Электромагнитное излучение и его квантовая сущность
Никто уже давно не сомневается, что свет – это поток фотонов. Фотоны представляют собой электромагнитные колебания определенной частоты по общепризнанной модели.
Обычный белый свет представляет собой смесь колебаний различных частот. Это так называемый видимый спектр. Он занимает частоты от 400 до 790 терагерц или имеет длины волн от 740 нм (красный) до 380 нм (фиолетовый). Фиолетовая составляющая видимого спектра имеет почти в два раза большую частоту, чем красная. Мы можем видеть все составляющие этого спектра. Носителем энергии этого излучения являются фотоны с энергией от 3.26 эВ до 1.68 эВ.
В общем реестре все виды электромагнитных излучений имеют, примерно, следующий порядок по убыванию длины волны.
Естественно это не строгое распределение излучений и не все его виды. Границы их размыты. Для нас важен факт убывания длины волны и возрастания частоты по направлению к вынужденному излучению. В данном списке излучений самые длинные волны у радиоизлучений.
В список внесено излучение нейтрино, так как, по мнению автора, это и есть минимальный кусочек энергии, то есть квант. Рассмотрим более внимательно шкалу данных излучений.
Из таблицы видно, что энергия излучения возрастает с ростом частоты. Следовательно, зависимость величины энергии фотонов излучения подчиняется соотношению E=hv.
Но когда мы рассматриваем реликтовое излучение, то видим, что его величина энергии не подчиняется этой закономерности. Его температура оказывается близкой к 2,725 К. Это очень маленькая энергия по отношению, например, к инфракрасному излучению. Температуру инфракрасного излучения каждый может ощутить, став около костра. Получается все с точностью наоборот. Реликтовое излучение должно нас уже давно зажарить, а инфракрасное излучение должно быть на много холоднее реликтового. Что-то тут не так. Либо мы неверно вычисляем энергию фотонов, либо не в таком порядке расположены данные виды излучений.
Если принять нижнюю границу радиоизлучения 0,1 мм и соответствующий ей фотон с энергией 12.4*1010-15 эВ и сравнить ее с верхней границей видимого спектра 740 нм = 0.74*10-3 мм, где энергия фотона равна 1.68 эВ, то увидим, что подсчет энергии по формуле E =hv в данном случае не работает.
Энергия фотонов вынужденного и спонтанного излучений тоже вычисляется по формуле Планка, но это собирательный вид излучений по той причине, что любое излучение может быть либо спонтанным (по неизвестной нам причине), либо вынужденным (мы понимаем, что является причиной излучения, и мы можем провоцировать это излучение).
И еще одно соображение. Если не принимать во внимание нейтрино, то можно сказать, что самой высокой частотой (согласно общепризнанной модели) обладает реликтовое излучение, а, следовательно, самой большой энергией. Меньшей энергией обладает ионизирующее излучение, еще меньшей – гамма-излучение и так далее по линейке излучений.
Такое распределение энергии излучений, как будь то, подтверждается тем фактом, что излучения этих видов обладают соответствующим свойством проникать через различные вещества. Большей проникающей возможностью должно обладать реликтовое, но данных по проницаемости этого излучения найти не удалось.
Гамма-излучение больше всего проявляется в ядерных реакциях и для экранизации его требуются определенные усилия. Меньшей проникающей возможностью обладает рентгеновское излучение. Оно, например, хорошо проходит через мягкие ткани человека и плохо проходит через костные ткани. Ультрафиолетовое излучение проникает только в тончайший слой кожи человека. Видимое излучение проникает через определенные вещества примерно так же, как ультрафиолет. Например, яркий свет проникает через веки человека.
И это кажется логичным, чем короче фотон, тем легче он проходит через препятствие. Его энергии недостаточно, вступить во взаимодействие с определенной средой и быть ее поглощенным (например, ткани человека). А минимальный (одиночный) квант – это не что иное, как нейтрино, проходит через все вещества почти беспрепятственно. Реликтовое излучение такое холодное потому, что его короткие фотоны не могут привести в колебательное движение электроны до более высоких температур.
Вот в этом месте и кончается подтверждение факта возможности проникновения фотонов через вещества в соответствии с величиной их энергии. Уже инфракрасное излучение глубже проникает в вещество, прогревая его, а микроволновое излучение очень быстро проникает в кастрюлю по всему ее объему и кипятит в ней воду.
Можно ли на основании этого сказать, что энергия микроволнового излучения больше, чем энергия видимого излучения? Нет. Поставьте соответствующую линзу над кастрюлей и солнце ее быстро вскипятит. С другой стороны, судя по частоте, можно ли сказать, что энергия видимого или микроволнового излучения в миллиарды или на 15 порядков больше, чем энергия радиоволнового излучения? Думается – нет.
Радиоволновое излучение в телефоне детекторного приемника механически колеблет мембрану, для этого требуется соответствующая энергия. Таких приемников может быть нагружено на один передатчик довольно много и их общая мощность может быть, если уж не такой и большой, то и не исчезающе малой.
