авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
-- [ Страница 1 ] --

Ф.М. КАНАРЁВ

ФИЗИКА МИКРОМИРА

Учебник

атом графита

………….2013

2

Канарёв Ф.М. Physics of a

microcosm.

It is the first textbook of Physics of a microcosm. In it

the substantiation of parameters and interactions of the basic

inhabitants of a microcosm is submitted: photons, electrons,

protons, neutrons, nucleus of atoms, atoms, molecules and

clusters.

The textbook is addressed to teachers and students of Physical and chemical faculties of universities and the per sons engaged in self-education in reception of new knowledge of a microcosm.

Copyright 2013. Kanarev Ph. M.

E-mail: kanarevfm@mail.ru http://www.micro-world.su/ 3 Ф.М. КАНАРЁВ ФИЗИКА МИКРОМИРА Учебник атом алмаза …………..2013 4 УДК 530. Канарёв Ф.М. Физика микромира.

Это первый учебник, посвящённый физике мик ромира. В нём представлено обоснование параметров и взаимодействий основных обитателей микромира: фото нов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, мо лекул и кластеров.

Учебник адресуется преподавателям и студентам физических и химических факультетов университетов, а также всем желающим заниматься самообразованием в получении новых знаний о микромире.

Copyright 2013. Канарёв Ф.М.

E-mail: kanarevfm@mail.ru http://www.micro-world.su/ СОДЕРЖАНИЕ Предисловие…........................................................... Введение…………………………………………….. 1.Размеры обитателей микромира……………… 2. Фотон…………………………………………… 2.1. Вводная часть…………………………………… 2.2. Корпускулярная теория фотона………………. 2.3. Теория движения фотона…………………..…… 3.Начальные элементы корпускулярной оптики 3.1. Вводная часть…………………………………… 3.2 Отражение и поляризация фотонов………… 3.3. Дифракция фотонов…………………………… 4. Электрон, протона, нейтрон…………..……… 4.1. Вводная часть ………………………………… 4.2. Радиус электрона ……………………………… 4.3. Кольцевая модель электрона………………… 4.4. Тороидальная модель электрона……………… 4.5. О модели протона……………………………… 4.6. О модели нейтрона…………………………… 5. Атомная спектроскопия………………………… 5.1. Вводная часть…………………………………… 5.2. Начало новой теории спектров………………… 5.3. Спин фотона и электрона………………..…… 5.4. Расчет спектра атома водорода……………… 5.5. Расчет спектров водородоподобных атомов… 5.6. Расчет спектра атома гелия…………………… 5.7. Расчет спектра атома лития…………………… 5.8. Расчет спектра атома бериллия………………. 5.9. Расчет спектра первого электрона атома бора… 5.10. Спектры валентных электронов ряда атомов.. Модели ядер атомов …………………………. 6.1. Общие сведения о ядрах……………………… 6.2. Структура ядра атома водорода……………… 6.3.Структура ядра атома гелия………………..… 6.4.Структура ядра атома лития…………………… 6.5.Структура ядра атома бериллия……………… 6.6.Структура ядра атома бора…………………… 6.7.Структура ядра атома углерода………………… 6.8. Структура ядра атома азота…………………… 6.

9. Структура ядра атома кислорода……………… 6.10.Стрктура ядра атома фтора…………………… 6.11. Структура ядра атома неона………………… 6.12. Структура ядра атома натрия………………… 6.13. Структура ядра атома магния………………… 6.14. Структура ядра атома алюминия…………… 6.15. Структура ядра атома кремния……………… 6.16. Структура ядра атома фосфора……………… 6.17. Структура ядра атома серы…………………… 6.18. Структура ядра атома хлора………………… 6.19. Структура ядра атома аргона……………….. 6.20. Структура ядра атома калия………………… 6.21. Структура ядра атома кальция……………… 6.22. Структура ядра атома скандия……………… 6.23. Структура ядра атома титана………………… 6.24. Структура ядра атома ванадия……………… 6.25. Структура ядра атома хрома………………… 6.26. Структура ядра атома марганца……………… 6.27. Структура ядра атома железа………………… 6.28. Структура ядра атома кобальта……………… 6.29. Структура ядра атома никеля………………… 6.30. Структура ядра атома меди.………………… 6.31. Анализ процессов синтеза атомов и ядер…… 6.32. Краткие выводы………………………….…… 7. Модели атомов и молекул…………………….… 7.1. Структура атома водорода…………………… 7.2. Модели молекулы водорода…………………… 7.3.Структура атома гелия ………………………. 7.4. Структура атома лития………………………… 7.5.Структура атома бериллия….………………… 7.6.Структура атома бора…………………………… 7.7.Структура атома углерода……………………… 7.8. Структура атома азота……………………….... 7.9. Структура атома и молекулы кислорода….… 7.10. Структуры молекул CO и CO2 …………… 7.11. Структура молекулы аммиака………………… 7.12. Структура молекулы воды и её ионов………… 7.13. Энергетика молекул кислорода, водорода и воды.. 7.14. Кластеры воды………………………………… 8. Термодинамика микромира………………… 8.1. Вводная часть………………………………… 8.2. Закон излучения абсолютно чёрного тела…… 8.3. Физический смысл тепла и температуры……. 8.4. Температура плазмы…………………………… 8.5. Различия между термодинамиками микро и макроми ра……………………………………………… 9. Введение в электродинамику и статику микромира 9.1. Вводная часть………………………………… 9.2. Плюс-минус, юг-север………………………… 9.3. Электроны в проводе с постоянным напряжением… 9.4. Электроны в проводе с переменным напряжением… 9.5. Принципы работы электромоторов и электрогенера- торов… 9.6. Принцип работы диода………………………… 9.7. Зарядка диэлектрического конденсатора…… 9.8. Разрядка диэлектрического конденсатора……… 9.9. Конденсатор + индуктивность……………… 9.10. Электростатика……………………………… 9.11. Физхимия электрической дуги……………… 9.12. Фотоэффект …………………………………… 9.13. Анализ эффекта Комптона…………………… 9.14. Передача и приём электронной информации … 10. Трансмутация ядер…………………………… 10.1. Альфа – распад………………………………… 10.2. Бета – распад…………………………………… 10.3. Искусственная радиоактивность ядер………… 10.4. Трансмутация ядер атомов в Природе…….. 10.5. Холодно-ядерный нагрев воды……………… 11. Научные проблемы энергоэффективности… 12. Вода – источник энергии……………………… 12.1. Вводная часть………………………………. 12.2. Анализ процесса нагрева воды……………… 12.3. Анализ процесса электролиза воды………… 12.4. Новая теория электролиза воды…………… 12.5. Анализ процесса питания электролизёра…… 12.6. Низкоамперный электролиз воды …………… 12.7. Вода, как источник электрической энергии… 13. Астрофизические явления и процессы……… 13.1. Вводная часть…………………………………. 13.2. Эффект Доплера …………………………….. 13.3. Спектр излучения Вселенной………………… 13.4.Анализ опыта Майкельсона - Морли ………… 13.5. Как родились планеты Солнечной системы… 14.. Главный закон материального мира……… 15. ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………… Литература ……………………………………… Приложение № 1 ……………………………… ПРЕДИСЛОВИЕ Оценка достоверности процессов и явлений, про текающих в микромире, значительно сложнее оценки достоверности процессов и явлений в макромире. Исто рия науки свидетельствует, что самыми первыми и самы ми надёжными критериями достоверности теоретических результатов научных исследований являются аксиомы – очевидные научное утверждения, не имеющие исключе ний и не требующие экспериментальной проверки своей достоверности.

Первые аксиомы точных наук сформулировал Евклид в III веке до нашей эры. Они до сих пор играют ведущую роль в точных науках. Однако в списке аксиом Евклида отсутствует главная, обобщающая аксиома - ак сиома Единства пространства, материи и времени. Совме стное существование пространства, материи и времени, как первичных элементов мироздания, и их независимость друг от друга – очевидный факт, не имеющий исключений и не требующий экспериментальных доказательств своей достоверности. Движение материального объекта в про странстве всегда сопровождается течением времени. Это научное утверждение имеет все черты очевидности и не имеет исключений, поэтому у нас есть основания назвать, совместное, не отделимое друг от друга состояние первых элементов мироздания, аксиомой Единства и использо вать её в качестве критерия при доказательстве достовер ности результатов научных исследований.

Отметим, человечеству потребовалось более 2-х тысяч лет, чтобы заметить не философскую, а естествен но-научную значимость аксиомы Единства и увидеть её судейские функции в оценке достоверности результатов научных исследований.

Формирование знаний о микромире начинается с формирования представлений о структурах и взаимодей ствиях его обитателей, которые имеют количественные характеристики, поэтому перед входом в микромир необ ходимо иметь четкие представления о масштабе единиц, в которых представляются такие характеристики.

Следующей важной особенностью при формирова нии новых знаний о микромире, является последователь ность представления информации о его обитателях. Она формирует логику научного мышления и помогает ис ключать противоречия, возникающие на пути познания.

Главный критерий достоверности знаний о микро мире - минимум или полное отсутствии противоречий в описании структур и - поведения всех его обитателей:

фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров. Новая научная информация об оби тателях микромира уже является, глубоко замкнутой со вокупностью новых знаний о нём. Это - главный крите рий их достоверности, который гарантирует неограничен ность срока существования фундамента этих знаний и полностью исключает возможность его разрушения в бу дущем. Будущие научные результаты будут углублять новую совокупность физических знаний.

Изложенные основные принципы построения учебника по физике микромира – необходимые условия для формирования новых, прочных и непротиворечивых знаний о нём.

ВВЕДЕНИЕ Под совокупностью понятий «Физика микромира»

будем понимать словесно-математическое описание ос новных обитателей микромира: фотонов, электронов, про тонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и их кластеров.

Главными критериями оценки близости к реальности опи сываемых процессов и явлений являются аксиомы и те постулаты, математические модели которых однозначно отражают результаты экспериментов.

