Главная >> Разное >> Перпетуум мобиле или квантовомеханические системы атомов

Перпетуум мобиле или квантовомеханические системы атомов. Часть 2

10. Итак, электроны в атоме не “наматывают” постоянно круги в поле центральных сил ядра, а совершают в этом поле колебания, в процессе которых происходит непрерывный переход кинетической энергии электрона в пондеромоторную энергию поля и обратно.
 
С позиций классической физики подобное утверждение совершенно лишено “здравого смысла”. В системе, состоящей из двух разноименно заряженных частиц – электрона и ядра атома, колебания электрона не возможны, как, впрочем, не возможны и никакие иные силы, кроме сил электростатического и гравитационного взаимодействия. И, тем не менее, мысль о существовании в атоме пондеромоторного поля является не предположением, требующим доказательства или опровержения. Эта мысль является умозаключением достоверности, истинность которого обоснована фактом бытия атома:  поскольку атом существует в продлении вечности, постольку в атоме существует и пондеромоторное поле, как необходимое условие его бытия.


После уравнения Шредингера, за которым стоит весь опыт современной квантовой механики, вопрос состоит теперь в том, обнаруживает ли себя эта новая форма материи не опосредовано, а непосредственно, в специально поставленном опыте?
 
11. Если раскаленные добела твердые вещества дают, как известно,  сплошной спектр излучений, то “пылающие” разреженные газы, разогретые или возбужденные электрическим разрядом, дают совершенно иной спектр.  Анализ их излучения, по существу спектров излучения отдельных атомов, показывает, что в спектре отсутствует свет большей части цветов, а имеются лишь очень узкие и очень яркие полоски определенных цветов, т.е. спектр состоит из ярких “линий”, каждой из которых соответствует практически одна длина волны. У каждого газа есть свой характерный набор линий. Длины волн ярких спектральных линий имеют вполне определенную величину для атомов каждого элемента. Линии каждого элемента группируются вдоль спектра в правильные серии с переменным шагом, так что в расположении каждой серии явно наблюдается некоторая система.
 
Изучая линейчатый спектр атома водорода, швейцарский ученый И. Бальмер установил (1885) правило, отражающее такую систему. Бальмер установил [2], что длины волн  λ известных к тому времени девяти линий спектра атома водорода удовлетворяют эмпирически подобранной им формуле

где R` = 10973731,77 м<sup>-1</sup>.
Константа R` была определена шведским ученым Й. Ридбергом и называется постоянной Ридберга. Поскольку λ = c/v, то формулу (19) можно переписать относительно частот v:

где  R=R`c = 3,2931193*10¹⁵ c^-1– так же называется постоянной Ридберга.
В начале ХХ века в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра атома водорода было обнаружено еще четыре серии спектральных линий, обнаруживающих аналогичную закономерность. Это обстоятельство позволило все серии в спектре атома водорода описать одной формулой, справедливо названной обобщенной формулой Бальмера:

где  m в каждой серии имеет постоянное значение m = 1, 2, 3, 4 (определяет серию), а n принимает целочисленные значения, начиная с  m + 1 (определяет отдельные линии этой серии).
Согласно закону излучения Планка, атом водорода излучает электромагнитную энергию квантами. Поэтому, умножив правую и левую части уравнения (21) на постоянную Планка h , получим обобщенную формулу Бальмера относительно энергий спектральных линий:  

В результате применения квантового закона излучения, обобщенная формула Бальмера приобрела ту выразительность, которая позволяет однозначно определить ее физический смысл: излучение или поглощение атомом кванта энергии hv есть процесс изменения его внутренней энергии. При этом изменение внутренней энергии атома следует понимать как дискретный переход атома из одного энергетического состояния W_m в другое состояние W_n, так что при поглощении атом переходит в состояние большей энергии, при излучении – в состояние меньшей.
Поскольку значения  m и n  образуют ряд целых чисел, начиная с 1, то это позволяет свернуть уравнение (22) таким образом, что энергия атома водорода в n-м состоянии, с точностью до произвольной аддитивной  постоянной, выразится формулой:

Из уравнения (23) следует, что значения внутренней энергии атома водорода, которые он может принимать в результате излучения или поглощения электромагнитной энергии, образуют дискретный ряд “разрешенных” значений:

Таким образом, применение к линейчатым спектрам атомов квантового закона излучения приводит нас к мысли, что всякий атом представляет собой систему, основная особенность которой состоит в том, что взаимодействия с внешней средой не могут изменять ее внутреннюю энергию непрерывно, по произволу внешней среды. Внутренняя энергия атома может изменяться только дискретно. Закон дискретности обусловлен структурой атома и для атома водорода выражается формулой (23).
Однако мысль эта является только предположением, ибо остается сомнение, а не является ли дискретный характер изменения энергии атомов специфической особенностью их взаимодействий с лучистой энергией. Требовалось опытное подтверждение, что дискретный характер изменения внутренней энергии атомов сохраняется и при других взаимодействиях, и такое подтверждение было получено немецкими физиками Дж. Франком и Густавом Герцем в средине 1913 года.    
12. Франк и Герц изучали столкновения атомов с электронами при различных значениях кинетической энергии электронов. Ими было твердо установлено [3], что в зависимости от величины кинетической энергии электронов, атомы могут сталкиваться как упруго, так и не упруго. Атомы ртути сталкиваются упруго, если энергия электронов не превышает eφ<4,86 эВ. Но как только энергия электронов достигает значения 4,86 эВ, начинают происходить неупругие столкновения, в результате которых электрон полностью передает свою энергию атому и его скорость падает до нуля.
Таким образом, дискретный характер изменения внутренней энергии атома был подтвержден: атом либо вообще не воспринимает энергию, либо воспринимает ее, но только в определенных количествах.
Это было очень важным открытием, однако, зададимся вопросом, а что представляет собой атом, как объект столкновений с электроном? Если атом представляет собой совокупность ядра и электронов, объединенных силой кулоновского притяжения, то при столкновении его в опытной установке с эмиссионными электронами необходимо должны происходить либо упругие  электрон/электронные столкновения без обмена энергией, либо столкновения  ядро/электронные, с неизбежной аннигиляцией атома. Учитывая разницу в геометрических размерах электрона и ядра, именно эти разрушающие атом столкновения должны иметь подавляющее преимущество. Однако атомы не разрушались, следовательно, эмиссионные электроны сталкивались не с ядром и электронами атома, а с некоторой физической реальностью, которая является системообразующей основой атома, т.е. с пондеромоторным полем атома. Столкновением с этим полем электроны и передают свою энергию атому.  
Таким образом, опыты Франка – Герца не только доказали, что атом является дискретной системой, но и обнаружили в атоме существование некоторой, совершенно неизвестной ранее, физической реальности. Однако этот объективно выявленный факт не только не получил должного развития, но и, судя по всему, физической наукой не был даже замечен.

13. Американский физик А. Комптон, повторив (1922 – 23) опыты Франка – Герца, обнаружил, что атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией eφ=4,86 эВ, становятся источником излучения одной ультрафиолетовой линии с λ=254 нм. Это следует понимать так, что атомы ртути, получившие при столкновении с электронами квант энергии eφ=4,86 эВ, переходят в возбужденное состояние и для возвращения в основное “сбрасывают” этот квант, излучая фотоны соответствующей длины волны λ=254 нм. Из чего необходимо следует, что фотон, как объект материального мира, представляет собой  физический  квант действия h  .
Как квант действия h, все фотоны одинаковы, но, являясь одинаковыми по действию, они, согласно  закону излучения Планка W=hv, различны по величине свойственной им энергии.
Согласно уравнению (2), энергия действия h определяется продлением действия по времени T. Поскольку частота фотона v=1/T, то для каждого фотона продление кванта действия по времени равно T=1/v, следовательно, энергия физического кванта действия равна

Из чего следует, что фотон представляет собой не только неизменный квант действия h, но квант действия с определенной интенсивностью его деятельного осуществления, т.е. фотон является и определенным квантом энергии.
Учитывая, что скорость фотона в вакууме равна c, а продление действия по времени T, получим зависимость энергии физического кванта действия от его протяжения по пространству в линейных размерах λ

Исходя из опытов по отражению света от неподвижных зеркальных поверхностей, по дифракции света, можно сделать вывод, что квант действия h не имеет преимущественного протяжения по пространству, следовательно, можно предположить, что физически он представляет собой шар невещественной материальности диаметром λ.
 
Таким образом, квант действия h не следует рассматривать только как некоторую конечную величину в процессе вычислений – универсальную  постоянную физического мира. Квант действия h – это, прежде всего, физический объект, фотон, который представляет собой некую невещественную материальность, локализованную по пространству, как единое и неделимое целое, которое движется в вакууме с абсолютной скоростью , являясь определенным квантом энергии.   
 
Именно физическая целостность фотона твердо определяет его основное правило  взаимодействия с веществом: фотон никогда не взаимодействует частью себя, фотон всегда взаимодействует “нацело”. Из чего необходимо следует, что фотон неуничтожим, и, именно, неуничтожимостью своего бытия, так сказать,  “инстинктом самосохранения” это правило и обусловлено. Говоря иначе, из основного правила необходимо следует, что фотон представляет собой квантовую h-систему, которая во всех взаимодействиях своими собственными причинами сохраняет себя, как неизменный квант действия h.
 
 Поскольку скорость фотона конечна, а фотон локализован по пространству, то взаимодействие фотона с веществом не происходит мгновенно. Взаимодействие фотона необходимо представляет собой процесс, имеющий протяжение по пространству и продление по времени. Поэтому с точки зрения взаимодействия, как процесса деятельного осуществления кванта действия h, физический смысл λ – это протяжение взаимодействия по пространству (Δl), а T – продление взаимодействия по времени (Δt).     