Следующее. Если мы расположимся в темной комнате, то сможем обнаружить в ней гамма-излучение при расположении источника излучения вне комнаты. Также можем обнаружить рентгеновское излучение, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение всех видов при помощи приемников. Но видимый спектр (окошек нет) в комнату не попадет.
Оказывается, что проникающая способность не зависит от энергии фотонов. Этот феномен не разрешается и при перевороте шкалы энергии фотонов наоборот, то есть полагать, что энергия фотона тем больше чем больше его длина.
А почему же тогда фотоны видимого и близких к нему спектров оказались плохо проникающими через множество веществ, в то время как фотоны других спектров легко проникают через данные вещества? Ответ прост. Данные вещества содержат электроны резонансные для фотонов видимого спектра. Вот стекло таких электронов не содержит и свет через него проходит свободно.
Тогда чем же объяснить, что вещества содержат резонансные электроны именно для видимого спектра? Ответ, который может обескуражить кого угодно. Мы живем в данном временном интервале, о чем рассказано в статье о физической сущности времени.
Наша солнечная система, а может быть наша галактика или даже вселенная, движется именно с такой скоростью, при которой формируются в большей части, именно такие фотоны, близкие к видимому спектру. Это рабочие фотоны им надо излучатся и поглощаться. Реликтовому излучению в этом диапазоне делать нечего. Вот когда наша скорость снизится до реликтовых частот, тогда видимый спектр будет проникать через все лучше рентгеновских фотонов. Или если наша скорость возрастет до коротких радио фотонов, то передачи на этих частотах в комнате мы не услышим, но зато будет светло даже без окон и будем принимать длинные волны.
Все эти сомнения и не дают уверенности в том, что энергия фотона задается его частотой. Да к тому же мы путаем частоту излучения и частоту фотона.
Градация излучений по частоте, по способам их получения ничего не говорит о структуре этих излучений. Предполагается, что зеленый цвет имеет такую-то частоту, жесткое рентгеновское излучение имеет такую-то частоту и так далее. А в действительности зеленый цвет или рентгеновское излучение могут иметь множество различных оттенков.
Это замечательное свойство фотонов показывает, что энергия фотонов не зависит от частоты, излучатель может генерировать фотоны различной энергии одной и той же частоты электромагнитного излучения. Энергия потока излучения зависит от частоты излучения, так как в потоке фотоны могут следовать с различным периодом.
В нашем случае самый длинный элементарный фотон 3, он имеет, например, длину 200 квантов. (Рисунок 2).
Другие элементарные фотоны, составляющие пакет фотона, содержат меньшее количество квантов. Но при другом режиме генерации можно получить пакеты другой длины. Если ускорения электронов при генерации будут большей величины, то и фотоны будут длиннее (200), при меньшем ускорении пакеты будут короче (100 или 50), а следовать они могут с одной и той же частотой.
Подтверждением такого поведения фотонов служат явления яркости и контрастности излучений.
Понятно, что наборы фотонов могут содержать различное количество и качество элементарных фотонов для различных режимов излучения. Саму длину волны задает источник излучения.
Любой LC контур может генерировать любую интенсивность потока излучения при одной и той же частоте. Усредненные напряженности электрического и магнитного полей фотонов представляют классические величины векторов E и H. Чем толще пакет, тем больше напряженности E и H, тем больше модуль вектора Пойтинга, а, значит, и больше плотность энергии, протекающей через единицу площади.
Конечно, многих будет смущать в процессе излучения, отсутствие наличия отрицательных направлений потоков энергии. Все привыкли к синусоидальному методу передачи электромагнитной энергии, есть и плюс, есть и минус. По этому поводу можно сказать одно: “Попробуйте перекачивать нефть или воду, двигая ее туда и обратно”. У вас ничего не получится.
На практике бывает только так: поршень, протолкнув жидкость в трубу, возвращается обратно без жидкости. Точно такая же ситуация и с электромагнитной энергией. Электроны при движении в одном направлении передающей антенны излучают фотоны, то есть разгружаются от энергии, а при движении в обратном направлении поглощают фотоны, поставляемые из колебательного контура.
Излучившийся фотон из электрона освободил определенное место для точно такого же фотона, то есть электрон стал резонансным для следующего фотона. Цикл повторяется.
Не все электроны антенны излучают элементарные фотоны в данный период, а только те, которые ускоряются. Те, которые тормозятся, напротив, поглощают другие элементарные фотоны, получившие энергию от источника. Это и не дает возможность даже в резонансной системе получить коэффициент полезного действия 100%. В дальнейшем цикле некоторые заторможенные электроны (возможно даже все) будут участвовать в генерации следующей волны.