Известно обилие статистической эксперименталь ной и теоретической информации об основных обитателях микромира. Методы формирования такой информации и критерии оценки её достоверности уже давно исчерпали свои возможности в познании глубин микромира. Эти ме тоды приводят к результатам волнового или вероятно стного характера поведения обитателей микромира. Од нако, в любом случае они – локализованные (ограничен ные в пространстве) образования, поэтому следующий этап познания микромира – раскрытие законов локализа ции его обитателей, а также законов формирования их внутренних структур и взаимодействий.

Давно существует необходимость разработки но вых методов познания микромира, которые позволяли бы получать информацию об индивидуальном поведении всех его участников, но её реализация оказалась не про стой задачей. И, тем не менее, она уже решена. В резуль тате появилась новая теория микромира, которая позволя ет описывать структуры, а также индивидуальное и кол лективное поведение: фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров. Новая ин формация о микромире является следствием нового ана лиза физической сути исходных научных понятий, на ко торых базируются наши знания об окружающем мире.

Главным исходным понятием, отображающим суть окружающего нас мира, является понятие пространство.

Не было бы пространства, не было бы ничего. Следую щими по важности являются понятия материя и время.

Обратим внимание на основные свойства физи ческой сути, заключённой в исходных научных понятиях:

пространство, материя и время. Прежде всего, нам из вестно, что в Природе нет таких явлений, которые бы могли влиять на пространство: сжимать его, искривлять или растягивать. Оно никому не подвластно, поэтому у нас есть все основания считать пространство абсолют ным, то есть независимым ни от чего.

Утверждение об относительности пространства, на котором базировалась теоретическая физика ХХ века, до сих пор не имеет однозначного экспериментального доказательства его достоверности, поэтому мы не прини маем его во внимание.

Следующее понятие – материя. Оно относится к понятиям с необозримой смысловой ёмкостью и поэтому исключается возможность его однозначного определения.

Материей можно назвать всё, что существует в простран стве: от элементарной частицы до галактики. Поскольку мы до сих пор не знаем источник, рождающий материаль ные объекты, то у нас нет пока оснований считать мате рию абсолютной, так как некоторые её образования могут возвращаться в состояние первоначальной разряжённой субстанции, из которой формируются элементарные час тицы.

Понятие время – самое загадочное. Тем не менее, нам известно, что в Природе нет таких явлений, которые могли бы влиять на время, ускорять или замедлять темп его течения. Поэтому у нас есть все основания считать время абсолютным – никому и ничему не подвластным.

Утверждение об относительности времени, на ко тором базировалась теоретическая физика ХХ века, не имеет ни одного прямого экспериментального доказатель ства его достоверности. Зафиксированное изменение темпа течения времени различными приборами в различ ных условиях отражает свойства самих приборов, но не факт изменения темпа течения времени. Поэтому мы по лагаем, что заблуждение об изменении темпа течения времени само собой уйдёт из сферы деятельности уче ных в раздел истории науки.

Итак, мы определились с содержанием и свойст вами первичных научных понятий, на которых мы будем базировать наши научные суждения.

Теперь мы обязаны найти независимого судью правильности использования этих понятий в научном поиске. Для этого ещё раз отме тим самые фундаментальные свойства первичных элемен тов мироздания пространства, материи и времени. Они существуют независимо друг от друга и в то же время вместе. Их разделить невозможно. Материя не может су ществовать вне пространства. Время может течь лишь в пространстве, содержащем материю. Значит, все три первичные элемента мироздания: пространство, мате рия и время, проявляя свою независимость, сущест вуют в неразделённом состоянии. Это свойство про странства, материи и времени имеет все черты очевидно сти и не имеет исключений, поэтому ещё раз подчерк нём, что у нас есть все основания назвать неразделимое существование пространства, материи и времени аксио мой Единства.

Дальше, анализируя результаты экспериментов с участием обитателей микромира, мы увидим, что все они ведут себя в рамках аксиомы Единства, а большинство физических теорий ХХ века, описывают их поведение, за рамками аксиомы Единства. Это – главная причина сформировавшихся неисчислимых противоречий в опи сании поведения обитателей микромира, из которых сле дует ошибочность многих физико-математических тео рий ХХ века.

А сейчас определим понятия: аксиома, постулат и гипотеза, которыми мы будем пользоваться в нашем на учном поиске.

Аксиома – очевидное утверждение, не требую щее экспериментальной проверки своей достоверно сти и не имеющее исключений. Поэтому достоверность аксиомы абсолютна. Она сама защищает её очевидной связью с реальностью.

Научная ценность аксиомы не зависит от её призна ния, поэтому игнорирование аксиомы Единства при теоретическом описании объектов исследования эквива лентно бесплодному теоретическому творчеству.

Постулат – неочевидное утверждение, достовер ность которого доказывается экспериментально или совокупностью теоретических результатов, следую щих из экспериментов. Достоверность постулата оп ределяется уровнем признания его научным сообще ством, поэтому его ценность не абсолютна.

Гипотеза – недоказанное утверждение, которое не является постулатом. Доказательство достоверно сти гипотезы может быть теоретическим и эксперимен тальным. Оба эти доказательства не должны противоре чить аксиомам и общепризнанным научным постулатам.

Лишь после этого гипотетические утверждения получают статусы постулатов, а утверждения, обобщающие сово купность аксиом и постулатов, – статус достоверной тео рии.

Итак, мы имеем критерии для оценки достоверно сти любого теоретического и экспериментального резуль тата. Это - аксиомы и постулаты. Если теория или ре зультат эксперимента противоречат хотя бы одной аксио ме, то их интерпретация автоматически становится оши бочной.

Если теория или результат эксперимента не проти воречат аксиоме, но противоречат постулату, признанно му научным сообществом, то мы обязаны проявить мак симальную осторожность при их использовании в науч ном поиске. Это обусловлено тем, что достоверность по стулата может быть относительной. В одних условиях он может давать достоверный результат, а в других - оши бочный. Появление такого случая в научном поиске – сигнал для всех, кто использует этот постулат в качестве критерия для доказательства достоверности своего науч ного результата.

История науки уже засвидетельствовала ошибоч ность давно используемого научного постулата, называе мого законом сохранения энергии, и мы детально проана лизируем физико-математическую суть этой ошибочно сти. Обнаруженное нами противоречие должно было дав но обсуждаться научным сообществом. Но этого не слу чилось. Это - урок будущим поколениям учёных, родив ший фундаментальное научное правило: не игнорировать явные научные противоречия, а искать их причины.

1. РАЗМЕРЫ ОБИТАТЕЛЕЙ МИКРОМИРА Все обитатели микромира – локализованные (огра ниченные в пространстве) образования, поэтому размеры каждого обитателя микромира и пределы их изменения главная исходная информация, формирующая правиль ные представления о нём.

Существует международная система единиц СИ, в которой даны названия множителям изменения физиче ских величин. Однако, в ней нет чёткого обозначения на чала отсчёта [5]. В результате названия множителей этой системы не содержат в себе интервалы изменения вели чин. Чтобы они соответствовали интервалам изменения величины, необходимо ввести начало в шкалу изменения множителей. Тогда появляются диапазоны, которые формируют более чёткие представления о меняющихся размерах обитателей макро и микро миров.

Обычно за начало отсчёта берут ноль. Поступим и мы так же. Вводим в таблицу множителей международ ной системы единиц ноль, как начало отсчёта, и сразу получаем диапазоны изменения величин с названиями, которые раньше соответствовали названиям множителей (табл. 1).

В результате понятие нано начинает характеризо вать не название множителя 10 9, а название диапазона изменения величины 10 6...10 9. Это важное новое свой ство понятия нано повышает логичность его использова ния. Дальше мы увидим, что размеры атомов, молекул и кластеров – основных участников нанотехнологий, изме няются в указанном диапазоне.

Таблица 1. Диапазоны изменения величин, их наименования и обозначения Диапазон Наименова- Обозначения изменения ние величин русское/междунар.

йота 21 10 зета З/Z 1018 10 экса Э/Е 15 10 пета П/Р 12 10 тера Т/Т 9 10 гига Г/G 6 10 мега М/М 3 10 кило к/k 10 2 10 гекто г/h 101 10 дека 0,0- 101 а/da 0,0 начало Начало/Start (H/S) деци д/d 0,0 санти с/с 10 1 10 милли м/m 10 2 10 микро мк/ 10 3 10 н/n 10 6 10 9 нано пико п/p 10 9 10 фемто ф/f 10 12 10 атто а/a 10 15 10 Поскольку в системе СИ в качестве единицы гео метрической длины принят метр, то множитель 1 10 9 м - одна миллиардная часть метра. Одну десятую милли ардной части метра ( 0,1 109 1,0 1010 м ) называют ангс тремом. Если обитатель микромира имеет размер, равный 1000 ангстрем, то мы можем записать его так 1000 10 10 м, а можем и так 1 10 7 м. Если же размер объекта микромира равен 0,001 ангстрема, то его можно 0,001 10 10 м или так 1 10 13 м. Что же записать так взять за основу, чтобы облегчить формирование пред ставлений о размерах обитателей микромира? Опыт по казывает, что удобнее всего все размеры записывать так, чтобы до запятой стояли простые числа от 1 до 9. В этом случае формируется чёткое представление о порядках размеров обитателей микромира и легче устанавливается диапазон, которому они принадлежат. Например, число 3,0 10 6 м означает, что размер объекта микромира равен трем миллионным метра и он соответствует нанодиапазо ну 1 10 6...1 10 9 (табл. 1).

Отметим, что основными величинами в системе СИ являются: длина (L), измеряемая в метрах (м);

масса (М), измеряемая в кг;

время (Т), измеряемое в секундах (с);

сила электрического тока (I), измеряемая в амперах (А);

термодинамическая температура ( ), измеряемая в кельвинах (К);

сила света (J), измеряемая в канделах (кд);

количество вещества (N), измеряемое в молях (моль).

