые в стандартных учебниках, например, [27,30,40]. Заметим, что если время совпадения моментов регистрации $\gamma$-квантов и электронов $\Delta t > 10^{-20}$ сек, то опыты не только не доказывают одновременность испускания частиц, но и не позволяют однозначно сопоставить частицы какому-либо одному акту рассеяния. Такая точность находится за пределами даже современных возможностей (то есть это пока вопрос "веры" и статистика здесь не поможет).

Называть электроны, участвующие в рассеянии, свободными - методически неверно, так как тогда их число должно быть в опыте постоянным. Однако, приходится считать это число разным в зависимости от угла рассеяния, а при достаточно малом угле рассеяния все электроны "оказываются" связанными. На самом деле все электроны участвуют в передаче импульса вследствие своего движения в атоме и забирают у $\gamma$-кванта часть энергии, так как они в атомной системе были связанные.

Ряд моментов неочевиден в теории эффекта Комптона. Например, какова роль рассеяния на более крупных чем электроны частицах - на ядрах (то есть возможна ли интерференция и ее влияние от рассеянного на ядрах излучения?)? Почему в эксперименте с литием отсутствует несмещенная линия (Комптон, Ву), ведь она должна быть всегда, например, от рассеяния на ядре? Почему для всех веществ существует не один смещенный пик, а два, располагающихся почти симметрично относительно исходной линии?

Кроме того, все треки не визуализуются как в идеальной теории, а лишь восстанавливаются с помощью вспомогательных средств и интерпретаций, то есть при проверке законов сохранения мы имеем дело со статистическими гипотезами. В экспериментах нет оценок вероятности двойных рассеяний от образца, хотя она может иметь заметную величину, и нигде не оценивается роль многократно рассеянного "фона" от всех частей экспериментальной установки. Точность экспериментов даже по определению сечения рассеяния невысока $\sim 10\%$ (причем это статистическая точность!). При этом выбираются наиболее презентабельные (выгодные для теории) случаи. Например, в опыте Крэйна, Гертнера и Турина из 10000 фотографий выбрано 300 случаев (не мало ли?) и декларируется совпадение данных для сечения рассеяния с формулой Клейна-Нишины-Тамма. В случае больших толщин образцов (Кольрауш, Комптон, Чао) очевидно, что надо учесть влияние двойных рассеяний. Аналогично очевидно из схемы эксперимента, что в опыте Сцепези и Бея количество двойных рассеяний того же порядка, что и одинарных. При отсутствии учета этого факта весьма сомнительна заявляемая точность $17\%$. Вызывает недоумение, когда в опыте Гофштадтера делаются декларативные поправки (подгонки) вследствие влияния разных факторов. При этом после всех корректировок (подгонок до $30\%$!) декларируется точность $15\%$.

На самом деле, во всех опытах выделяются не направления разлета, а фиксируется попадание в определенное место пространства. Следовательно подтвержденность экспериментами интерпретации СТО достаточно сомнительна. Например, в опыте Кросса и Рамзея почти половина точек с учетом заявленных пределов допусков лежит вне теоретической кривой. Обращает на себя внимание тот факт, что при выведении регистрирующего прибора из плоскости рассеяния число совпадений в актах рассеяния остается значительным: более чем в три раза превышает фоновое значение. Также весьма странно сравнивать эксперименты Скобельцина с теорией используя отношение количества частиц, рассеянных на разные углы $N_{0^{\circ}}^{10^{\circ}}/N_{10^{\circ}}^{20^{\circ}}$. Ведь каждая из этих величин (и числитель и знаменатель в отдельности) есть некоторые усредненные (эффективные) величины. А как можно в общем виде без привлечения теории флуктуаций сопоставить отношение средних величин (два эксперимента) с отношением истинных величин (теория)?

Для более полного теоретического обоснования эффекта Комптона нужен не один коллиматор для падающих частиц, а три коллиматора для выделения еще и каждого вида рассеянных частиц по узким направлениям. Нужны также поглотители, убирающие фон. Тогда останется "только" проблема фильтрации всех частиц по энергиям. Таким образом, даже такой казалось бы чисто релятивистский эффект как эффект Комптона не является экспериментально полностью проверенным.