Чем меньше L и C тем короче путь пробега у электронов, тем короче они генерируют элементарные фотоны. Короче становятся пучки элементарных фотонов, образуя средне волновые фотоны, далее коротко волновые фотоны и т.д. В магнетроне LC-контур представляет собой трубочку с продольной прорезью или даже кольцо. Это микроволновое излучение.
Эти виды фотонов формируются рукотворно при помощи контура. Подача на контур разнообразных видов напряжений приводит к соответствующей модуляции потока фотонов. Обычно это синусоидальный сигнал, который затем модулируется звуковым сигналом, видеосигналом и сигналами синхронизации. В радиолокации поток фотонов часто модулируется прямоугольными импульсами различной скважности.
Инфракрасные фотоны человек формирует в большинстве случаев при помощи химии, в частности окислительных реакций, что-нибудь сжигая. При вступлении молекул в химические реакции электроны переходят от одного атома к другому, сталкиваются друг с другом, получая определенные ускорения. Их пробег значительно меньше, нежели в искусственном контуре, импульс силы меньше чем в контуре и, соответственно, генерируются более короткие элементарные фотоны. В результате этого фотоны инфракрасного излучения короче, чем радио фотоны. При увеличении числа столкновений, амплитуды движений электронов уменьшаются, вследствие чего элементарные фотоны становятся короче, и частота излучений растет до видимого спектра и ультрафиолетового.
Данные виды излучений мы получаем и в электрических цепях. Обычная электрическая лампочка генерирует фотоны видимого, теплового, ультрафиолетового и других диапазонов. Казалось бы, колебания напряжения сети 50 гц должны бы генерировать фотоны, соответствующие частоте 50 гц, потому что импульс силы на электрон действует в течение, примерно, 1/25 сек. Так бы оно и было, если бы нить накаливания была бы определенных параметров по размерам и при наличии в ней сверхпроводимости. В этом случае электроны пробегали бы в режиме ускорения соответствующий путь и соответствующей длины излучались бы элементарные фотоны. Мы бы и получили фотон, соответствующий частоте 50 гц.
При изменении сопротивления нити накаливания в сторону увеличения, изменяется путь пробега электронов, начинают появляться более короткие элементарные фотоны, а длинные начинают исчезать. Система начинает генерировать сверхнизкие частоты. Дальнейшее увеличение сопротивления, приведет к появлению низких частот, потом средних частот, высоких, микроволновых, инфракрасных, оптических, ультрафиолетовых частот. Вольфрам имеет такое сопротивление, что мы и наблюдаем основные излучения от микроволнового до ультрафиолетового.
Обычно в каждом режиме излучения в большей или меньшей мере присутствуют фотоны почти всех видов излучений. Это очень ярко выражено в наличии тепловых шумов в радиосвязи или реликтового шума в космической связи.
Рентгеновские фотоны короче фотонов, генерируемых свободным движением электронов вещества. Свободное движение ограничивалось свойствами веществ, участвующих в этом процессе. В организации рентгеновского излучения присутствует принудительный процесс. Мы выбиваем электрон, провоцируем его движение, и тут же сразу тормозим его. Этим мы можем сделать пробег электрона значительно короче его свободного (теплового) движения. Чем резче мы тормозим электрон, тем жестче рентгеновское излучение мы получаем.
Гамма фотоны провоцируются взаимодействием продуктов расщепления ядра с электронами. В этом случае генерируются еще более короткие фотоны.
Выводы
Из вышесказанного можно сделать вывод, что привязывать энергию фотона к частоте излучателя, не всегда оправдано. В фотоне присутствует всегда одна частота, частота следования электрических и магнитных вихрей в кванте. Фотоны различной мощности могут следовать с различной частотой, определяя мощность или интенсивность излучения.
Кроме того, в практическом плане интенсивность излучения зависит и от мощности генератора этого излучения. Клистрон и магнетрон могут излучать один и тот же спектр, но поток фотонов клистрона значительно слабее потока фотонов от магнетрона.
Если взять энергию излучения, например, в 1000 квантов, то она может передаваться с различными частотами. Когда кванты (минимальные элементарные фотоны) следуют через какое-то сечение со скважностью в 1 миллисекунду, то мы фиксируем частоту излучения 1 кГц. При группировке квантов в элементарные фотоны (напомним, элементарный фотон – это излучение одного электрона) по 10 штук, эту же энергию в 1000 квантов, через это сечение за 1 секунду можно передать за 100 циклов, фиксируя частоту излучения 100 Гц. Группировка квантов в элементарный фотон по 100 штук даст частоту излучения в 10 Гц и так далее.
То есть, мы видим, что частота следования фотонов никак не подчиняется формуле Планка. Мало того даже при одной и той же частоте излучения мы получим различные энергии фотонов, если в процессе излучения будем задействовать разное количество электронов. По существу, мощность генератора и задает мощность излучения или энергию фотонов, в то время как энергия кванта это природное постоянное физическое явление.
Самим широким диапазоном излучений обладает абсолютно черное тело.