Остальные единицы измерений считаются допол нительными. Главное, что нам необходимо запомнить:

энергия в системе СИ измеряется в джоулях (Дж), а в микромире используется внесистемная единица энергии электрон-вольт (эВ, eV). Один электрон-вольт равен 1,60210 10 19 Дж.

Носителями тепла и информации являются, в ос новном, фотоны, которые излучаются и поглощаются электронами и протонами, поэтому они также - участники всех нанотехнологий, а их размеры изменяются (рис. 1) от (1 10 18 м) атто диапазона до милли диапазона (1 10 м).

Рис. 1. Шкала диапазонов изменения размеров обитателей микромира Природа обитателей микромира такова, что все они изменяют свои геометрические размеры в определённых пределах. Например, все параметры фотона: длина волны, равная радиусу r, масса m, частота колебаний и энергия E f, изменяются в интервале, примерно, 16-ти по рядков (...1016 ).

Электрон в свободном состоянии всегда имеет строго постоянные параметры. Это постоянство обеспе чивается совокупностью 23 констант, управляющих фор мированием его структуры и её устойчивостью. Парамет ры электрона меняются только тогда, когда он находится в составе атома, молекулы или кластера.

Протон – локализованное образование. В свобод ном состоянии он также имеет строго постоянные пара метры. Они меняются только тогда, когда протон вступает в связь с нейтроном, при формировании ядра.

Нейтрон – также локализованное образование с постоянными параметрами, которые могут меняться при синтезе нейтронных кластеров.

Атомы, молекулы и кластеры (совокупности электронов, протонов нейтронов и молекул) – локализо ванные образования с меняющимися параметрами. Про цессом изменения этих параметров управляют фотоны, излучаемые и поглощаемые электронами атомов и прото нами ядер.

Итак, мы ввели диапазоны изменения единиц, их наименования и обозначения (табл. 1) и представили шкалу изменения диапазонов (рис. 1). Используем эти диапазоны для представления размеров основных обита телей микромира: фотонов, электронов, протонов, ней тронов, ядер, атомов, молекул и кластеров, и, таким обра зом, свяжем представления об их размерах с размерами, соответствующими системе СИ (табл. 1, рис. 1).

Введённый нами диапазон НАНО, соответствует параметрам обитателей микромира, изменяющимся в ин тервале 10 6 10 9 м. (табл. 1 и рис. 1). Это - диапазон изменения размеров атомов, молекул и кластеров. Одна ко, атомы соединяют в молекулы электроны, а их размеры находятся в ФЕМТО диапазоне (табл. 1 и рис. 1). Теоре тическая величина радиуса свободного электрона строго постоянна и равна re (theor ) 2,4263016 10 12 м. Она от личается от его экспериментальной величины в 6-м знаке после запятой re (exp er ) 2,4263089 1012 м. Размеры протонов, нейтронов и ядер находятся в ФЕМТО диапа зоне (1,2....1,5) 10 15 м. Носителями тепла и информации являются, в основном, фотоны, которые излучаются и по глощаются электронами и протонами. Их размеры изме няются от АТТО диапазона 1 1018 м до САНТИ диа пазона 0,50 101 м (табл. 1, рис. 1). Интересно отметить, что максимум излучения во Вселенной формируют фото ны с размерами 2 1,063 10 3 м. Это МИЛИ диапазон (табл. 1, рис. 1).

Итак, мы имеем информацию о размерах обитате лей микромира. Следующая задача – выявление структур обитателей микромира и описание их движений и взаимо действий. Наука уже накопила достаточно много экспе риментальной информации о главных обитателях микро мира: фотонах, электронах, протонах, нейтронах, ядрах атомов, самих атомах, молекулах и кластерах. В основе этой информации - математические модели, описываю щие результаты экспериментов. В этих математических моделях и скрыты структуры обитателей микромира.

Попытки фундаментальной науки выявить их продолжа ются более 100 лет, но заметных результатов долго не бы ло. Причина – игнорирование противоречий в теориях, с помощью которых интерпретируются результаты экспе риментов. Из этого следует необходимость проверки дос товерности теорий, с помощью которых интерпретируют ся результаты экспериментов.

Так как основным носителем информации о Миро здании, которую мы закладываем в своё сознание, являет ся фотон, то формирование знаний о микромире надо на чинать с изучения фотона.

2. ФОТОН 2.1. Вводная часть Фотон – главный носитель информации и главный носитель энергии представлен в старых физических тео риях лишь словом «фотон». Новая же теория микромира описывает структуру фотона, его движение в простран стве и - взаимодействие фотонов друг с другом и другими обитателями микромира.

В ХХ веке главное внимание уделялось электро магнитному излучению, состоящему из двух взаимно перпендикулярных синусоид, имитирующих изменение напряжённостей электрического Е и магнитного Н по лей, описываемых уравнениями Максвелла, (рис. 2).

Рис. 2. Схема электромагнитной волны Однако, новые экспериментальные данные поста вили такую структуру излучения под сомнение, так как она не позволяла получать ответы на многие вопросы, формирующие излучение. Поэтому пришлось вернуться к идее индийского учёного Бозе, который предположил в 1924 году, что излучаемое электромагнитное поле пред ставляет собой совокупность фотонов, которую он назвал идеальным фотонным газом.

Английский учёный Алан Холден представил со вокупность фотонов, формирующих волну, в виде шари ков (рис. 3). В результате возникла задача выявления внутренней структуры шариков, формирующих такую волну. Но эта задача оказалась достаточно сложной.

Рис. 3. Схема фотонной волны длиною Тем не менее, она была решена российской наукой и мы проследим последовательность её решения. Необ ходимость знания этой последовательности обусловлена тем, что на ней базируется вся последующая информация о формировании и поведении обитателей микромира. По этому изучению теории фотона надо уделить особое вни мание. Её математическое содержание многократно про ще математических теорий электромагнитного излучения, господствовавших в ХХ веке. Однако, образное представ ление физической сути, содержащейся в математических символах новой теории фотона, - сложнее.

В XX веке мало уделялось внимания пониманию физической сути излучений, поэтому сформировались условия, при которых математическое описание было по ставлено на первое место. Мы же на первое место ставим формирование физических представлений о структурах и поведении обитателей микромира при их взаимодействи ях, следующих из экспериментов, а математическое опи сание представляем, как инструмент интерпретации ре зультатов экспериментов.

Вполне естественно, что последовательность по знания структуры фотона надо базировать на давно из вестных математических моделях, которые описывают его поведение в различных экспериментах. Поскольку фотон ную волну (рис. 2) формируют фотоны (корпускулы, рис.

8), то теория, которая описывает их корпускулярные свойства, названа корпускулярной теорией фотона.

2.2. Корпускулярная теория фотона Фотон – локализованное (ограниченное) в про странстве образование, которое переносит энергию и информацию. Всё, что мы видим на этой странице, прино сят в наши глаза фотоны. Мы хорошо различаем контуры букв, запятые, точки. Это значит, что каждый фотон из их совокупности, несущей в наши глаза образы, например, точек, должен иметь размер значительно меньше точки.

Тогда их совокупность передаст чёткую информацию об объекте, от которого они отразились. Известно, что дли на волны световых фотонов изменяется в интервале 3,8 10 7...7,7 10 7 м (табл. 2).

Это значит, что размер каждого светового фотона, примерно, в 10000 раз меньше миллиметра. Он остаётся пока самым загадочным творением Природы. Долго не удавалось раскрыть структуру фотона, путем анализа необозримой экспериментальной информации о его по ведении, с помощью старых физических теорий. Главная причина такого состояния, как мы сейчас увидим, заклю чалась в том, что в реальной действительности фотон ве дет себя в рамках аксиомы Единства пространства - ма терии - времени, а физики пытались анализировать его поведение с помощью теорий, которые работают за рам ками этой аксиомы.

Таблица 2. Диапазоны шкалы фотонных излучений Диапазоны Радиусы фотонов Частота колебаний,, Гц излучений r,м 1. Реликтовый r 1 10 3 3 (макс) 2. Инфракрасный 3 10 4...7,7 10 7 10 12...3,9 10 3. Световой 7,7 10 7...3,8 10 7 3,9 1014...7,9 4. Ультрафиоле- 3,8 10 7...3 10 9 7,9 1014...1 товый 5. Рентгеновский 3 10 9...3 10 12 1017...10 6. Гамма 3 10 12...3 10 18 10 20...10 Начнем с анализа математических моделей, кото рые описывают основные характеристики фотонов, уста новленные экспериментально. Первыми из них являются математические модели, определяющие их энергию. В математическую модель для определения энергии фотона E f, входят: масса m фотона и постоянная скорость его прямолинейного движения в пространстве, равная скоро сти света C - первой константе, описывающей поведение фотонов (табл. 3 и 4).

кг м 2 Н с 2 м E f mC 2 Дж (1) с2 м с В соответствии с законами классической физики, а точнее, классической механики, энергия E f mC 2 равна кинетической энергии кольца, которое движется прямо линейно и вращается так, что поступательные и окруж ные скорости его точек равны С (рис. 4).

Таблица 3. Диапазоны изменения длин волн фотон ных излучений и масс m единичных фотонов Масса m, кг Диапазоны Длина волны, м 1. Низкочас- 3 107...3 тотный 2. Радио 3 10 4...3 10 3. Микровол- 3 10 1...3 10 новый 4. Реликтовый 1 10 3 m 2, 2 10 (max) 5. Инфракрас- 3 10 4...7,7 10 7 m 0,7 1038...0,3 ный 6. Световой 7,7 10 7...3,8 107 m 0,3 10 35...0,6 10 7. Ультрафиол. 3,8 10 7...3 109 m 0,6 10 35...0,7 10 8.Рентген. m 0,7 10 33...0,7 3 10 9...3 10 9. Гамма m 0,7 10 30...0,7 3 10 12...3 10 Рис. 4. Схема качения кольца Таблица 4.

Диапазоны изменения длин волн фотонных излучений и энергии E единичных фотонов Диапазоны Энергия E, eV Длина волны, м 1. Низкочастот- 7 3 10...3 ный 2. Радио 3 10 4...3 10 3. Микроволно- 3 10 1...3 10 вый 4.Реликтовый 1 10 3 E 1,20 10 (макс) 5. Инфракрасный E 4 10 3...1, 3 10 4...7,7 10 6. Световой E 1,60...3, 7,7 10 7...3,8 7. Ультрафиоле- E 3,27...4 10 3,8 10 7...3 товый 8. Рентген. 3 10 9...3 10 12 E 4 10 2...4 9. Гамма 3 10 12...3 10 18 E 4 105...4 Так как в прямолинейном движении кольца с радиу сом r относительно системы отсчета ХОУ (рис. 4) со скоростью С и во вращательном движении относительно геометрического центра O0 с угловой скоростью (часто той) скорость любой точки M кольца равна r С, то сумма кинетических энергий прямолинейного 0,5mC 2 и вращательного 0,5mr 2 2 движений кольца равна 1 mC 2 mr 2 2 mC 2.

EK (2) 2 Обращаем внимание на тот факт, что в формуле (2) mr - момент инерции кольца, а - угловая скорость или угловая частота вращения кольца (рис. 4).

Следующее важное уточнение заключается в том, что mr - момент инерции кольца, не имеющего размера в поперечном сечении. Фактически это момент инерции ок ружности. Но так как окружность имеет геометрический размер и не является материальным телом, то окружность, имеющую массу, назвали кольцом. Поэтому, в дальней шем под понятием материальная окружность мы будем понимать кольцо, не имеющее размера в поперечном се чении, но имеющее массу, и назовём его базовым коль цом.

Итак, из формулы энергии фотона E mC 2 следу ет, что фотон, в первом приближении, представляет собой кольцо. Однако, этого мало, чтобы такую информацию считать соответствующей реальности. Нужны дополни тельные доказательства. Они следуют из закона излуче ния абсолютно-чёрного тела, открытого Максом Планком в 1900г, в который входит его знаменитая константа h m2 const кг м2 с 1. (3) Он назвал её «квантом наименьшего действия». Стран ная получается размерность у «кванта наименьшего дей ствия» (3). Она соответствует классическому физическо му понятию момент импульса. Это значит, что постоян ная Планка (3) описывает вращательный процесс, а при сутствующие в ней символы: длина волны и линейная частота, убеждают нас, что она описывает волновой процесс. Данное противоречие является главной прегра дой в раскрытии структуры фотона и физического смысла «кванта наименьшего действия».

Из закона излучения абсолютно черного тела, от крытого Максом Планком, который мы детально изучим в последующих главах учебника, следует, что наименьшая порция энергии излучения равна Ef hv. (4) Из этого автоматически следует математическая связь между кинетической энергией (2) кольца (рис. 4) и порцией энергии (4) излучения чёрного тела E mC 2 m2 2 m2 h кг м 2 с 2 (5) 2 2 Н м с / м с H м Дж и появляется возможность раскрыть структуру порции энергии - фотона и скрытую в его движении физическую суть «кванта наименьшего действия». Для этого обратим внимание на размерность константы Планка h m2 m кг м 2 с 1, (6) из которой следует формула для расчёта скорости света С. (7) Размерность константы (6) Планка соответствует моменту импульса, а её постоянством управляет хорошо известный закон классической физики – закон сохранения момента импульса (или кинетического момента), описы вающего движение пока неизвестной нам модели фотона.

Попытаемся выявить её путём анализа размерности кон станты h Планка и её математической структуры (6).

Для этого, вначале уточним физический смысл длины волны синусоидального колебания, присутст вующего в константе Планка h m 2 кг м 2 с 1. По скольку эта константа родилась в результате анализа процесса излучения абсолютно-чёрного тела и реализует ся только в условиях, когда излучение совершается пор циями, то это сразу указывает на локализацию в про странстве носителя излучения, которому давно присвоено название фотон. Из анализа размерности константы План ка (6) следует предположение: длина волны фотона равна его радиусу r.

r. (8) Тогда константа Планка (6) запишется так h mr 2 кг м 2 с 1 кг м2 рад. / с. (9) и сразу проясняется физический смысл составляющей mr 2 константы Планка. Величина mr 2 - момент инерции кольца. Это даёт нам основание представить фотон в пер вом приближении в виде вращающегося кольца (рис. 4 и 5, b). Однако, частота характеризует не вращательный процесс, а процесс прямолинейного распространения си нусоидальной волны. Из равенства (8) следует, что фотон - не кольцо, а шестигранник (рис. 5, с) и проясняется физическая суть линейной частоты. Вращающийся при движении шестигранник генерирует моменты импульсов в интервале каждой длины волны, которая равна длине стороны шестигранной структуры (рис. 5, с), то есть - ра диусу кольца. В результате у нас появляется право ввести в размерность константы Планка (9) понятие радиан и её постоянством законно начинает управлять классический закон сохранения момента импульса.

Рис. 5: а) импульсы фотонов;

b), c) и d) – модели фотона Тут уместно обратить внимание на интересную особенность шестигранной механической модели (рис. 5, с). Если взять несколько шестигранников разных разме ров и разместить их на наклонной плоскости, то все они будут скатываться вниз с одной и той же постоянной скоростью V r v, но с разной частотой (табл. 5).

Таблица 5. Кинематические параметры движения тел.

t, с V r, м/с v V / r, с r,м Форма тел Шести- 0,0065 5,68 0,18 27, гранные 0,0080 5,67 0,18 22, 0,0130 5,67 0,18 13, Обратим внимание на то, что при увеличении ра диуса r шестигранника, частота при его линейном движении уменьшается (табл. 5), так же, как и у фотона (9). Если тело совершает только вращательное движение с угловой скоростью, то постоянная Планка, описываю щая его вращение, записывается так h mr 2 const кг м 2 рад. / с. (10) Нетрудно понять физическую суть закона сохране ния момента импульса (10) на примере легко наблюдае мого изменения скорости вращения фигуристов. Масса m фигуриста в момент вращения не изменяется. Од нако распределение этой массы изменяется. Когда он разводит руки, то величина, равная массе рук, умно женной на квадрат расстояний r 2 их центров масс от оси вращения, растет. Сразу видно (10), чтобы постоян ная Планка h осталась постоянной, скорость вращения фигуриста должна уменьшиться.

Когда фигурист приближает руки к оси своего вра щения, то величина mr 2 уменьшается, так как умень шится расстояние r до центров масс рук. Чтобы вели осталась постоянной (10), скорость чина h вра щения фигуриста должна возрасти. Что мы и наблюдаем.

Конечно, если бы не было никакого сопротивления, то фигурист мог бы вращаться вечно, как и фотон в движе нии.

Наиболее наглядно проявление закона сохранения момента импульса (кинетического момента) наблюдается и при вращении человека, сидящего на вращающемся стуле и разводящем в стороны или прижимающем к груди руки с гантелями (рис. 6) [1].

Рис. 6. Наглядная работа закона сохранения момента количества движении – момента импульса Принято считать, что если синусоидальная волна распространяется вдоль оси ОХ, то её положительная и отрицательная амплитуды равны, а ось ОХ является осью симметрии синусоиды. При качении шестигранника (рис.

7, а и b) его геометрический центр O совпадает с центром масс M и описывает не синусоиду, а криволинейную тра ектории близкую по форме к синусоиде (рис. 7, с). Тогда сумма положительной и отрицательной амплитуд будет равна 2 A. С учётом этого из рис. 7, а и b находим r 2 A r r cos A (1 cos ). (11) 2 2 Время t поворота шестигранника на угол 600 и его угловая скорость вращения 0 связаны зависимостью (рис. 7, а и b) 0.

t (12) Рис. 7. а) и b схема изменения положения геометриче ского центра O (центра масс) при движении и враще нии шестигранника;

c) движение центра масс М шес тигранника по криволинейной траектории М 1 ММ Известно, что точка К, зафиксированная на радиусе равномерно и прямолинейно катящейся окружности (рис.

4), может описывать различные траектории, называемые удлинёнными и укороченными циклоидами (рис. 8).

Совместим ось ОХ неподвижной системы отсчёта УОХ с осью O0 X 0 подвижной системы отсчёта (рис. 7, с) и направим её так, чтобы она делила удвоенную ампли туду 2 A (рис. 7, а, b и с) пополам. Подвижная ось O0У будет в этом случае совпадать с воображаемой подвижной точкой, которая будет имитировать начало подвижной системы отсчёта У 0О0 Х 0, связанной с шестигранником (рис. 7, с).

Рис. 8. Траектории движения точек M, K, N, представ ленных на рис. 4: М – обыкновенная циклоида;

N – удлинённая циклоида;

К – укороченная циклоида Свяжем с подвижным центром О0 условную окруж ность радиуса K (рис. 7, с) и на вертикальном радиусе этой окружности возьмём точку M 1, которая будет ими тировать движение геометрического центра О шести гранника и его центра масс (рис. 7, а, b и с) М. В этом случае при качении шестигранника его центр масс М (рис.

7, с) движется по волновой траектории М 1 ММ 2 и совер шает одно полное колебание, соответствующее поворо ту окружности радиуса K на угол 2 с угловой скоро стью (рис. 7, с).

Совмещение вращательного и поступательного дви жений шестигранника формируют движение его геомет рического центра О, а значит и цента масс по укорочен ной циклоиде К (рис. 8). Поскольку время поворота шес тигранника на угол 60 0 и время поворота условной окружности радиуса K, описывающей траекторию его центра масс на угол 2 - одно и тоже, то период колеба ний геометрического центра О шестигранника запишет ся так (рис. 7, а, b и с):

1 T 0. (13) где - угловая скорость вращения условной окружно сти радиуса K.

Из этих зависимостей получаем связь между угло вой скоростью вращения условной окружности радиу са K и линейной частоты колебаний геометрического центра О шестигранника, а значит и его центра масс 2. (14) При совмещении поступательного движения такой структуры с вращательным движением скорости центров масс всех шести полей фотона (рис. 5, d), неизвестной пока его структуры, будут разные. Например, поступа тельная скорость центра масс поля Е1 (рис. 5, d) будет складываться с его окружной скоростью вращения, а у поля Е 4 окружная скорость будет вычитаться из поступа тельной скорости. В результате общая масса m фотона будет неравномерно распределена между шестью его по лями в каждый данный момент времени, то есть она будет циркулировать между полями, меняя их плотность. Это приведет к несовпадению центра масс M фотона с его геометрическим центром О0 (рис. 7, с).

Итак, из проведённого анализа следует, что фотон имеет шестигранную структуру, состоящую из неизвест ной субстанции. Если стороны шестигранной модели (рис. 5, с и рис. 7, а и b) – линейные магниты с разными магнитными полюсами на концах, то модель фотона – шестигранник (рис. 10, а). Возможен и другой вариант.

Стороны шестигранника – магнитные кольца, подобные тем, что возникают вокруг проводника с током (рис. 9).

Рис. 9. Схема кольцевых магнитных полей вокруг провода с постоянным током b) а) Рис. 10. Схемы моделей фотона: а) шесть стержневых магнитных линии;

b) шесть кольцевых магнитных полей Обратим внимание на то (рис. 9), что магнитные силовые линии, вокруг проводников сближают их лишь в том случае, если они направлены в зоне контакта (К-К) навстречу друг ( ) другу. Если материальную суб станцию фотона формируют аналогичные магнитные по ля, то из рис. 5, d следует такая модель фотона (рис. 10, b).

Дальше мы увидим, как она хорошо описывает процесс рождения фотона электроном, поэтому будем полагать, что такая модель ближе к реальности.

Итак, константа Планка (6) в первозданном виде может описывать лишь синусоидальный процесс и не имеет прямого отношения к вращательному процессу.

Тем не менее, как мы уже показали, физический смысл момента импульса присутствует в формуле (6) косвенно и нам надо увидеть его явное проявление. Это возможно лишь при условии аналитического вывода всех соотноше ний (1-14) уже описавших движения модели фотона (рис. 10, b). Представим такой вывод.

Для этого мы должны проследить за волновым дви жением центра масс M всего фотона (рис. 10, b) и цен тров масс E1 отдельных его магнитных полей (рис. 5, d и 10, b). На рис. 11 показана детальная схема перемеще ния центра масс M фотона и центра масс E1 одного его магнитного поля в интервале длины одной волны.

Движение центра масс M фотона моделирует точ ка M, расположенная на расстоянии M O0 M 1 от гео метрического центра O0 фотона (рис. 11). Движение цен тра масс E1 одного магнитного поля фотона моделирует точка E1, расположенная на расстоянии от его центра масс, равном M 1 E1 r (рис. 11).

Рис. 11. Схема движения центра масс М фотона и центра масс E1 одного его магнитного поля Некоторые исследователи отмечали, что фотон имеет скрытые параметры. Если бы удалось найти их, то корпускулярные математические соотношения (1-14), описывающие его поведение, вывелись бы аналитиче ски. Попытаемся установить эти параметры.

Конечно, сложность модели фотона (рис. 10, b) за трудняет реализацию описанного плана. Однако если учесть, что фотон имеет плоскость поляризации, то дви жение его центра масс M в этой плоскости и движение центров масс E шести его магнитных полей можно со провождать качением условных окружностей, кинемати ческие и энергетические параметры которых будут экви валентны соответствующим параметрам фотона.

Центр масс M фотона совершает полное колебание M 1 MM 2 в интервале длины его волны (рис. 7 и 11), по этому радиус k O0 K (первый скрытый параметр, пока занный на рис. 11) условной окружности, описывающей движение этого центра в интервале длины одной волны, определится по формуле (рис. 11) r r 2 k k. (15) 2 Кинематическим эквивалентом группового движе ния центров масс шести магнитных полей фотона будет вторая условная окружность. Её радиус e O0 D (второй скрытый параметр) определяется из условия поворота центра масс каждого магнитного поля E фотона на угол 60 0 в интервале каждой длины его волны (рис.

11).

r r e e. (16) Особо отметим, что время, в течение которого эти две условные окружности поворачиваются на разные уг лы 2 и / 3, одно и то же, что соответствует Ак сиоме Единства.

Кинематическая эквивалентность между движени ем сложной магнитной структуры фотона (рис. 10, b) и движением условных окружностей с радиусами k и e позволяет вывести постулированные раннее математиче ские соотношения, описывающие его поведение. Сейчас мы увидим, как скрытые, ненаблюдаемые параметры фо тона участвуют лишь в промежуточных математических преобразованиях и исчезают в конечных формулах.

Мы уже обозначили угловую скорость условной окружности, описывающей движение центра масс M фо тона относительно его геометрического центра O0 симво лом (это - третий скрытый параметр), а угловую ско рость условной окружности, описывающей движение центра масс каждого магнитного поля E, - через 0 (чет вертый скрытый параметр), и линейную частоту - через, поэтому период колебаний центра масс M фотона определится по формулам (рис. 11):

1, (17 13) T которые полностью совпадают с формулами (1 - 14). Из соотношений (17) имеем:

2 ;

(18 14) 0. (19 12) Соотношение связи между длиной волны, кото рую описывает центр масс M фотона, и радиусом r имеет простой вид (рис. 7 и 11) 1 r Sin 60 0.

2rSin 2 22 Поскольку малая условная окружность радиуса k перемещается в плоскости вращения фотона (рис. 11) без скольжения, то скорость любой её точки будет равна скорости её центра O0 и групповой скорости фотона. Ис пользуя соотношения (15) и (17), получим C k r, (20 7) что соответствует соотношению (7).

Аналогичный результат дают и соотношения (16) и (17) второй условной окружности радиуса e.

C 0 e r. (21 7) Теперь видно, что вывод соотношений (7) и (21) не только согласуется с моделью фотона (рис. 10, b) и ме ханикой её движения (рис. 7, c и 11), но и объясняет кор пускулярные и волновые свойства фотона.

При выводе соотношения (1 или 2) обратим вни мание на то, что кинетическая энергия движения фотона с массой m эквивалентна кинетической энергии качения условной окружности с той же массой m, равномерно распределенной по её длине. Общая кинетическая энергия условной окружности будет равна сумме кинетической энергии её поступательного движения и энергии враще ния относительно геометрического центра O0. Используя зависимость (15), имеем mC 2 m 2 k mC 2.

E (22 2) 2 Тот же самый результат получится и при использо вании второй условной окружности радиуса e (16).

mC 2 m 0 e mC 2.

E (23 2) 2 Приведем уравнение (23) к виду (5) mC 2 m 2 k mr 2 2 h mC E (24 5) 2 здесь h mr 2 const. (25 9) Вот теперь у нас есть полное право утверждать, что постоянством константы (9, 25) Планка управляет закон сохранения момента импульса, который формулируется так: если сумма моментов внешних сил, действующих на вращающееся тело, равна нулю, то его момент им пульса остаётся постоянным по величине и направлению, то есть постоянная Планка величина векторная h.

Механика движения фотона (рис. 10 и табл. 5) яр ко демонстрирует действие момента импульса на фотон при повороте его на каждые 600. За один оборот фотона совершается 6 импульсов. С учетом соотношения (17) получаем m h E f h 2. (26) кг м 2 рад. кг м 2 Н м 2 Дж с рад. с с с Так как C v r const, то из h m m mr r const автоматически сле дует ещё одна константа m2v h 6,626176 k0 m m r 2,997925 108 (27) v C кг м const.

2,210254 Из размерности константы (27) следует физиче ский закон: произведение масс фотонов на длины их волн или радиусы – величина постоянная. В системе СИ нет названия константе с такой размерностью, поэто му назовем её константой локализации фотонов.

Легко представить реализацию константы локали зации (27), если фотон – кольцо или шестигранник (рис. и 10) и невозможно это сделать, если фотон – волна.

Таким образом, мы вернули истинный физический смысл размерности константы Планка - момент импуль са. Линейная частота имеет четкую связь с угловой час тотой 0 вращения фотона (17). Если угол альфа выра зить через радианы, то эта связь получает численную ве личину в виде следующей константы 60 0 1,05 рад. (28) Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения момента импульса h mr 2 const, то с увеличением массы m фотона растет плотность его магнитных полей (рис. 10, b) и за счет этого увеличиваются магнитные силы, сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробеж ными силами инерции, действующими на центры масс этих полей. Это приводит к уменьшению радиуса r вращения фотона, который всегда равен длине его волны. Но поскольку радиус r в выражении постоянной Планка возводится в квадрат, то для сохранения посто янства постоянной Планка (10) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого не значительное изменение массы фотона автоматически изменяет его радиус и частоту так, что момент им пульса (постоянная Планка) остается постоянным. Та ким образом, фотоны всех частот, сохраняя свою маг нитную структуру (рис. 10, b), меняют массу, частоту и радиус так, чтобы mr 2 h const. То есть принципом этого изменения управляет закон сохранения момента импульса.

Если задаться вопросом: почему фотоны всех частот движутся в вакууме с одинаковой скоростью С? То по лучается следующий ответ.

Потому что изменением массы m фотона и его ра диуса r управляет закон локализации k0 mr const та ким образом, что при увеличении массы m фотона его радиус r уменьшается и наоборот. Тогда для сохранения постоянства постоянной Планка h mr r const при уменьшении радиуса r частота должна пропорцио нально увеличиваться. В результате их произведение r остаётся постоянным и равным C. При этом скорость центра масс M фотона (рис. 10, b) изменяется в интерва ле длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной C (рис. 12, а).

Таким образом, постоянством постоянной h План ка управляет один из самых фундаментальных законов классической физики (а точнее - классической механики) - закон сохранения момента импульса или кинетического момента. Это - чистый классический механический за кон, а не какое – то мистическое механическое квантовое действие, как считалось до сих пор. Поэтому появление постоянной Планка в математической модели излучения абсолютно черного тела не даёт никаких оснований ут верждать о неспособности классической физики описать процесс излучения этого тела. Наоборот, самый фунда ментальный закон классической физики – закон сохране ния момента импульса как раз и участвует в описании этого процесса. Таким образом, планковский закон излу чения абсолютно черного тела является законом класси ческой физики и отпадает необходимость в названии «Квантовая физика».


a) b) Рис. 12: а) график скорости центра масс фотона;

b) зави симость изменения касательной FK силы инерции, дейст вующей на центр масс М светового фотона в интервале одного колебания 0 t 60 Как видно, скрытые параметры позволяют вывести основные математические соотношения бывшей Кванто вой механики, описывающие поведение фотона, из зако нов Классической механики. Вполне естественно, что продолжение описания выявленной модели фотона долж но привести к волновым уравнениям, описывающим движение его центра масс. Известно, что длина волны электромагнитного излучения изменяется в диапазоне 3 10 18....3 10 6 м (табл. 2).

Наименьшая длина волны 3 10 18 м, соответству ет гамма диапазону и её можно считать равной радиусу гамма фотона. Наибольшая длина волны 3 10 м 30000км неприемлема для отождествления с радиусом фотона. Дальше мы увидим, как максимальная длина волны или радиус фотона следуют из закона излу чения Вселенной и максимальная величина его радиуса ограничена пределом минимальной температуры в При роде.

Как видно (табл. 3), с увеличением массы m фото на длина ( r ) его волны уменьшается. Эта законо мерность однозначно следует и из константы локализации фотона k 0 mr const. Это же следует и из закона сохра нения момента импульса h mr 2 const. Таким обра зом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру (рис. 10, b), меняют массу, частоту и радиус так, что h mr 2 const, то есть принципом этого изме нения управляют законы: сохранения момента им пульса и локализации фотонов.

Так как принцип неопределённости Гейзенберга реализуется в ряде экспериментов с фотонами то, нера венство, определяющее этот принцип, должно следовать из теории фотона. Чтобы выявить это, запишем:

соотношение импульса h P mC (29) и неравенство Гейзенберга Px x h. (30) Разделив - (25) на - (21), имеем h mr k0 mr const.

(31 27) r C Как видно, скрытые параметры позволяют вывести основные математические соотношения квантовой меха ники, описывающие поведение фотона, из законов клас сической физики, а точнее - классической механики. Ус ловные окружности позволяют определить и импульс фотона.

P m k mr mC. (32 29) Из этого легко получить корпускулярное соотно шение Луи Де Бройля mr 2v h h P m0 e mC. (33 29) r r Перепишем это так P h. (34) В левой части уравнения (34) представлено произве дение импульса P фотона на длину его волны, а в правой - постоянная Планка h. Из этого следует соотно шение неопределенности Гейзенберга.

Px x h. (35 30) Перепишем это неравенство в развернутом виде x x mr 2.

m (36) t Так как фотон проявляет свой импульс в интерва ле каждой длины волны и так как его размер более двух длин волн (рис. 10, b), то величины x и 1 / t в нера венстве (36) всегда будут более 2 каждая. Принимая x 2,3r и 1 / t 2,3 и, подставляя эти значения в не равенство (36), получим 12,17 1. (37) Таким образом, модель фотона действительно огра ничивает точность экспериментальной информации, по лучаемой с его помощью. Объясняется это тем, что размеры фотона несколько больше двух длин его волн.

Следовательно, фотон не может передать размер геомет рической информации, меньший двух длин его волны или двух радиусов, как это и следует из неравенства (30) Гей зенберга.

Если мы исследуем объект с помощью фотона с за данной длиной волны, то мы не можем получить геомет рическую информацию об объекте, которая была бы равна длине волны используемого фотона или была меньше её.

Однако, если для получения той же информации исполь зовать фотон с меньшей длиной волны, то точность гео метрической информации возрастет. Это значительно ог раничивает физический смысл неравенства Гейзенберга.

Если это неравенство относить к экспериментальной ин формации, получаемой с помощью фотона, то оно спра ведливо только в рамках одной длины его волны или од ного радиуса.

2.3. Теория движения фотона Начнем с вывода уравнений движения центра масс M фотона. Поскольку центр масс фотона движется в плоскости поляризации и в рамках аксиомы Единства пространства – материи – времени, то для описания его движения по плоской волновой траектории необходимо иметь два параметрических уравнения (рис. 10, b).

Так как центр масс M фотона движется относи тельно наблюдателя и относительно геометрического цен тра O0, который движется прямолинейно со скоростью C, то для полного описания такого движения необхо димо иметь две системы отсчета (рис. 11): неподвижную XOY и подвижную X 0 O0Y0, связанную с прямолинейно и равномерно движущимся геометрическим центром O фотона.

Амплитуда A колебаний центра масс M фотона (рис. 11) будет равна радиусу M O0 M 1 его вращения относительно геометрического центра O0 фотона. Из рис. 11 имеем r A M (1 cos ) 0,067 r. (38) 2 Обратим внимание на небольшую величину амплиту ды А колебаний центра масс M фотона в долях его радиуса A 0,067r. Уравнения движения центра масс M фотона относительно подвижной системы X 0 O0Y имеют вид параметрических уравнений окружности (рис.

11):

x 0 A sin t ;

(39) y 0 A cos t. (40) Если фотон движется относительно неподвижной системы отсчета ХОУ со скоростью C, то уравнения та кого движения становятся уравнениями циклоиды:

x Ct A sin t ;

(41) y A cos t. (42) Обратим внимание на то, что в уравнениях (41) и (42) x f 1 (t ) и y f 2 (t ). Это значит, что они описывают движение центра масс M фотона (рис. 10, b) по волновой траектории в рамках аксиомы Единства пространства – материи – времени. Отметим, что уравнения Луи Де Бройля и Шредингера этим свойством не обладают. Учи тывая соотношения (17) и (38), получим:

x Ct 0,067 r sin 6 0 t;

(43) y 0,067r cos 6 0 t, (44) где 0 60 0.

На рис. 8 представлены траектории точек M, K, N, показанные на (рис. 4). Обратим внимание на важные особенности. Радиус кольца равен r и точка M, лежа щая на кольце (рис. 4), описывает обыкновенную циклои ду М (рис. 8).

Радиус окружности, описываемой точкой N (рис. и 8), - N r и эта точка описывает удлинённую циклои ду N (рис. 8).

Радиус окружности, описываемой точкой K (рис. и 8), K r и она описывает укороченную циклоиду K (рис. 8).

Так как у модели фотона амплитуда A М 0,067r, то его центр масс движется по укоро ченной циклоиде (43), (44).

Результаты эксперимента (табл. 5) требуют, чтобы математическая модель, описывающая скорость центра масс шестигранника, а значит и фотона, не зависела бы от его радиуса r. Уравнения (43) и (44) автоматиче ски дают такой результат (45) V (dx / dt ) 2 ( dy / dt ) 2 V 1,18 0,85 cos 6 0 t.

Если считать, что движение фотона эквивалентно движению шестигранника, то в формуле (45) V C и по лучаем закономерность изменения скорости центра масс фотона V (dx / dt ) 2 (dy / dt ) C 2 0,85C 2 cos 60t 0,18C 2 (46) C 1,18 0,85 cos 60t.

График изменения скорости (46) центра масс фо тона показан на рис. 12, а. Как видно, скорость центра масс M фотона действительно изменяется в интервале длины волны или периода колебаний таким образом, что её средняя величина остается постоянной и равной C.

Поскольку сила инерции направлена противоположно ус корению, то касательная сила инерции FK, действующая на центр масс фотона, запишется так 16,01sin( 60t ) dV m C h FК m. (47) dt r 1,18 0,85 cos(60t ) Несмотря на сложность переменной составляющей математической модели (47), касательная сила инерции, действующая на центр масс фотона, изменяется синусои дально (рис. 12, b). Это значит, что она и генерирует рав номерное прямолинейное движение геометрического цен тра O0 фотона.

Нормальная составляющая силы инерции, дейст вующей на центр масс фотона (центробежная сила инер ции) определиться по формуле C 2 (1,18 0,85 cos 6 0 t ) V Fn m ma n m. (48) A 0,067r Результирующая сила инерции Fi, действующая на центр масс фотона, будет равна Fi ma m a2 a n (49) Таким же образом определяются силы, действую щие на центры масс каждого из шести магнитных полей фотона. Уравнения движения центра масс E1 одного из магнитных полей фотона относительно подвижной сис темы отсчета Х 0 О0У 0 будут иметь вид (рис. 11):

xOE A sin t r sin 0 t ;

(50) y OE A cos t r cos 0 t. (51) Уравнения абсолютного движения центра масс од ного магнитного поля фотона, то есть движения относи тельно неподвижной системы отсчета XOY принимают вид:

x E C t A sin t r sin 0 t ;

(52) y E A cos t r cos 0 t. (53) Это – уравнения волнистой циклоиды. Они позво ляют легко определить все кинематические характеристи ки центров масс магнитных полей фотона.

Таким образом, выведены, постулированные раннее математические модели квантовой механики (1 37), описывающие поведение фотона. Далее, при анализе других физических явлений, в которых явно проявляется поведение фотонов, мы получим остальные и многие другие, в том числе и новые математические модели.

Итак, мы оставляем в покое почти все математи ческие формулы, которые давно применяют для описания поведения фотона в различных экспериментах. В этом смысле у нас нет ничего нового, мы только подтвердили достоверность этих формул и дополнили их уравнениями (43) и (44), описывающими волновое движение центра масс фотона в рамках аксиомы Единства пространства – материи – времени. Теперь у нас есть основания утвер ждать, что гипотезы индийского физика Бозе и англий ского Алана Холдена уверенно идут к пьедесталу науч ных постулатов.


Поскольку основные математические модели, опи сывающие главные характеристики фотона, выведены аналитически из анализа движения его модели, то это яв ляется веским основанием для использования этой модели при интерпретации результатов всех экспериментов, в которых участвуют фотоны. Количество таких экспери ментов неисчислимо, поэтому мы будем рассматривать лишь те из них, которые носят обобщающий характер.

Самая большая совокупность экспериментальных данных, в которых зафиксировано поведение фотонов – шкала электромагнитных излучений, которая теперь называется шкалой фотонных излучений (рис. 13), главные характе ристики которой представлены в таблицах (2, 3 и 4).

Рис. 13. Шкала фотонных и фотонно-волновых излучений Мы будем обращаться к таблицам (2, 3 и 4) при ин терпретации почти всей совокупности экспериментов с участием фотонов, а сейчас определим лишь интервал из менения длины волны фотонов.

Длина волны электромагнитного излучения изме няется в интервале 3 107.....3 1018 м (табл. 2). Мини мальная величина этого интервала принадлежит гамма фотону, а максимальная - низкочастотному диапазону из лучения. Величины эти установлены экспериментально и у нас нет оснований сомневаться в их достоверности. Но, как мы уже отметили, у нас есть основания сомневаться в том, что самый большой фотон имеет длину волны r 3 107 м 30000км.

Материальная плотность базового кольца K фото на, соответствующего минимальной длине волны r 3 10 18 м (табл. 2), равна 2,210 10 k m 3,909 10 8 кг / м. (54) K 2 r 2 r 2 6,282 (3 10 18 ) Материальная плотность базового кольца фотона, соответствующего максимальной длине волны электро магнитного излучения r 3 107 м, равна 2,210 m k 3,910 1058 кг / м. (55) K 2 r 2 r 2 6,282 (3 107 ) Трудно представить фотон (с базовым радиусом r 3 107 м ), движущийся со скоростью света, имея мате риальную плотность кольца K 3,910 10 58 кг / м (55).

Вряд ли возможно формирование ньютоновских и магнитных сил при такой небольшой материальной плотности базового кольца фотона (55). Поэтому должен существовать предел максимальной длины волны max или максимального радиуса rmax и минимальной массы mmin фотона.

Поскольку температура Вселенной близка к абсо лютному нулю ( Tmin 0,10K ), то её формирует макси мальная совокупность фотонов с максимальной длиной волны, которая в соответствии с законом Вина, равна C ' 2,898 10 0,029 м. (56) max rmax T 0, Фотоны с такой длиной волны соответствуют ре ликтовому диапазону (табл. 2). Их масса равна 2,210 10 k 7,621 10 41 кг. (57) mmin rmax 0, Плотность материального кольца такого фотона равна 4,250 10 m min 2,333 10 40 кг / м. (58) K 2 rmax 6,282 0, Таким образом, в Природе нет фотонов с длиной волны или радиусом, намного большим 0,029м. Конечно, эта величина будет ещё уточняться, но в любом случае она будет близка к 0,029м.

Итак, фотонная шкала фотонных излучений (рис.

13) начинается с реликтового диапазона. Минимальную энергию E min, минимальную массу mmin и минимальную частоту min, но максимальную длину волны max (или радиус rmax ) имеет инфракрасный фотон в реликтовом диапазоне:

E min 6,850 10 24 Дж ;

(59) m min 7,621 10 кг ;

(60) (61) max rmax 0,029 м;

10 (62) min 1,034 10 c.

Максимальную энергию E max, максимальную массу mmax и максимальную частоту max, но минималь ную длину волны min (или радиус rmin ), имеет гамма фотон:

E max 6, 29 10 8 eV ;

(63) mmax 0,7 10 24 кг ;

(64) min rmin 3 10 18 м;

(65) max 1 10 26 c 1. (66) Как видно, самый маленький фотон - гамма фотон, а самый большой фотон - инфракрасный фотон реликтового диапазона.

Таким образом, максимальная длина волны еди ничных фотонов соответствует реликтовому диапазону, а минимальная - гамма диапазону (табл. 2). От реликто вого диапазона до гамма диапазона длина волны фотона уменьшается, примерно, на 16 порядков, а частота увели чивается на столько же.

Сразу возникает вопрос: какое электромагнитное образование формирует электромагнитное излучение с длиной волны, больше длины волны реликтового диапа зона? Ответ на этот вопрос следует из гипотез индийского ученого Бозе и английского физика Алана Холдена, пред ставленных на рис. 3.

Как видно (рис. 3), фотоны могут двигаться в ви де отделённых друг от друга совокупностей (импульсов), которые проявляют свойства, присущие волнам. Поэтому у нас есть основания назвать импульсы совокупностей фотонов фотонными волнами (рис. 3). Шарики - это фо тоны. Расстояние между импульсами фотонов (шариков) равно длине волны, так называемого, электромагнитно го излучения, а длина волны каждого отдельного фотона значительно меньше. Она, как мы уже показали, опреде ляет область его локализации в пространстве.

Так как фотоны всех диапазонов движутся с од ной и той же скоростью C и так как они же формируют и волны, правильно называемого фотонного излучения (рис.

3), то скорость фотонного излучения всех диапазонов од на и та же. Сразу обратим внимание на то, что понятие «шкала электромагнитных излучений» не соответствует физическому содержанию её структуры (рис. 3), поэтому у нас есть все основания заменить название «шкала элек тромагнитных излучений» названием «шкала фотонных излучений» или просто «фотонная шкала» (рис. 13).

Полученная информация делит фотонную шкалу на два класса: фотонный и волновой. Фотоны - единич ные магнитные образования, излучаются электронами атомов и протонами ядер. Они формируют спектральные линии атомов.

Совокупность фотонов, излученных электронами атомов или протонами ядер, формирует не только естест венное, но и более мощное искусственное фотонное поле, созданное человеком. Оно может быть непрерывным или импульсным, то есть волновым (рис. 3). Мы живём в этом поле, как рыбы в воде и не замечаем этого.

Информация о фотоне проясняет причину сходи мости результатов решений уравнений Максвелла с ря дом экспериментальных данных. Дело в том, что электро ны любой антенны возбуждаются фотонами среды не прерывно, формируя её температуру и, так называемый, фоновый шум. Управляемое, более интенсивное, воздей ствие на этот процесс заставляет эти же электроны излу чать импульсы фотонов с другими радиусами в виде волн (рис. 3), которые возбуждают у антенны приемника им пульсы тока, такие же, какие ошибочно приписываются действию максвелловской электромагнитной волны (рис.

2). Причём ток, рождаемый этими импульсами, естест венный, а не вымышленный максвелловский ток смеще ния, лишённый какого-либо физического смысла. Если волна, излученная антенной или любым другим источни ком, состоит из фотонов (рис. 3), то величина генерируе мого тока будет зависеть от количества фотонов, попав ших на неё, и от их индивидуальной энергии, но не от на пряженности, выдуманного для этого случая электриче ского и магнитного полей.

Уравнения Максвелла работают лишь в условиях, когда длина волны излучения соизмерима с размером ан тенны приёмника. Это - убедительное доказательство то го, что электромагнитные волны Максвелла (рис. 2) не являются носителями излучений и не имеет никакого от ношения к реальности.

Это доказывает прибор ИГА-1 (рис. 14 и рис. 2).

Имея чувствительность 100 пико вольт, он прини мает естественные излучения с частотой 5 кГц и длиной волны С / 3 10 8 / 5 10 3 0,6 10 5 60км на ан тенну диаметром 30 мм (рис. 14).

Рис. 14. Прибор ИГА – 1. Разработчик: Кравченко Ю. П.

3. НАЧАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ОПТИКИ 3.1. Вводная часть Мы уже показали, что все основные математиче ские модели, описывающие поведение фотона, выводятся аналитически из анализа движения его модели (рис. 10, b).

Если эта модель фотона близка к реальности, то из её по ведения должны вытекать законы отражения и поляриза ции фотонов, а также - формирования дифракционных картин. Доказательство этого начнём с анализа процессов поляризации и отражения фотонов.

Так как расстояния между центрами масс магнит ных полей фотона равны двум радиусам фотона, а радиу сы магнитных полей в два раза меньше, то форма магнит ной модели фотона не сферическая, а плоская. Причем, как видно на рис. 8, магнитные поля внешних шести маг нитных полюсов фотона простирают своё действие дале ко за пределы их центров масс, поэтому общий магнит ный размер фотона больше его двух радиусов, равных длинам волн. Вполне естественно, что в момент встречи магнитной модели фотона с отражателем, его скорость уменьшается и функциональные свойства магнитных по люсов, вращающихся магнитных полей, несмотря на то, что его форма приближается к сферической, усиливаются увеличением дальности действия магнитных полюсов, вращающихся магнитных полей. Из этого следует появ ление более выраженных поляризационных свойств маг нитных полей фотона в момент его взаимодействия с объектом отражения. Таким образом, модель фотона (рис.

10, b) – не сферическое, а плоское вращающееся магнит ное образование со сложным профилем поверхности в плоскости вращения.

Из описанного следует, что дальность действия магнитных полюсов магнитных полей фотона может уве личиваться или уменьшаться в зависимости от условий его существования: свободного движения или взаимодей ствия с объектом.

3.2. Отражение и поляризация фотонов Поскольку фотон вращается относительно своей оси и движется поступательно, то такое движение называ ется плоскопараллельным, а плоскость вращения – плос костью поляризации. Спин фотона равен постоянной Планка h и направлен вдоль оси его вращения перпенди кулярно направлению его движения (рис. 10, b и 15). То гда упрощенная модель правоциркулярного фотона будет такой, как показана на рис. 15, а, левоциркулярного – на рис. 15, b.

Рис. 15. Упрощенные схемы моделей фотонов:

а) с правоциркулярной и b) левоциркулярной поляризациями Обратим внимание на четкость смыла, давно вве дённых понятий правоциркулярной (рис. 15, а) левоцир кулярной (рис. 15, b) поляризации фотонов. Важно запом нить правило направления вектора h. Оно определяется так, что при виде с острия вектора h вращение должно быть направлено против хода часовой стрелки.

Мы уже показали, что движение центра масс такой модели описывают уравнения (43) и (44), а изменение скорости центра масс фотона описывается уравнением (46).

Для анализа процесса отражения фотона необхо димо знать закономерность изменения направления век тора импульса центра масс фотона. Угол между направле нием вектора импульса mV центра масс фотона и осью ОХ определяется по формуле (рис. 10, b) 20t 0,42 sin y ' Vy tg x (67) 20t x ' Vx 1 0,42 cos где x - угол наклона результирующего вектора импульса mV фотона к оси ОХ;

0 t угол поворота цен тра масс одного E магнитного поля фотона (рис. 5, d и 10,) относительно центра масс фотона;

60 0 - угол, определяющий количество магнитных полей фотона, замкнутых друг с другом по круговому контуру.

Центр масс фотона находится на гребне волны при 0 t 0 0 и 0 t 60 0, и - в яме волны при 0 t 30 0 и b 0 t 90 0. Поскольку модель фотона магнитная, то он легко деформируется при встрече с препятствием. При этом, в момент отражения центр масс фотона находится преимущественно на гребне или в яме волны, то есть при 0 t 0 0 и 0 t 60 0 или при 0 t 30 0 и 0 t 90 0.

Для всех этих случаев формула (67) даёт один результат x 0. То есть в момент отражения фотона отсутствует поперечная составляющая импульса mV y. Это значит (рис. 16), что плоскость падения 3 луча 1, состоящего из фотонов, и плоскость его отражения 4 должны совпадать независимо от ориентации плоскостей поляризации фото нов перед отражением.

Отсутствие поперечной составляющей импульса mV y у всех отражающихся фотонов должно приводить их к поляризации в момент отражения. Вполне естествен но, что в неполяризованном луче плоскости вращения фо тонов будут параллельны направлению движения луча света и ориентированы произвольно (рис. 16, падающий луч 1). В дальнейшем мы будем характеризовать поляри зацию фотонов плоскостями их вращения. Поляризация отраженных фотонов была открыта Этьен Малюсом в 1808 г.

Рис. 16. Схема поляризации отраженных фотонов:

1 – падающий луч;

2 – отраженный луч;

3 – плос кость падения;

4 – плоскость отражения;

5 – отражающая плоскость;

6 – вертикальная жирная линия символизиру ет количество фотонов, поляризованных в вертикальной плоскости (плоскости отражения (4) Возникает вопрос: все ли фотоны поляризуются после отражения так, что плоскость их поляризации сов падает с плоскостью падения 3 лучей? Ответ на этот во прос дал Френель (рис. 16). Он установил, что фотоны, поляризованные в плоскости падения 3 и перпендикуляр но ей, после отражения не меняют направление своих плоскостей поляризации. Если же плоскости поляризации фотонов не параллельны и не перпендикулярны плоско сти падения 3, то отражение таких фотонов сопровожда ется поворотом плоскостей их поляризации в таком на правлении, что все они оказываются поляризованными в плоскости отражения 4, совпадающей с плоскостью паде ния 3. Из этого следует, что в падающем луче света на правление своей плоскости поляризации после отражения изменяют лишь те фотоны, у которых угол между плоскостью падения 3 луча 1 и плоскостью поляризации находится в интервале 90 0 0 0. Те же фотоны, у ко торых плоскость поляризации перпендикулярна ( 90 0 ) плоскости падения 3 или совпадает с ней ( 0 0 ), отра жаются, не меняя ориентации своей плоскости поляриза ции. Фактически, отраженные фотоны поляризуются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, большая часть 6 которых совпадает с плоскостью падения 3, а меньшая 7 - перпендикулярна ей. Из описания Френеля следует, что большая часть фотонов поляризуется в плос кости отражения 4 (рис. 16) и меньшая часть - в плоско сти, перпендикулярной плоскости отражения. Схематиче ски это можно показать в виде диаграммы (рис. 16, пози ции 6 и 7).

Широкая вертикальная полоса 6 в отраженном лу че 2 символизирует поляризацию большей части фотонов, совпадающую с плоскостью его отражения 4. Узкая го ризонтальная линия символизирует сохранение поляри зации фотонов в плоскости, перпендикулярной плоскости падения 3 и плоскости отражения 4.

Таким образом, если плоскость поляризации па дающего фотона (рис. 16) перпендикулярна плоскости па дения 3 или лежит в ней, то плоскость 5, на которую пада ет фотон, не меняет направление плоскости его поляриза ции. Если же плоскость поляризации падающего фотона не перпендикулярна плоскости падения 3, то отражающая плоскость 5 изменяет её направление так, что она стано вится параллельной плоскости отражения 4.

Таким образом, в отраженном луче большая часть фотонов поляризована в плоскости отражения 4 и мень шая часть в плоскости, перпендикулярной плоскости от ражения. Возникает вопрос: почему фотоны ведут себя так? Если плоскость поляризации фотона не перпендику лярна плоскости падения 3, то все фотоны начинают кон тактировать с отражающей плоскостью 5 одним (из шес ти) магнитных полюсов, что облегчает процесс поворота их плоскостей поляризации. При этом, если угол падения равен или близок к 60 0, то скорость центра масс фотона равна 1,4С. Это главный факт существования угла Брю стера (рис. 18, зависимость 3).

Когда плоскость поляризации фотона перпендику лярна плоскости падения 3, то фотон, сближаясь с отра жающей плоскостью 5, контактирует с ней в основном двумя электромагнитными (магнитными) полями, что увеличивает устойчивость процесса контакта и затрудняет поворот плоскости поляризации фотона при его отраже нии.

Теперь нам необходимо запомнить ориентиры по ляризации фотонов. Первый и главный – плоскость вра щения фотона совпадает с плоскостью поляризации и на правлением движения фотонов. Второй - направление спина h фотона. Он всегда направлен перпендикулярно направлению движения фотона, плоскости его вращения и плоскости поляризации. Из этого следует, что если на схеме показана траектория движения фотона (луча света), то плоскость поляризации фотона параллельна этой тра ектории, а спин h - перпендикулярен ей.

На рис. 17 представлена схема очень важного опы та С.И. Вавилова, доказывающего поляризацию отражен ных фотонов.

Рис. 17. Поляризация света при отражении:

1- падающий луч;

2 – отражающая плоскость;

3 – отра женный луч;

4 – экран;

5 – сосуд с взмученной водой;

6 – луч, прошедший через сосуд;

7 – горизонтальная плос кость падения луча;

8 –горизонтальная линия поляриза ции отраженного луча;

9 – неполяризованный луч источ ника света;

10 – неполяризованный луч, прошедший через сосуд Через сосуд 5 с водой, взмученной каплей молока, проходит свет. Если он идет от источника 9, не отражаясь от экрана (рис. 17, а), то в индикаторе поляризации, роль которого выполняет сосуд 5, и на экране 4 наблюдается рассеяние света во всех направлениях (рис. 17, позиции 9, 10). Если же через этот же сосуд проходит луч света (рис 17, b) отраженный под углом примерно 54 0, то рассеяние света наблюдается в основном в горизонтальной плоско сти 7 (на экране - 8), а при виде сверху на сосуд, рассеян ный свет очень слаб или почти не виден.

Таким образом, луч света, проходящий через сосуд без предварительного отражения, рассеивается во всех направлениях, что указывает на то, что фотоны в нём со храняют исходную поляризацию 9, 10. Если же в сосуд направить такой же, но отраженный луч, то он, отражаясь, поляризуется и, проходя через сосуд, рассеивается в ос новном в горизонтальной плоскости 7. Это является дока зательством того, что отраженный луч поляризован в ос новном в плоскости падения 7 (рис. 17, b), как это пока зано на экране 4. Простой опыт, проведённый С. И. Вави ловым, является косвенным доказательством отсутствия поперечной составляющей импульса у отраженных фото нов (67). Из этого также следует, что независимо от на правления плоскостей поляризации падающих фотонов плоскость поляризации отраженных фотонов 3 совпадает с плоскостью падения 7.

Далее, необходимо знать детали процесса отраже ния поляризованных фотонов. На рис. 18 показаны зави симости коэффициента отражения фотонов с разной по ляризацией на границе воздух-стекло.

Обратим внимание на то, что при совпадении плоскостей падения, отражения и поляризации фотонов коэффициент отражения при угле падения, близком к 60 0, приближается к нулю (рис. 18, зависимость 3). Угол этот называется углом Брюстера. Его величина зависит от по казателя преломления n. Если n равно 1,4;

1,5;

1,6 или 2,0, то угол Брюстера составляет соответственно 54,5 0 ;

56,30 ;

58,10 и 63,4 0.

Рис. 18. Зависимость коэффициента отражения фо тонов от границы воздух – стекло от угла падения при разной их поляризации: 1 – плоскости падения фотонов и поляризации перпендикулярны;

2 – неполяризованный луч;

3 – плоскости падения, поляризации и отражения фотонов совпадают Мы уже описали причину такого поведения фото нов. При угле падения, близком к 60 0, центр масс фото на, начинающего контактировать с отражающей плоско стью, на гребне волны и его скорость равна 1,42 С, поэто му он и проходит через материал отражающей плоскости или поглощается электронами атомов этого материала (рис. 18, зависимость 3).

3.3. Дифракция фотонов Дифракция фотонов рождает картины, подобные картинам, возникающим при взаимодействии волн. По этому дифракция фотонов считается главным доказатель ством того, что модель фотона - волна.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.