14. Вместе с тем, в исключительно тонких опытах русский физик П. Лебедев показал (1899 – 1910), что поток излучения оказывает на вещество давление, величина которого пропорциональна плотности энергии излучения. Опыты Лебедева показали, что давление света на поглощающую стенку равно количеству энергии  в единице объема излучения. Этот факт позволил Эйнштейну получить соотношение, связывающее энергию излучения W с величиной импульса p, который сообщается веществу при поглощении:

Но если импульс веществу сообщается, а излучение представляет собой поток фотонов, следовательно, импульсом обладает фотон. Сравнивая (25) и (26), получим соотношение между линейными размерами фотона и его импульсом

Давление, которое испытывает вещество при поглощении фотонов, не виртуальное, а действительно существующее, закручивающее крутильные весы. Следовательно, в процессе поглощения фотона, длительность которого равна T, на крутильные весы действует некоторая сила F, сообщая им импульс, равный

И источником этой силы может быть только фотон.
Импульс, по определению, – это количество движения частицы массой m, движущейся со скоростью v. Но фотон субстанционально осуществлен невещественной материальностью, а потому массу, а, следовательно, и импульс иметь не может, но поскольку имеет, то формально, по аналогии с вещественными частицами, его определили как

где m_Ψ - масса фотона, величина которой определена так, чтобы удовлетворять соотношению (27). Откуда найдется замечательное соотношение Эйнштейна:

15. Таким образом, в фотоне имеют место быть две группы признаков, но не корпускулярных и волновых, как принято считать, а энергетических и пространственно-временных. Отличительная особенность этих признаков состоит в том, что они характеризуют различные стороны корпускулярности фотона.
Первую группу образуют признаки, которые характеризуют квант действия h как процесс достижения результата. К ним относят протяжение взаимодействия по пространству λ, продление взаимодействия по времени T, и скорость взаимодействия c, т.е. те признаки, которые принято считать волновыми.
Вторую группу образуют признаки, которые характеризуют квант действия h с точки зрения результата взаимодействия с веществом. К ним относят массу, энергию и импульс фотона, т.е. собственно корпускулярные признаки.
Вполне очевидно, что процесс достижения результата предшествует и подготавливает результат, а потому пространственно-временные признаки фотона необходимо обуславливают его энергетические признаки. Течение же процесса взаимодействия, отдельные его этапы оказываются принципиально недоступными непосредственному наблюдению, составляя информационно замкнутый цикл внутренних изменений фотона, хотя именно эти изменения и синтезируют различные физические явления, в которых проявляются те или иные свойства фотона, следовательно, свойства самого “вещества” фотона. Но поскольку мы рассматриваем фотон в контексте квантовомеханической системы атома, то нас, прежде всего, интересует его основное правило  взаимодействия с веществом – правило взаимодействовать “нацело”.      
16. Фотон, о котором идет речь, был получен в результате неупругого соударения эмиссионного электрона с атомом ртути. В этой связи, неужели мы позволим себе думать, что этим случайным столкновением атом и электрон “сотворили” его из небытия. Не правильнее ли будет думать, что соударением электрон “выбил” или “освободил” фотон из пондеромоторного поля атома, в котором он уже существовал и существовал так же долго, как и сам атом ртути. Именно “выбил” или “освободил”, как часть материи атома, ибо предполагать, что излучение фотона веществом имеет электродинамическую природу, после исследований Планком теплового излучения твердых тел [4] и работ Бора по моделированию атома [5], непозволительно вообще.
Поскольку эмиссионный электрон взаимодействует непосредственно с  пондеромоторным полем осциллятора, то движение электрона в процессе соударения необходимо определяет уравнение (5), при том условии, что неупругое соударение является событием финитным. Поэтому, при значении кинетической энергии W=4,86 эВ скорость электрона в момент соударения
ν=13,07*10⁷см/сек,                                                                      
протяжение соударения по пространству                                                             
l=0,882*10^-8см ,                                                                      
а продление соударения по времени
T=0,135*10^-15сек.
Для сравнения [6], радиус атома ртути принимают равным r=1,6*10^-8см.
Поскольку в результате соударения осциллятор излучил квант энергии, то его полная энергия W  уменьшилась и стала равной

Таким образом, при неупругом соударении мы, фактически, имеем дело с опосредованным взаимодействием эмиссионного электрона с электроном  осциллятора. Взаимодействием, при котором полная энергия этого электрона уменьшилась на квант излученной энергии, следовательно, атом не только не получил энергию, но и потерял ее, так что при достаточно длительном повторении таких соударений  вся энергия атома перейдет в излучение, и наступит “смерть” атома. Однако “смерть” атома не наступает, следовательно, формула (32) не точна: при неупругом соударении излучение фотона происходит без изменения внутренней энергии атома. Механизм такого сохранения следует искать, очевидно, в природе пондеромоторного поля.

Перпетуум мобиле или квантовомеханические системы атомов. Часть 3

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: