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:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 10 |

«Ф.М. КАНАРЁВ ФИЗИКА МИКРОМИРА Учебник атом графита ………….2013 2 Канарёв Ф.М. Physics of a ...»

-- [ Страница 5 ] --

Энергия синтеза молекулы водорода равна 436кДж/моль или 4,53eV на одну молекулу. Поскольку молекула со стоит из двух атомов, то указанная энергия распределяет ся между ними. Таким образом, энергия одной связи ме жду атомами водорода оказывается равной 2,26eV (рис.

76). При термическом разрушении этой связи энергии по требуется в два раза больше, а именно 2,26х2=4,53 eV.

Обратим внимание на то, что на рис. 76 два атома водорода образуют молекулу водорода, формируя три связи. Создаётся впечатление, что на одну связь должна приходиться энергия 4,53/3=1,51eV. Эта величина равна энергии связи электрона атома водорода (табл. 9) в мо мент пребывания его на третьем энергетическом уровне и близка к энергии связи 1,53eV первого электрона атома кислорода (табл. 25) в момент пребывания его также на третьем энергетическом уровне.

Для образования двух молекул воды необходимо разрушить на атомы две молекулы водорода и одну моле кулу кислорода. Если процессы разрушения указанных молекул проводить термическим путем, то на разрушение двух молекул водорода потребуется 4,53+4,53=9,06eV, а на разрушение одной молекулы кислорода - 5,13eV. В сумме это составит 14,19eV.

Известно, что при синтезе одного моля воды вы деляется 285,8 кДж или 23 285,8 1000 / 6,02 10 1,6 10 2,96eV на одну молеку лу. Так как молекула воды состоит из одного атома ки слорода и двух атомов водорода, то на одну связь прихо дится 2,96/2=1,48eV термической энергии (рис. 105). Из этого следует, что электроны атомов водорода и кисло рода в молекуле воды находятся при обычной температу ре (1,48/2=0,74eV) между четвертыми и пятыми энерге тическими уровнями (табл. 9, 25).

Таким образом на разрушение двух молекул во дорода и одной молекулы кислорода термическим путем расходуется 14,19eV, а в результате синтеза двух молекул воды выделяется 2,96х2=5,98eV. Это противоречит тому факту, что процесс синтеза молекулы воды является экзо термическим с выделением 2,96 eV одной молекулой.

Приведенный же расчет указывает на то, что при синтезе одной молекулы воды поглощается (14,19-5,98)/2 = 4, eV. В чем причина этого противоречия?

Рис. 105. Схема молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислорода;

P1, P2 - ядра атомов водо рода (протоны);

e1 и e2 - номера электронов атомов во дорода При переходе из газообразного в жидкое состояние атом кислорода в молекуле воды должен уменьшить свой объём. Это произойдет, если кольцевые электроны атома кислорода опустятся на более низкие энергетические уровни (ближе к ядру). При этом они обязательно излучат фотоны, и мы уже знаем их общую энергию. Она равна энергии, затраченной на разрушение двух молекул водо рода и одной молекулы кислорода, то есть - 14,19eV. По скольку у двух молекул воды 12 кольцевых электронов, то каждый из них излучит 14,19/12=1,18eV (рис. 105). Это больше энергии (0,74 eV) связи с ядром осевых электро нов и указывает на то, что кольцевые электроны располо жены ближе к ядру, чем осевые.

В этом случае количество энергии, полученной в результате синтеза двух молекул воды (14,19+5,98)eV, оказывается больше энергии, затраченной на разрушение двух молекул водорода (9,06 eV) и одной молекулы ки слорода (5,13 eV). Сформировавшаяся разность энергий 5,98 eV разделится между двумя молекулами воды. На одну молекулу приходится 5,98/2=2,99 eV или 285, кДж/моль, что полностью соответствует существующим экспериментальным данным.

Изложенное выше проясняет причину взрыва при соединении водорода с кислородом. Одновременный пе реход шести кольцевых электронов каждого атома ки слорода в рождающихся молекулах воды на более низкие энергетические уровни сопровождается одновременным излучением фотонов, объём которых на 5-6 порядков больше объёмов электронов, излучивших их. В результа те и генерируется явление взрыва.

Обратим внимание на то, что на рис. 105, b пока заны две энергии связи между валентными электронами e2 и 2, а также между 1 и e1. Энергия одной электроди намической связи равна 0,74 eV. Если эту связь разру шать термическим путем, то потребуется 0,74х2=1,48 eV.

Эта же энергия выделится при последующем синтезе мо лекулы воды из атома водорода H и иона гидроксила OH. Дополнительная тепловая энергия в этом случае не генерируется.

Однако, если указанную связь разрушать механи ческим путем, затрачивая по 0,74 eV на каждую связь, то после её разрыва у каждого электрона образуется дефицит энергии, равный 0,74 eV. Эта энергия будет немедленно поглощена из окружающей среды и излучена в виде фо тона при повторном синтезе молекулы воды из атома во дорода H и иона гидроксила OH. Так одна ковалентная химическая связь при механическом разрушении моле кулы воды формирует 0,74 eV дополнительной тепловой энергии, которая, как мы уже отметили, устойчиво реги стрируется в системах кавитации воды.

Известно, что молекулы воды, объединяясь, фор мируют кластеры. Механическое разрушение связей меж ду кластерами и последующий синтез этих связей также должен сопровождаться выделением дополнительной те пловой энергии.

Источником дополнительной энергии является субстанция физического вакуума, которую мы называем эфиром. Электроны кластеров извлекают эту энергию из физического вакуума после механического разрушения их связей и выделяют её в виде фотонов при последую щем синтезе ионов, молекул и кластеров.

7.14. Кластеры воды Известно, что молекулы воды могут соединять ся друг с другом, образуя целые ассоциации, которые на зываются кластерами. Кластеры - это совокупность одно именных молекул и ионов, соединенных между собой, как раньше считалось, водородными связями. И это дей ствительно так. Молекулы воды могут соединять в кла стеры протоны атомов водорода (рис. 106).

Теперь мы можем назвать их протон - протонные связи. Вот как записывается химическая формула кла стера, состоящего из n ионов H3 O и молекул воды (197) H 3 O ( H 2 O ) n 1 H 2 O H 3 O ( H 2 O ) n.

При участии иона OH реакция протекает так OH ( H 2 O) n 1 H 2 O OH ( H2 O) n. (198) На рис. 106 показаны теоретические (рис. 106, а, b) и экспериментальные (рис. 106, с, d, e) кластеры молекул воды, полученные японскими исследователями. Сущест вуют и экспериментальные данные энергий связи между молекулами воды и ионами H3 O и OH при раз ном их количестве в линейном кластере (рис. 106, а и табл. 40).

Таблица 40. Значения энергий связи в кластерах, eV Знач. n 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6- ( H O) 1,56 0,97 0,74 0,67 0,57 0,51 0, H3O 2n ( H O) 1,10 0,71 0,66 0,62 0,61 - OH 2n В современной химии принято считать, что процесс образования кластеров воды эндотермический, то есть при образовании кластеров электроны, соединяющие молекулы друг с другом, поглощают фотоны и удаляются от ядер атомов в своих ячейках. Например, при n=7 на об разование кластера H 3 O ( H 2 O) 7 (табл. 40) затрачивается (1,56+0,97+0,74+0,67+0,57+0,51+0,45)=5,47 eV.

Имея структуры молекул воды (рис. 97-101, 102), мы видим и другие возможности образования кластеров.

Нет никаких ограничений для формирования протон протонных связей между молекулами воды. Так, протоны атомов водорода в молекулах воды, соединяясь, друг с другом, образуют ассоциацию из двух и более молекул (рис. 106, а).

Рис. 106. Кластеры молекул воды: а) и b) - линей ный и шести лучевой теоретические кластеры;

с) шести лучевой кластер, сформированный классической музы кой;

d) шести лучевой кластер, сформированный молит венным голосом верующего;

е) шести лучевой кластер, разрушенный мобильным телефоном Кроме того, ионы OH (рис. 101) могут сформиро вать три протон-протонных связи с молекулой воды.

В этот процесс могут вовлекаться и протоны вторых атомов водорода в молекуле воды и протоны ио нов ОН 3 (рис. 102), а также кольцевые электроны атомов кислорода в молекуле воды. В результате количество мо лекул в кластере увеличивается, а структура кластера ус ложняется (рис. 106, a, b, c, d, e).

Таким образом, для образования кластеров воды совершенно не обязательно присутствие в ней ионов гид роксила ОН и гидроксония ОН 3. Обратим внимание на структуру молекулы ортоводорода на рис. 76, b. Она мо жет быть связующим звеном в кластере и после его раз рушения водород может рождаться сразу не в атомарном, а в молекулярном состоянии. Именно это происходит при явлении кавитации или при фотосинтезе.

Если в обычных условиях молекулы воды объеди няются в ассоциации, называемые кластерами, то при пе реходе в парообразное состояние энергия связи между кластерами приближается к нулю, и у нас появляется возможность рассчитать энергию связи между молекула ми в кластере при температуре 20 0 С. Для этого исполь зуем энергию парообразования 2595,2 кДж/кг. Переведем эту энергию в электрон-вольты в расчете на одну молеку лу (рис. 106).

2595,2 Eb 0,485eV. (199) 6,02 10 23 1,6 10 19 55, Этот результат близок к энергии связи (0,54 eV) электрона атома водорода в момент пребывания его на пятом энергетическом уровне (табл. 9) и свидетельствует о том, что у протона этого атома большая часть магнит ных силовых линий идет на связь с электроном, а мень шая часть свободна и может быть задействована на связь с протоном атома водорода соседней молекулы воды (рис.

106, а).

Имеется также возможность рассчитать энергию, затрачиваемую на нагрев одной молекулы воды на один градус. Известно, что при нагревании одного литра воды от 20 0 С до 100 0 С затрачивается 335,2 кДж энергии. В расчете на одну молекулу это составит 335,2 Eb 0,063eV. (200) 6,02 10 23 1,6 10 19 55, Это - величина энергии, на которую изменится энергия связи молекул воды в кластерах, если нагреть её от 20 0 С до 100 0 С. Разделив 0,063 eV на 80, получим величину, на которую изменяется энергия связи между молекулами воды в кластерах при нагревании её на один градус. Она оказывается равной 0,00078 eV. Эта энергия соответствует фотонам реликтового диапазона (табл. 4).

Таким образом, минимальная энергия фотонов, поглощаемых электронами молекулы воды при нагрева нии, соответствует энергиям фотонов реликтового диапа зона, что служит дополнительным косвенным доказатель ством того, что этот диапазон является границей сущест вования единичных фотонов.

На рис. 106, а показан линейный кластер из 2-х молекул воды. Энергия связи между протонами атомов водорода в этом кластере равна 0,485 eV (199) при темпе ратуре 20 град. Цельсия. При нагревании на один градус эта энергия связи уменьшается на 0,00078 eV. Мини мальная величина, на которую может измениться эта энергия связи, равна энергии 0,000022 eV поглощаемого фотона с максимальной длиной волны 0,056м. Из этого следует, что минимальный градиент изменения темпера туры воды близок к 0,000022/0,00078=0,03 град. С.

Теперь появляется возможность уточнить номер энергетического уровня, на котором находятся электроны атомов водорода в молекуле воды. Для этого переведем энергию (286 кДж) синтеза одного моля воды в электрон вольты 286 E 2,97eV. (201) 6,02 10 23 1,6 10 В расчете на одну связь имеем 2,97/2=1,485 eV.

Это близко к энергии связи 1,51 eV электрона атома водо рода, соответствующей пребыванию его на третьем энергетическом уровне. Из этого следует, что электроны атомов водорода и кислорода в молекуле воды находятся при обычной температуре (1,48/2=0,74eV) между четвер тыми и пятыми энергетическими уровнями.

При переходе из газообразного в жидкое состоя ние атом кислорода (рис. 94, b) в молекуле воды должен уменьшить свой объём. Это произойдет, если кольцевые электроны атома кислорода опустятся на более низкие энергетические уровни (ближе к ядру). При этом каждый из 6-ти кольцевых электронов излучит фотон с энергией 1,18 eV (рис. 105). Это больше энергии (0,74 eV) связи с ядром осевых электронов и указывает на то, что кольце вые электроны расположены ближе к ядру, чем осевые.

Изложенное выше, проясняет причину взрыва при соединении водорода с кислородом (рис. 94). и образова ния молекулы воды. Одновременный переход шести кольцевых электронов каждого атома кислорода в рож дающихся молекулах воды на более низкие энергетиче ские уровни сопровождается одновременным излучением фотонов, которые и генерируют явление взрыва, так как их размеры на 5-7 порядков больше размеров электронов, излучающих фотоны.

Если представить себе кластер из двух молекул во ды, имеющих формы шаров с диаметрами около 100 мет ров, то протоны, расположенные на поверхности этих ша ров и связывающие их в кластер, имеют миллиметровые размеры. Малейшее, даже механическое, воздействие раз рушит эту систему, создавая условия для текучести моле кул воды.

Если бы кластеры образовывались электрон - элек тронными связями, то они бы имели уже метровые разме ры на поверхности стометровых молекул.

На рис. 106, b) показан один вариант начала фор мирования шести лучевого кластера молекул воды. К шести кольцевым электронам атома кислорода в молекуле воды присоединяются протоны атомов водорода других молекул воды. Свободные концы образовавшихся шести лучей могут завершаться осевыми протонами (Р) атомов водорода в молекулах воды (рис. 106, b) или осевыми электронами (е) атомов кислорода (рис. 106, b).

Наличие на концах шести лучей протонов или электронов со свободными магнитными полюсами обес печивает присоединение к ним других молекул воды или ионов ОН и ОН 3 (рис. 106, b). Таким образом, обеспе чивается формирование и рост шести лучевых кластеров молекул воды.

Приведенные интервалы изменения энергий связи между молекулами и ионами ОН и ОН 3 в шести луче вых кластерах и объясняют многообразие архитектоник этих формирований (рис. 106). Когда играет ритмичная классическая музыка, то она оказывает ритмичное возбу ждающее действие на кольцевые электроны молекул азота и кислорода воздуха и те, излучая при этом воздействии фотоны с упорядоченными энергиями, способствуют формированию шести лучевых кластеров (рис. 106, с) молекул воды и её ионов ОН и ОН 3.

Успокоенный мозг и тело молящегося человека также излучают фотоны с упорядоченными энергиями, и это тоже приводит к формированию шести лучевых кла стеров (рис. 106, d). Сотовый телефон излучает мощные импульсы фотонов с различными энергиями, которые сра зу разрушают связи между молекулами кластера и он раз рушается (рис. 106, e). Аналогичный результат получается при исполнении джазовой музыки. Её сумбурные, резко меняющиеся звуки, передаются молекулам воздуха и те излучают фотоны с разным диапазоном энергий. При по глощении их электронами кластеров воды энергии связи между молекулами кластера могут уменьшаться до нуля.

В результате кластер разрушается (рис. 106, e).

В одном кубическом метре содержится 1000х0,09=90 гр. водорода. Энергосодержание одного грамма молекулярного водорода равно 142 кДж. Энерго содержание одного кубического метра водорода оказыва ется таким 142х90=12780 кДж. Получаемая энергия кДж эквивалентна (12780/3600)=3,55 кВтч. Если удастся добиться меньших затрат энергии на получение одного кубического метра водорода, чем 3,55 кВтч, то он станет конкурентно-способным энергоносителем.

8. ТЕРМОДИНАМИКА МИКРОМИРА 8.1. Вводная часть Термодинамика макромира освоена давно и изуче на основательно. Термодинамика микромира только раз рабатывается. Их объединяют фундаментальные понятия тепло и температура, чёткий физический смысл которых появился лишь в начале рождения термодинамики мик ромира. В результате появилась возможность установить связь между термодинамиками макро – и микромира.

В Физическом энциклопедическом словаре напи сано: «Термодинамика – наука о наиболее общих свойст вах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями». Поскольку основой любых макроскопических систем являются обитатели микромира, то термодинамика макромира должна иметь связь с термодинамикой микромира. Попытаемся устано вить эту связь.

Термодинамика макромира использует ряд специ фических понятий. Первое из них - «Первое начало тер модинамики», которое устанавливает эквивалентность те плоты и работы и позволяет сравнивать их количества в одних и тех же единицах. Основы этой эквивалентности были заложены Ю. Р. Майером и Дж. Джоулем в 1842 1943 годах. Из этого начала следует невозможность соз дания так называемого «вечного двигателя», под которым стали понимать процесс, рождающий энергии больше, чем затрачено на его реализацию. Это следствие было признано всеобщим и явилось главным критерием для бе зоговорочного отрицания существования таких процес сов, которые генерируют энергии больше затрачиваемой на их реализацию. Кратко этот критерий называют зако ном сохранения энергии.

Однако, в конце ХХ и начале XXI появилось дос таточно много экспериментальных данных, которые по ставили под сомнение достоверность указанного крите рия. Например, японцы уже выпустили эксперименталь ный образец мини автомобиля, движущегося за счёт элек тричества, получаемого из воды, без каких – либо допол нительных затрат энергии. Раньше это считалось невоз можным.

Ошибочность закона сохранения энергии, как кри терия для оценки баланса между затрачиваемой и выраба тываемой энергией сохранялась так долго потому, что не был открыт закон формирования мощности в электриче ских цепях с разной скважностью импульсов. Теперь этот закон открыт, и его достоверность доказана эксперимен тально. Оказалось, что при импульсном воздействии на ионы и кластеры воды затраты энергии на её нагревание зависят от скважности импульсов и могут быть значи тельно меньше получаемой при этом тепловой энергии.

Это явно противоречит закону сохранения энергии в его существующей формулировке и отрицает достоверность «Первого начала термодинамики». Однако указанный эф фект оставался не выявленным, так как он реализуется только тогда, когда первичный источник электричества генерирует импульсы напряжения и тока с той же скваж ностью, с какой работает потребитель этих импульсов.

Поскольку все первичные источники электричества, включая батареи, генерируют напряжение непрерывно, то энергетическая эффективность процесса нагревания воды оставалась не выявленной и нереализованной.

Вторым специфическим понятием Термодинамики макромира является понятие «Второе начало термодина мики». Физическую суть этого понятия наиболее удачно отразил Р. Клаузис в 1850 г. Она заключается в том, что невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. Дальше мы приведём математическую модель этого закона и детально опишем причины, реализующие его в реальной действительности. Новая теория микроми ра усиливает достоверность и значимость «Второго нача ла термодинамики».

Выявление особенностей Термодинамики микро мира начнём с анализа закона излучения абсолютно чер ного тела, открытого Максом Планком в начале ХХ века.

8.2. Закон излучения абсолютно черного тела – закон классической физики Известно, что в конце 19 века было объявлено, что законы классической физики успешно работают только в макромире, а в микромире работают другие – квантовые законы. Эта точка зрения была господствующей в течение всего ХХ века. И вот теперь, когда мы на базе законов классической физики выявили модели фотона, электрона, протона, нейтрона и принципы формирования ядер, ато мов и молекул, возникает вопрос: а не ошиблись ли физи ки прошлых поколений, похоронив возможности класси ческой физики решать задачи микромира? Чтобы отве тить на этот вопрос, давайте внимательно проанализируем истоки недоверия к классической физике при поиске при емлемого варианта интерпретации экспериментальной информации об излучении абсолютно черного тела (рис.

107).

Все началось с установления закона излучения абсо лютно черного тела (рис. 107). Вывод математической модели этого закона, выполненный Максом Планком в начале ХХ века, базировался на понятиях и представлени ях, которые, как считалось, противоречат законам клас сической физики.

Рис. 107. а) графическая модель абсолютно черного тела;

b) – зависимость плотности излучения абсолютно чёрного тела от длины волны, излучаемых фотонов Планк ввел в математическую модель закона излу чения абсолютно черного тела константу h с размерно стью механического действия, что явно противоречило представлениям о волновой природе электромагнитного излучения. Тем не менее, его математическая модель дос таточно точно описывала экспериментальные зависимо сти этого излучения. Введенная им константа указывала на то, что излучение идет не непрерывно, а порциями. Это противоречило закону излучения Релея - Джинса, кото рый базировался на представлениях о волновой природе электромагнитного излучения, но описывал эксперимен тальные зависимости лишь в диапазоне низких частот.

Поскольку в математической модели закона излу чения абсолютно черного тела присутствует математиче ская модель закона излучения Релея - Джинса, то получа ется, что планковский закон излучения абсолютно черно го тела базируется на исключающих друг друга волно вых и корпускулярных представлениях о природе излу чения.

Несовместимость непрерывного волнового процес са излучения с парциальным процессом явилась веским основанием для признания кризиса классической физики.

С этого момента физики начали полагать, что сфера дей ствия законов классической физики ограничена макроми ром. В микромире, считают они, работают другие, кван товые законы, поэтому физика, описывающая микромир, должна называться квантовой физикой. Следует отметить, что Макс Планк пытался разобраться со смесью таких физических представлений и вернуть их на классический путь развития, но ему не удалось решить эту задачу.

Спустя почти сто лет нам приходится констатиро вать, что граница между законами классической и кван товой физики до сих пор не установлена. По-прежнему испытываются значительные трудности при решении многих задач микромира и многие из них считаются не разрешимыми в рамках сложившихся понятий и пред ставлений, поэтому мы вынуждены возвратиться к по пытке Макса Планка выполнить вывод математической модели закона излучения абсолютно черного тела на ос нове классических представлений.

Прежде всего, приведем формулу Релея - Джинса, которая удовлетворительно описывает эксперименталь ную закономерность низкочастотного диапазона излуче ния (рис. 107). Основываясь на волновых представлениях об электромагнитном излучении, они установили, что энергия E RD, заключенная в объёме V абсолютно черного тела, определяется зависимостью 8 V kTd, E RD (202) C где - частота излучения;

V - объём полости аб солютно черного тела (рис. 107);

C - скорость света;

k постоянная Больцмана;

T - абсолютная температура из лучения.

Разделив левую и правую части соотношения (202) на объём V, получим объёмную плотность электро магнитного излучения 8 kTd. (203) C Вывод этой формулы базируется на представлении о существовании в замкнутой полости абсолютно черного тела (рис. 107, b) целого числа стоячих волн электромаг нитного излучения с частотой.

Чтобы получить математическую модель, которая описывала бы весь спектр электромагнитного излучения абсолютно черного тела, Макс Планк постулировал, что излучение идет не непрерывно, а порциями так, что энер гия E каждой излученной порции оказывается равной E h, и формула для расчета плотности электро магнитного излучения абсолютно черного тела оказалась такой (рис. 107) 8 2 h. (204) C 3 e h / kT Величина h - константа с механической размер ностью действия. Причем смысл этого действия в то вре мя был совершенно неясен. Тем не менее, математиче ская модель (204), полученная Планком, достаточно точ но описывала экспериментальные закономерности излу чения абсолютно черного тела (рис. 107).

h Как видно, выражение h / kT в формуле (204) e играет роль некоторого существенного дополнения к формуле (203) Релея - Джинса, суть которого сводится к тому, что h - энергия одного излученного фотона.

Конечно, чтобы понять физический смысл план ковского дополнения надо иметь представление о магнит ной структуре фотона, так как в этой структуре скрыт фи зический смысл самой постоянной Планка h. Поскольку произведение h описывает энергии фотонов всей шка лы электромагнитного излучения, то в размерности по стоянной Планка и скрыта магнитная структура фотона.

Нами уже установлено, что фотон имеет такую вращаю щуюся магнитную структуру, центр масс которой описы вает длину волны, равную его радиусу r. В результа те математическое выражение константы Планка прини мает вид h m2 mr 2 ( кг м 2 / с ) const. (205) Как видно, константа Планка имеет явную ме ханическую размерность момента импульса. Хорошо из вестно, что постоянством момента импульса управляет закон сохранения момента импульса и сразу становится ясной причина постоянства постоянной Планка. Прежде всего, понятие «закон сохранения момента импульса»

является понятием классической физики, а точнее - клас сической ньютоновской механики. Он гласит, что если сумма моментов внешних сил, действующих на вра щающееся тело, равна нулю, то момент импульса та кого тела остаётся постоянным по величине и направ лению.

Конечно, фотон не является твердым телом, но он имеет массу m и у нас есть все основания полагать, что роль массы у фотона выполняет вращающаяся отно сительно оси магнитная субстанция, то есть - магнитное поле. Из математической модели (205) постоянной План ка следует, что магнитная модель фотона должна быть такой, чтобы одновременное изменение массы m, радиу са r и частоты вращающихся магнитных полей фо тона оставляло бы их произведение, отраженное в мате матическом выражении постоянной Планка (205), посто янным.

Например, с увеличением массы (энергии) фо тона уменьшается длина его волны. Опишем повторно, как это изменение реализуется постоянной Планка (205) в модели фотона (рис. 8).

Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения момента импульса h mr const, то с увеличением массы m фотона растет плотность его магнитных полей (рис. 8) и за счет этого увеличиваются магнитные силы F, сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробеж ными силами инерции, действующими на центры масс этих полей. Это приводит к уменьшению радиуса r фотона, который всегда равен длине его волны. Но поскольку радиус r в выражении постоянной Планка возводится в квадрат, то для сохранения постоянства по стоянной Планка (205) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого незначи тельное изменение массы фотона автоматически изме няет его радиус и частоту так, что момент импульса (постоянная Планка) остается постоянным. Таким обра зом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру, меняют массу, частоту и радиус так, чтобы h mr 2 const. То есть принципом этого изменения управляет закон сохранения момента импульса.

Если задаться вопросом: почему фотоны всех частот движутся в вакууме с одинаковой скоростью?

То получается следующий ответ. Потому что изменением массы m фотона и его радиуса r управляет закон лока лизации k0 mr const таким образом, что при увеличе нии массы m фотона его радиус r уменьшается и наобо рот. Тогда для сохранения постоянства константы Планка h mr r const при уменьшении радиуса r частота должна пропорционально увеличиваться. В результате их произведение r остаётся постоянным и равным C.

При этом скорость центра масс m фотона (рис. 10) из меняется в интервале длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной C (рис.

10).

Таким образом, постоянством константы h Планка управляет один из самых фундаментальных зако нов классической физики (а точнее - классической меха ники) - закон сохранения момента импульса, который имеет и другое название – кинетический момент. Это чистый классический механический закон, а не какое - то мистическое механическое действие, как считалось до сих пор. Поэтому появление постоянной Планка в математи ческой модели закона излучения абсолютно черного тела не даёт никаких оснований утверждать о неспособности классической физики описывать процесс излучения это го тела. Наоборот, самый фундаментальный закон клас сической физики - закон сохранения момента импульса как раз и участвует в описании этого процесса. Таким образом, планковский закон излучения абсолютно черно го тела является законом классической физики и нет ни какой нужды вводить понятие «Квантовая физика». Су ществует и классический вывод формулы (204) Планка.

Он базируется на корпускулярных представлениях о структуре фотонов.

Так как излучение абсолютно черного тела пред ставляет собой совокупность фотонов, каждый из которых имеет только кинетическую энергию h, то мы должны ввести в математическую модель закона максвелловского распределения кинетическую энергию h фотона и теп ловую энергию kT совокупности излученных фотонов y e h / kT. (206) Далее, мы должны учесть, что фотоны излучаются электронами атомов при их энергетических переходах.

Каждый электрон может совершать серию переходов ме жду энергетическими уровнями, излучая при этом фото ны разной энергии. Поэтому полное распределение объ ёмной плотности энергий излученных фотонов будет со стоять из суммы распределений, учитывающих энергии фотонов всех энергетических уровней. С учетом изложен ного, закон Максвелла, учитывающий распределения энергий фотонов всех ( n ) энергетических уровней ато ма, запишется так y e h / kT e 2h / kT e 3h / kT e nh / kT, (207) где n - главное квантовое число, определяющее номер энергетического уровня электрона в атоме.

Известно, что сумма ряда (207) равна y. (208) e h / kT Умножая правую часть формулы (208) на кон станту Планка h мы получим главный множитель в фор муле (204) Планка, описывающий закономерность изме нения плотности фотонов в полости чёрного тела (рис.

109, a) от частоты фотонов или их длины волны (рис. 107, b) 8 2 h. (209) 3 e h / kT C Это и есть закон излучения абсолютно черного тела (209), полученный Максом Планком. Выражение (209) незначительно отличается от выражения (208) коэффици ентом, который, как считалось до сих пор, учитывает чис ло степеней свободы электромагнитного излучения абсо лютно черного тела. По мнению Э.В. Шпольского его величина зависит от характера волн электромагнитного излучения и может изменяться от 4 до 12. Однако, в рамках изложенных представлений переменный коэффи циент 24 3 24 kf 3 3 (210) C3 r характеризует плотность фотонов в полости абсолютно черного тела. Более точное значение постоянной состав ляющей 24 этого коэффициента можно определить экс периментально.

Таким образом, мы вывели закон излучения абсо лютно черного тела, основываясь на чистых классических представлениях и понятиях, и видим полное отсутствие оснований полагать, что этот закон противоречит класси ческой физике. Наоборот, он является следствием зако нов этой физики. Все составляющие математической мо дели закона (209) излучения абсолютно черного тела при обрели давно присущий им четкий классический физиче ский смысл.

Обратим особое внимание на то, что в спектре аб солютно чёрного тела присутствуют фотоны (рис. 8, 107) разных радиусов r, а максимумы температур (2000 и 1500 град. С, рис. 107) формирует совокупность фотонов с определёнными радиусами, величины которых достаточ но точно определяет формула Вина C ' 2,898 10,м. (211) r T T Например, максимум температуры 2000 0 С фор мирует совокупность фотонов с радиусами 2,898 10 C' 1,274877 10 6 м. (212) r2000 T1 273,16 Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона и у нас сразу возникает возражение. Опыт подсказывает нам, что температуру 2000 0 С формируют видимые фото ны светового диапазона. Такая точка зрения - яркий при мер ошибочности наших интуитивных представлений.

Поясним её суть на следующем примере.

Солнечный морозный зимний день с температурой минус 30 град. Цельсия с хрустящим снегом под ногами.

Обилие солнечного света формирует у нас иллюзию мак симального количества световых фотонов, окружающих нас, и мы готовы уверенно констатировать, что находимся в среде фотонов со средней длиной волны (точнее теперь со средним радиусом) светового фотона r 5,0 10 7 м (табл. 2). Но закон Вина (211) поправляет нас, доказывая, что мы находимся в среде фотонов, максимальная сово купность которых имеет радиусы (длины волн), равные (табл. 2).

C ' 2,898 10 1,1918 10 5 м. (213) 30 r30 T 273,16 Как видите, наша интуитивная ошибка более двух порядков. В яркий солнечный зимний день при морозе минус 30 градусов мы находимся в среде с максимальным количеством не световых, а инфракрасных фотонов с длинами волн (или радиусами) 1, 2 10 5 м. Попутно отме тим, что длины волн (радиусы) фотонов изменяются в ин тервале 16 порядков (рис. 8). Самые большие радиусы ( r 0,056 м ) имеют фотоны реликтового диапазона (табл.

2), формирующие минимально возможную температуру вблизи абсолютного нуля, а самые маленькие ( r 1 10 18 м ) - гамма фотоны (табл. 2) вообще не форми руют никакую температуру. Формированием структуры фотонов и их поведением управляют 7 констант.

Представленная информация убеждает нас в спра ведливости формулы Вина (211) и мы можем найти ра диусы фотонов, совокупность которых формирует второй максимум температуры 1500 0 С (рис. 107).

2,898 10 C' 1,63437 10 6 м. (214) r1500 T1 273,16 Как видно (213 и 214), с уменьшением температу ры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, увеличиваются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы и мы сейчас убедимся в этом.

Считалось, что формула Вина (211) справедлива только для замкнутых систем (рис. 107). Однако, мы сей час увидим, что она идеально описывает не только излу чение абсолютно черного тела (рис. 107), как замкнутой системы, но и Вселенной – абсолютно незамкнутой сис темы (рис. 108).

Теоретическая зависимость плотности излучения Вселенной (рис. 108 – тонкая линия) подобна зависимо сти плотности излучения абсолютно черного тела (рис.

107) описываемого формулой Планка (205).

Максимум излучения Вселенной зафиксирован экспериментально при температуре T 2,726 K (рис. 108, точка А) и имеет длину волны 2,726 1,063 мм.. Формула Вина (211) даёт такой же результат C ' 2,898 10 2,726 1,063 мм.

(215) T 2, Рис. 108. Зависимость плотности излучения Все ленной от длины волны: теоретическая – тонкая линия;

экспериментальная – жирная линия Это яркое доказательство того, что закон Вина справедлив не только для замкнутых систем, таких, как абсолютно чёрное тело (рис. 107, а), но для абсолютно незамкнутых, таких, как Вселенная (рис. 108).

Чтобы найти источник максимума излучения Все ленной (рис. 108, точки А и 3), обратим внимание на то, что наблюдаемая нами Вселенная состоит из 73 процентов водорода, 24 процентов гелия и 3 процентов более тяже лых элементов. Это значит, что спектр Вселенной форми руют фотоны, излучаемые в основном рождающимися атомами водорода. Известно также, что рождение атомов водорода сопровождается процессом сближения электро на с протоном, в результате которого электрон излучает фотоны.

Совпадение теоретической величины длины волны (рис. 108, точка 3) с её экспериментальным значением 2,726 0,001063 м (рис. 108, точка А), доказывает кор ректность использования формулы Вина (211) для анали за спектра излучения Вселенной.

Фотоны с длиной волны 2,726 0,001063 м обла дают энергией h C 6,626 10 34 2,998 10 0,001167eV (216) E2,726 2, 726 1,602 10 19 0, Энергия E 2, 726 0,001166597eV соответствует энергии связи электрона с протоном в момент пребывания его на 108 энергетическом уровне. Она равна энергии фо тона, излучённого электроном в момент установления контакта с протоном и начала формирования атома водо рода.

Процесс сближения электрона с протоном протека ет при их совместном переходе из среды с высокой тем пературой в среду с меньшей температурой или, проще говоря, при удалении от звезды. Сближение электрона с протоном идёт ступенчато. Количество пропускаемых ступеней в этом переходе зависит от градиента темпера туры среды, в которой движется родившийся атом водо рода. Чем больше градиент температуры, тем больше сту пеней может пропустить электрон, сближаясь с прото ном.

Естественно, что после формирования атомов во дорода наступает фаза формирования молекул водорода, которая также должна иметь максимум излучения.

Известно, что атомарный водород переходит в мо лекулярный в интервале температур 2500....5000 K.

Радиусы фотонов, излучаемых электронами атомов водорода при формировании его молекулы, будут изме няться в интервале:

С ' 2,898 10 1,16 10 6 м ;

(217) r1 T С ' 2,898 10 5,80 10 7 м. (218) r2 T Таким образом, у нас есть основания полагать, что максимум излучения Вселенной, соответствующий точке С (рис. 108), формируется фотонами, излучаемыми элек тронами при синтезе молекул водорода.

Однако на этом не заканчиваются процессы фазо вых переходов водорода. Его молекулы, удаляясь от звезд, проходят зону последовательного понижения температу ры, минимальная величина которой равна Т=2,726 К. Из этого следует, что молекулы водорода проходят зону тем ператур, при которой они сжижаются. Она известна и равна T 33K. Поэтому есть основания полагать, что должен существовать ещё один максимум излучения Все ленной, соответствующий этой температуре. Длина волны фотонов, формирующих этот максимум, равна С ' 2,898 10 8,8 10 5 м.

B (219) T Этот результат почти полностью совпадает с мак симумом в точке В на рис. 108 и доказывает, что спектр излучения Вселенной формируется процессами синтеза атомов и молекул водорода, а также - сжижения молекул водорода. Эти процессы идут непрерывно и не имеют ни какого отношения к так называемому Большому взрыву.

Как видно (212 - 219), формула Вина (211) спра ведлива не только для замкнутых систем, каким является полость абсолютно чёрного тела (рис. 107, а), но и для не замкнутых, подобных Вселенной.

7.3. Физический смысл тепла и температуры Понятия тепло и температура относятся к числу фундаментальных научных понятий. Они широко исполь зуются в научных исследованиях, инженерной практике и обыденной жизни. Однако, физический смысл этих по нятий оставался туманным до выявления модели фотона (рис. 8) и роли закона Вина (211) в формировании макси мумов излучений в полости чёрного тела (рис. 107) и максимумов излучения Вселенной (точки А, В и С на рис.

108). Происходит это потому, что элементарный носитель тепловой энергии – фотон (рис. 8) существует в рамках Аксиомы Единства, а теоретики пытаются выявить его электромагнитную структуру и описать его поведение при формировании тепла и температуры с помощью теорий, работающих за рамками этой аксиомы.

В соответствии с теорией, работающей в рамках Ак сиомы Единства, радиус r вращения магнитной струк туры фотона (рис. 8), изменяясь в диапазоне (3 10 3...3 10 18 ) м, остаётся равным длине волны, которую описывает его центр масс. Сейчас мы увидим, что изменение температуры среды – следствие изменения длины волны большинства фотонов в этой среде (рис.

109) и станет ясно, что тепло и температуру формирует наибольшее количество фотонов (рис. 8) с определенной длиной волны (рис. 107).

На рис. 107, b представлена зависимость интенсив ности излучения абсолютно черного тела от длины волны излучения при разных температурах. Известно, что зави симость изменения максимума излучения черного тела от температуры T и длины волны описывается законом Вина (211). Мы уже показали, что этот закон позволяет определить длину волны излучения (фотона), соответст вующую максимуму излучения при любой температуре T не только в полости абсолютно черного тела, но в полос ти всей Вселенной (рис. 108). А теперь посмотрим, как он описывает процесс формирования температуры в любых двух точках пространства.

Допустим, термометр показывает 0 0 C. Длина вол ны максимального количества (плотности в единице объ ёма пространства вблизи термометра) фотонов, форми рующих эту температуру, будет равна C ' 2,898 10 10,609555 10 6 м.

0 (220) T 273,15 Длина волны фотонов, совокупность которых фор мирует температуру 10 С, будет равна C ' 2,898 10 10,570855 10 6 м.

1 (221) T 273,15 Энергии фотонов, формирующих температуры 0 С и 10 С будут соответственно равны:

6,626 10 34 2,998 10 hC 0,116882eV ;

(222) E0 1,602 10 19 10,609555 10 6,626 10 34 2,998 h C 0,117304eV. (223) E1 1,602 10 19 10,570855 10 Тогда разность энергий фотонов, при которой из меняется температура на 10 С, окажется такой E E 0 E1 0,116882 0,117304 0,0004eV. (224) Если термометр показывает 20 0 C, то максималь ное количество фотонов в зоне термометра, формирую щих эту температуру, имеет длину волны C ' 2,898 10 9,885 10 6 м.

20 (225) T 273,16 При повышении температуры до 30 0 C максималь ное количество фотонов в единице объёма в зоне термо метра, формирующих эту температуру, имеет длину вол ны C ' 2,898 10 9,560 10 6 м.

30 (226) T 273,16 Когда термометр показывает 100 0 C, то макси мальное количество фотонов в зоне термометра, форми рующих эту температуру, имеет длину волны C ' 2,898 10 8,010 10 6 м.

100 (227) T 273,16 Длина волны фотонов, формирующих температуру 1000 C, равна 2,898 10 C' 2,276 10 6 м.

1000 (228) T 273,16 Поскольку это длины волн невидимых инфракрас ных фотонов, то создаётся ощущение ошибочности ре зультата, так как тела с такой температурой излучают световые фотоны. Однако, надо учитывать, что формула Вина даёт длину волны максимальной плотности фото нов, формирующих такую температуру. Это значит, что присутствие световых фотонов не исключается, что мы и наблюдаем в действительности, но температуру, равную 1000 0 С, формирует максимальная совокупность инфра красных фотонов с длиной волны 2,276 10 6 м.

Когда температура в полости черного тела повы шается до 1500 0 С, то длина волны фотонов, формирую щих максимальную их плотность в полости черного тела, уменьшается (рис. 107) 2,898 10 C' 1,634 10 6 м.

1500 (229) T 273,16 При температуре в полости черного тела, равной T 2000 0 С (рис. 108), имеем 2,898 10 C' 1,275 10 6 м.

2000 (230) T 273,16 Таким образом, температуру среды в интервале 0.....2000 0 C формируют фотоны инфракрасного диапа зона (табл. 31). С увеличением температуры длина волны фотонов, формирующих её, уменьшается.

Таблица 31. Длины волн и энергии фотонов, формирую щих определённую температуру Радиусы фотонов Энергии Температура, фотона, eV С / град. К 0,973 2000/2273, 1, 275 10 м 0,545 1000/1273, 2,276 10 6 м 0,160 100/373, 7,766 10 6 м 0,121 10/283, 10, 234 10 м 0,117 1/274, 10,570 10 6 м 0,117 0,0/273, 10,609 10 6 м 0,116 -1/272, 10,648 10 6 м 0,113 -10/263, 11,012 10 6 м -30/243, r 12 10 6 м 0,074 -100/173, 16,736 10 6 м 0,031 -200/73, 39,612 10 6 м 0,001 -270/3, 917,089 10 6 0,917 10 3 м 0,0005 -272/1, 2,489 10 3 м 0,00007 -273/0, 18,112 10 3 м 0,00004 -273,06/0, 28,98 10 3 м 28,98 мм 0,000024 -273,10 /0, 52 мм Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона и у нас сразу возникает возражение. Попутно отметим, что длины волн (радиусы) фотонов изменяются в интер вале 16 порядков (рис. 8). Самые большие радиусы ( r 0,056 м ) имеют фотоны реликтового диапазона (табл.

31), формирующие минимально возможную температуру вблизи абсолютного нуля, а самые маленькие ( r 1 10 18 м ) - гамма фотоны (табл. 31) вообще не фор мируют никакую температуру. Формированием структу ры фотонов и их поведением управляют 7 констант.

Представленная информация убеждает нас в справедливо сти формулы Вина (211) и мы можем составить таблицу радиусов и энергий фотонов, формирующих определён ные температуры.

Как видно (229 и 230), с уменьшением температу ры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, увеличиваются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы и мы сейчас убедимся в этом.

Итак, температура, которую показывает термометр, формируется максимальной плотностью фотонов, длина волны которых определяется по формуле (211) Вина.

А теперь обратим внимание на то, как формирова ние температуры связано с энергетическими переходами электронов в атомах. Например, при переходе электрона атома водорода с 4-го на 3-й энергетический уровень из лучается фотон с энергией E 43 12,748125 12,08711 0,6610eV (231) и длиной волны h C 6,626 10 34 2,998 10 1,876 10 6 м. (232) 43 0,661 1,602 10 E 4 Если бы фотоны с длиной волны 43 1,876 10 6 м формировали температуру, то она была бы равна 2,898 10 C' 1544,78 K. (233) T43 43 1,876 10 При переходе электрона с 3-го на 2-й энергетический уровень излучается фотон с энергией E3 2 12,087111 10,198499 1,8886eV (234) и длиной волны h C 6,626 10 34 2,998 6,565658 10 7 м. (235) 3 2 1,88861 1,602 10 E Это уже световой фотон (табл. 31). Если максимальное количество фотонов в среде будет с длиной волны 3 2 6,56566 10 7 м, то они сформируют температуру 2,898 10 C' 4413,87 K. (236) T3 2 3 2 6,56566 10 Таким образом, разность длин волн фотонов, рож даемых электроном атома водорода при переходе с 4-го на 3-й и с 3-го на 2-й энергетические уровни, равна 43 3 2 1,876 10 6 0,656 10 6 1,219 10 6 м. (237) Разность температур, формируемых этими фото нами, равна T T3 2 T43 4413,875 1544,780 2869,095K. (238) Из этого следует, что атомы водорода, да и атомы других химических элементов, не могут формировать плавное изменение температуры среды. Эту функцию мо гут выполнить только молекулы. Чтобы понять, как они это делают, обратим внимание на плавное изменение яр кости зоны слева осциллограммы атома водорода (рис.

73). Плавное изменение яркости формируется плавно ме няющимися длинами волн фотонов, излучаемых при син тезе молекул водорода.

Молекулы других химических элементов форми руют густо расположенные спектральные линии, так на зываемые полосатые спектры (рис. 109). Это свидетельст вует о дискретных энергетических переходах валентных электронов таких молекул.

Рис. 109. Молекулярный спектр поглощения неизвестной молекулы (Интернет) Таким образом, плавное изменение температуры среды обеспечивают молекулы, но не атомы химических элементов.

Известно, что энергия синтеза одного моля моле кул водорода равна 436 кДж, а одной молекулы – 4,53eV.

Энергию эту выделяют электроны атомов в виде фотонов.

Каждый электрон излучает фотон с энергией 4,53/2=2,26eV.

Так как электроны излучают фотоны, то при фор мировании молекулы водорода каждый электрон должен излучить один фотон с энергией 2,26eV. Возникает во прос: на каких энергетических уровнях должны находить ся электроны в атомах водорода перед тем, как начнут объединяться в молекулы?

Молекулярный спектр водорода в виде сплошной светлой зоны (рис. 73, зона А-В) свидетельствует о том, что электроны в составе молекулы не занимают дискрет ные энергетические уровни, как они это делают, когда на ходятся в составе атомов. В молекулах их энергии связи с протонами и друг с другом изменяются так, что их вели чины оказываются равными межуровневым величинам энергий связи, соответствующих атомарному состоянию.

Когда электрон находится на третьем энергетиче ском уровне в атоме водорода, то его энергия связи с про тоном равна 1,51eV, а когда на втором, то – 3,40eV. Чтобы излучить фотоны с энергиями 2,26eV при формировании молекулы и оказаться между вторым (с энергией связи 3,40eV) и третьим (с энергией связи 1,51eV) энергетиче скими уровнями, электрон должен перейти с 4-го на (при мерно) 2-й энергетический уровень. В этом случае он из лучит фотон с энергией.

E 4 2 12,748125 10,198499 2,549eV. (239) Однако, средняя величина энергий всей совокуп ности излученных фотонов становится равной 2,26 eV и электрон оказывается между вторым и третьим энергети ческими уровнями, соответствующими атомарному со стоянию.

Конечно, если бы все электроны атомов водорода при формировании молекул излучали фотоны с одной и той же энергией, то в молекулярном спектре появилась бы одна спектральная линия между атомарными линиями, соответствующими второму и третьему энергетическим уровням. Отсутствие этой линии и наличие светлой зоны (рис. 73 слева) указывает на то, что электроны атомов во дорода, переходя с разных энергетических уровней при формировании молекул водорода, излучают фотоны с разными энергиями так, что их средняя величина оказы вается равной 2,26eV. Это, видимо, естественно, так как процесс этот идет не при одной какой-то температуре, а в интервале температур.

Однако, следует отметить ещё раз, что некоторые молекулы формируют так называемые полосатые спек тры, у которых вместо сплошной светлой зоны – густо расположенные спектральные линии (рис. 109).

Теперь мы можем описать процесс изменения тем пературы. Представим, что перед нами ртутный или спир товой термометры. Они показывают температуру 20 0 C.

Это значит, что максимальное количество фотонов в сре де, где расположены термометры, имеет длину волны 20 9,886 10 6 м (225). Молекулы ртути и спирта, также как и молекулы всех тел, жидкостей и газов в зоне термо метров поглощают и излучают эти фотоны.

Если термометры будут показывать 210 C, то это будет означать, что в среде, где они расположены, макси мальное количество фотонов имеет другую длину волны, а именно 2,898 10 9,852 10 6 м.

21 (240) 273,15 Теперь в среде, где расположены термометры, больше фотонов с меньшей длиной волны. Электроны молекул ртути и спирта начинают поглощать и излучать фотоны с длиной волны 21 9,852 10 6 м. Если количе ство этих фотонов в среде, где расположены термометры, будет постоянно, то температура среды не изменится. Ес ли же количество этих фотонов уменьшится, а количество фотонов с меньшей длиной волны увеличится, то термо метры начнут показывать большую температуру.

Допустим, что температура увеличилась до 30 0 C и стабилизировалась. Это значит, что в среде, где располо жены термометры, максимальное количество фотонов имеет длину волны 30 9,560 10 6 м (226). Если темпе ратура повысится до 100 0 C, то это будет означать, что максимальное количество фотонов, где расположены тер мометры, имеет длину волны 100 8,010 10 6 м (227).


Вполне естественно, что молекулы всех тел, жид костей и газов, расположенных в зоне термометров и имеющих аналогичную температуру, будут вести себя, как и молекулы ртути и спирта в термометрах. Они будут поглощать и излучать фотоны, которых больше в среде, где они расположены.

Из изложенного вытекают очень важные следст вия, связанные с массой горячих и холодных молекул.

Поскольку фотон обладает массой, то электрон, находясь в молекуле и излучая фотоны при охлаждении молекулы, уменьшает свою массу, а значит и массу молекулы. Таким образом, холодные молекулы имеют массу меньше, чем горячие. Этот факт должен проявляться в Природе, и он проявляется под действием законов механики.

Горячие молекулы газов атмосферы, имея боль шую массу, опускаются под действием силы тяжести к поверхности Земли, а холодные, имея меньшую массу (но не объёмную плотность), оказываются в верхних слоях атмосферы.

Далее, если смесь горячих и холодных молекул воздуха вращается в трубе, то под действием центробеж ной силы инерции более тяжелые горячие молекулы ока зываются вблизи внутренней поверхности трубы, а хо лодные молекулы, с меньшей массой, располагаются ближе к оси трубы. Этот эффект четко проявляется в вих ревых трубах и широко используется в промышленности.

Таким образом, температура среды и тел изменяет ся благодаря тому, что их молекулы излучают и погло щают фотоны среды непрерывно. Постоянство темпера туры обеспечивается большинством фотонов, соответст вующих этой температуре в среде, где она измеряется.

Изменение длины волны этого большинства изменяет температуру среды. Длина волны большинства фотонов определяется по формуле (211) Вина.

Чтобы получить формулу для определения темпе ратуры любого космического тела, запишем формулу Ви на для двух разных температур:

C' 1, (241) T C' 2. (242) T Далее имеем:

T T1 T 1 2 C ' T T C' T T, (243) 12 или C' (244) T T1T и 1 T T1 T2 C ' C' 12 1. (245) T C' Приравнивая (244) и (245), найдем C '2 C 0 1 2 T1T2 Const (246) или C '2 C 0 (2,898 10 3 ) 2 8,398404 10 6 м 2 K 2. (247) Таким образом, произведение длин волн 12 фо тонов на температуры T1T2, которые они формируют, величина постоянная и равная C 0 8,398 10 6 m 2 K 2.

Это - седьмая константа, управляющая поведением фото нов. Назовём её константой равновесия температур.

Формула (246) означает, что если температуру T формируют фотоны с длиной волны 1, то чтобы полу чить температуру T2, необходимо сформировать среду с таких фотонов 2, при которых большинством 1 2 T1T2 8,398 10 6 const.

Например, возьмём температуру болометра теле скопа Хаббла, выведенного в космос. Она равна T1 0,10 K. Её формирует совокупность фотонов с длина ми волн 1 r1 0,029 м. Предположим, что указанный те лескоп зафиксировал, что максимум излучения с опреде лённой звезды имеет длину волны, равную 2 r2 9,850 10 м. Закон (246) формирования темпера тур даёт нам такую величину температуры на поверхно сти исследуемой звезды 8,398 10 C 29399,61K. (248) T2 1 2T1 0,029 9,850 10 8 0, Итак, температура на поверхности исследуемой звезды 29399,61К. Это значительно больше, чем на по верхности нашего Солнца и мы уверенно можем полагать, что исследуемая звезда моложе Солнца.

Теперь предположим, что телескоп Хаббла зафик сировал максимум излучения с космического объекта (астероида, например) с длиной волны 2 0,00005 м.

Учитывая, что T1 0,10 K, температура на поверхности этого космического объекта будет равна 8,398 10 C 57,92 К. (249) T2 1 2T1 0,029 0,00005 0, Описанный метод измерения температуры косми ческих тел широко используется астрофизиками. Теперь они глубже будут понимать физическую суть этого про цесса.

Мы уже показали, что максимальная длина волны фотона равна 0,050 м. Совокупность фотонов с такой длиной волны формирует минимальную температуру 2,898 10 C' 0,058K. (250) Tmin 0, 05 0, Встаёт вопрос о длине волны фотонов, совокуп ность которых формирует максимальную температуру.

Современная наука не имеет точного ответа на этот во прос. Мы можем только предполагать, что температуру формируют лишь те фотоны, которые излучаются элек тронами при синтезе атомов и молекул. Граница мини мальной длины волны таких фотонов ещё не установлена.

Можно предполагать, что она находится в диапазонах ультрафиолетового или рентгеновского излучений. По скольку гамма фотоны и рентгеновские фотоны с мини мальной длиной волны излучаются не электронами, а протонами при синтезе ядер атомов, то у нас есть осно вания полагать, что совокупность гамма фотонов и рент геновских фотонов с минимальной длиной волны не уча ствует в формировании температуры окружающей среды.

Если бы гамма фотоны участвовали в формирова нии температуры окружающей среды, то максимально возможная температура была бы равна 2,898 10 C' 1 1015 K. (251) Tmax min 3 Если в Природе существует такая температура, то она разрушает не только молекулы и атомы, но и ядра атомов.

Температурное равновесие Вселенной управляется законом равновесия температур (246). Он гласит: произ ведение температур и длин волн или радиусов r фото нов, формирующих температуру в любых двух точках пространства, – величина постоянная и равная C 0 8,398 10 6 m 2 K 2. Вот его математическая модель C 0 r1 r2 T1T2 8,398404 10 6 м 2 К 2 Const. (252) А теперь посмотрим как в этой модели реализует ся Второе начало термодинамики макромира. Согласно этому началу тепло не может перетекать самопроизволь но от холодного тела к нагретому. Поскольку тепло и температуру формирует наибольшая совокупность фото нов, имеющих одинаковые радиусы (рис. 107), то вырав нивание температур в двух точках пространства ( T1 T2 T ) означает, что равные температуры формиру ют фотоны с равными радиусами ( r1 r2 r ). Из этого следует такая запись математической модели закона фор мирования температур в этих точках C 0 r 2 T 2 8,398404 10 6 м 2 К 2 Const. (253) Физически это означает, что одинаковую темпера туру в двух точках пространства формирует максималь ная совокупность фотонов с равными радиусами, Это полностью согласуется со Вторым началом термодинами ки макромира, исключающим повышение тепла в точке пространства за счёт теплых фотонов, самопроизвольно переходящих из другой точки с меньшей температурой.

Например, если в точке 1 температура выше, чем в точке 2, то температура в точке 1 не может повыситься за счёт перетекания из точки 2 теплых фотонов, которые, конеч но, имеются в её зоне (рис. 108), но их там меньшинство и они не формируют температуру в этой точке. Поскольку существует процесс рассеивания фотонов, то это форми рует автоматическое стремление системы к минимуму температур, поэтому из точки 2, в точку 1 могут перейти только те фотоны, которых в её зоне большинство. По скольку в точке 2 температура ниже, чем в точке 1, то из точки 2 в точку 1 могут самопроизвольно перейти только те фотоны, которые формируют её температуру, а она ни же, чем в точке 1, поэтому приход фотонов из точки 2 в точку 1 приведёт только к снижению температуры в зоне точки 1.

Надо также иметь в виду, что согласно эффекту Комптона, родившийся фотон может только увеличивать свою длину волны или радиус и таким образом уменьшать свою энергию. Обратный процесс не зафиксирован экспе риментально. Это значит, что «Второе начало термодина мики» соответствует реальности.

Таким образом, из начал Термодинамики микро мира следуют ясные и точные физические смыслы поня тий температура и тепло. Носителями тепла являются фо тоны, а максимальная совокупность фотонов с одинако выми параметрами в данной области пространства фор мирует температуру в этой области.

8.4. Температура плазмы Плазма – особое состояние материи. Современные знания о плазме представляют собой, образно говоря, кашу. Попытаемся сформировать более чёткие представ ления о главном параметре плазмы – её температуре.

Начнём с определения плазмы в учебниках. Плазма – сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положи тельных ионов. Горячая плазма имеет температуру 10 8 К, а холодная 10 4 10 5 К. Далее, учебник просвещает нас о том, что все звёзды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвёздная среда – тоже плазма.

Интересное дело, температура межзвездной среды около 3 град. Кельвина, что явно противоречит исходному определению понятий горячая и холодная плазма. Как быть? Давать новое определение понятию плазма? Попы таемся.

Плазма – электронно-ионное состояние вещества, непрерывно излучающего и поглощающего фотоны, соот ветствующие температуре этого вещества. Такое опреде ление снимает температурное ограничение и облегчает формирование представлений о физической сути плазмы.

В соответствии с законом Вина (211), температуру в любой точке пространства формирует максимальная со вокупность фотонов с определённой длиной волны или радиусом.

Радиусы фотонов (длины волн), совокупности ко торых формируют температуры 0 0 С и 10 С, представлены в формулах (220) и (221), а их энергии – в формулах (222) и (223).

Радиусы фотонов (длины волн), совокупности ко торых формируют температуры 100 и 1000 град. Цельсия, представлены в формулах (227) и (228).

Поскольку это радиусы (длины волн) невидимых инфракрасных фотонов, то создаётся впечатление оши бочности результата расчёта, так как тела с температу рой 1000 0 С излучают световые фотоны. Мы уже поясни ли суть этой кажущейся ошибочности. Поясним ещё раз.

Надо учитывать, что формула Вина даёт радиус (длину волны) максимальной плотности фотонов, формирующих такую температуру. Это значит, что присутствие световых фотонов не исключается, что мы и наблюдаем в действи тельности, но температуру, равную 1000 0 С, формирует максимальная совокупность инфракрасных фотонов с радиусом (длиной волны) 2,276 10 6 м. Фотонов с други ми радиусами меньше в зоне с такой температурой. Опре делим температуру, которую формирует максимальная совокупность световых фотонов с максимальным радиу сом вращения (максимальной длиной волны) равным r 7,70 10 7 м.


T C ' / r 2,898 10 3 / 7,70 10 7 3764 K (254) Не надо удивляться столь высокой температуре, формируемой световыми фотонами с параметрами вблизи инфракрасной области. Закон Вина указывает лишь на то, что в зоне с такой температурой максимальное количест во фотонов будет иметь радиус (длину волны) r 7,70 10 м. Конечно, в этой зоне будут не только све товые фотоны всех радиусов, но и инфракрасные и ульт рафиолетовые фотоны (рис. 107, 108). Однако, макси мальное количество фотонов будет с радиусом r 7,70 10 7 м.

Мы уже показали, что минимальную температуру T 0,056 K формируют фотоны с радиусами 0,05 м.

Вполне естественно, что возникает вопрос: почему не су ществует фотонов с большим радиусом?

Если бы мы представляли фотон, как волну, то от вет на поставленный вопрос мы бы никогда не получили, так как волна не имеет параметра, который бы позволил нам понять причины локализации фотона в пространстве и причины существования предела этой локализации. А вот радиус фотона, является естественным геометриче ским параметром, позволяющим составить представление о причине существования предела локализации фотона (рис. 8).

Так как фотон (рис. 8) имеет форму, близкую к кольцевой и так как он имеет массу в движении, то он может существовать в локализованном состоянии только при условии равенства между центробежной силой инер ции и силой, сжимающей кольцо фотона. У нас остаётся одна возможность: признать, что силы, сжимающие фотон в процессе его движения со скоростью света и удержи вающие его в локализованном состоянии, имеют магнит ную природу. Вполне естественно, что величина этих сил зависит от массы фотона. Чем масса фотона больше, тем эти силы больше. Из закона локализации фотона m2v h 6,626176 k0 m m r C 2,997925 108 (255) v 2,210254 1042 кг м const следует, что с увеличением длины его волны (радиуса) его масса m уменьшается. Таким образом, должен суще ствовать предел равенства центробежных сил инерции и магнитных сил, действующих на кольцевую (рис. 8) мо дель фотона. Он обусловлен уменьшением сил, локали зующих фотон в пространстве (рис. 8). В результате, дос тигнув этого предела, совокупность напряжённостей маг нитных полей, локализующих фотон в пространстве, ока зывается недостаточной, и вся структура фотона разруша ется, а остатки магнитных полей растворяются в субстан ции, из которой они и состоят и которую мы называем эфиром.

Итак, закон Вина (211), описывающий процесс формирования температуры, великолепно работает в ре ликтовом, инфракрасном и световом диапазонах фотон ных излучений (старое название – электромагнитные из лучения). Согласно этому закону радиусы фотонов (дли ны волн), совокупность которых формирует температуру, обратно пропорциональны величине температуры. Чем больше температура, тем меньше радиусы фотонов, кото рые формируют её.

Мы - перед вполне естественным следующим во просом: чему равна максимально возможная температура плазмы и совокупность каких фотонов формирует её? Мы уже отметили, что современная наука не имеет ещё точ ного ответа на этот вопрос, поэтому попытка найти его дело не простое.

Известно, что спектр излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела (рис. 107, 108) с температурой Т=6000 К. Эти данные позволяют нам вы числить радиусы фотонов, формирующих температуру на поверхности Солнца. Они равны r C ' / T 2,898 10 3 / 6000 4,83 10 7 м. (256) Это фотоны середины светового диапазона. Сред няя величина температуры на поверхности Солнца, равная 6000 К, свидетельствует о том, что её формируют не са мые энергоёмкие световые фотоны, радиусы (длины волн) которых равны r 3,8 10 7 м и у нас возникает желание знать температуру, которую сформируют эти фотоны. Она равна T 2,898 10 3 / 3,8 10 7 7626K. Это не так много, но достаточно, чтобы плавился самый тугоплавкий металл вольфрам. Его температура плавления равна Т=3382 С, а кипения – Т=6000 С.

Конечно, если закон Вина работает в реликтовом, инфракрасном и световом диапазонах, то он должен рабо тать в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапа зонах. Попытаемся проверить это.

Известно, что ультрафиолетовое излучение Солнца начинается с длины волны 10 7 м. Какую температуру может формировать совокупность таких фотонов? Закон Вина даёт такой ответ T 2,898 10 3 / 10 7 28980K Так мало!

Однако, астрофизики считают, что голубые звёзды имеют на поверхности температуру до 80000К. В соответ ствии с законом Вина, по которому они определяют эту температуру, её формирует совокупность фотонов с ра диусами r 2,898 10 3 / 8 10 4 3,6 10 8 м. Это фотоны, примерно, середины ультрафиолетового диапазона (табл.

2).

А Франк – Каменецкий утверждает, что в недрах Солнца сжатая плазма имеет температуру свыше 10 7 K.

При этой температуре, как он полагает, идут термоядер ные реакции. Вполне естественно, что температуру 10 7 K не могут формировать световые фотоны. Закон Вина по зволяет нам определить радиусы (длины волн) фотонов, формирующих такую температуру. Они равны 3 7 2,898 10 / 10 2,898 10 м. Это фотоны средней зоны рентгеновского диапазона (табл. 2). И тут мы сразу вспо минаем рентгеноскопию. Все мы её проходили и никако го тепла не ощущали.

Допустим, что нас облучали рентгеновскими фо тонами, соответствующими началу рентгеновского диапа зона и имеющими радиусы (длины волн) r 10 9 м. В со ответствии с законом Вина совокупность этих фотонов должна формировать температуру T 2,898 10 6 K. Да, в рентгенкабинетах нас облучают фотонами, которые могут формировать температуру более миллиона градусов, а мы не ощущаем её. Почему?

Если предположить, что рентгеновские аппараты генерируют не максимальную совокупность этих фото нов, а всего лишь 5% от максимальной совокупности, то они, согласно закону Вина, формируют температуру, рав ную 50000 К. Однако, мы её не ощущаем, проходя рент геновское обследование. Это значит, что рентгеновские фотоны не формируют температуру, отождествляемую нами с привычным для нас теплом.

Конечно, физики обязаны были давно изучить этот вопрос, но они не сделали этого. В результате, мы до сих пор не знаем границу на шкале фотонных излучений, где заканчиваются фотоны, формирующие тепло и темпера туру в привычном для нас понимании и начинаются фо тоны, совокупность которых не генерирует тепло.

Спектр абсолютно чёрного тела (рис. 107) с одной стороны ограничен фотонами, формирующими темпера туру от абсолютного нуля, а с другой стороны фотонами ультрафиолетового диапазона. Следовательно, существу ет граница фотонов, формирующих такую температуру среды, которую мы отождествляем с теплом. Все фотоны, имеющие радиусы (длины волн) меньшие, чем на этой границе, не формируют тепло в принятом нами понима нии. Как же найти эту границу?

Из спектроскопии известно, что электроны взаи модействуют с протонами ядер атомов линейно и энергии их связи, примерно, одинаковые. С учетом этого мы мо жем взять энергию ионизации атома водорода. Она равна E=13,6 eV. Радиусы фотонов, имеющих такую энергию, равны r (h C ) / E 9,12 10 8 м Это фотоны невидимого ультрафиолетового диапазона. Совокупность этих фото нов формирует температуру T 31780 K.

Итак, граница между фотонами, которые форми руют привычную для нас температуру, находится между ультрафиолетовым и рентгеновским диапазонами (табл.

2). Как найти точные параметры фотонов, которые опре деляют эту границу?

На нашем пути преграда. Суть её в том, что при последовательном удалении электронов из атомов энер гии связи остающихся электронов с протонами ядер ока зываются пропорциональными энергии ионизации атома водорода, умноженной на квадрат количества электронов, удалённых из атома. Обусловлено это тем, что освобо дившийся протон ядра начинает взаимодействовать с со седним электроном и таким образом увеличивает его энергию связи с ядром, которая оказывается равной энер гии фотонов, излученных при этом. Возникает вопрос: с каким количеством протонов может взаимодействовать один электрон, уменьшая свою массу и не теряя устойчи вость?

Нам известно, что наиболее энергоёмкие фотоны излучаются электронами водородободобных атомов. Это такие атомы, у которых остаётся один электрон на все протоны ядра. Электрон водородоподобного атома гелия имеет энергию ионизации, равную 54,41 eV. Фотоны с такой энергией находятся в ультрафиолетовом диапазоне.

Они имеют радиусы r (h C ) / E 2,279 10 8 м. Это фото ны середины ультрафиолетового диапазона (табл. 2). Со вокупность таких фотонов формирует температуру T 127200 K. Это уже не мало. Физический смысл этой температуры означает, что она соответствует началу фор мирования атома гелия и астрофизики подтверждают это.

Итак, перед нами проблема определения макси мально возможной температуры и мы пока не знаем, как её решить. Есть ещё одно направление поиска. Если фо тоны излучает электрон, то у него должен существовать предел потери массы, после которого он теряет устойчи вость.

Возьмём для примера сотый химический элемент – Фермий. Если атом фермия станет водородоподобным, с одним электроном, то этот электрон, устанавливая связь со всеми 100 протонами ядра излучит фотон с энергией, равной произведению энергии ионизации атома водорода на квадрат номера химического элемента.

E=13,6x100x100=136000eV. Радиус этого фотона будет равен r 9,10 10 10 м. Это фотон рентгеновского диапазо на, который, как мы уже установили, не генерирует тепло в принятом у нас понимании.

Вполне естественно, что описанное событие не может произойти, так как существует предел уменьшения массы электрона, после которого он должен терять устой чивость и растворятся в эфире.

Итак, максимально возможную температуру, кото рую мы отождествляем с теплом, формируют фотоны ультрафиолетового или начала рентгеновского диапазона, но точные параметры этих фотонов мы ещё не знаем.

8.5. Различия термодинамик макро – и микромира Следующим важным понятием Термодинамики макромира является понятие давление газов, формируе мое их молекулами и кластерами. Оно широко использу ется в математических моделях Термодинамики макроми ра, которые позволяют рассчитывать различные термо динамические процессы. Возникает вопрос: участвуют ли другие обитатели микромира в формировании давления?

Обратим внимание на формирование треска при появлении электрической искры. Раскаты грома в грозу многократно мощнее треска электрической искры. Из этого следует вопрос: в чём суть повышения давления в воздухе в момент рождения молнии? Ответ элементарен.

Фотоны излучают электроны, радиусы re которых равны С h re (theor ) 4 В Н e (257) 2,998 108 6,626 2,426 1012 м, 24 4 3,142 9,274 10 7,025 Средний радиус световых фотонов 5 10 7 м. Раз ница между размером электрона и рождаемого им свето вого фотона пять порядков. Это и есть главная причина повышения давления воздуха и мощных грозовых раска тов в момент грозы. В этой причине и скрыто принципи альное отличие Термодинамики макромира от Термоди намики микромира. Давление газов – объектов макромира пропорционально их температуре, а давление, формируе мое фотонами, обратно пропорционально температуре. В грозу нет в атмосфере температуры, подобной температу ре пара в паровом котле, а давление, формируемое фото нами, многократно превышает давление нагретых газов и мощность громовых раскатов подтверждает это. Вполне естественно, что процессами формирования давления, обеспечивающего вылет пуль и снарядов, управляют за коны термодинамики микромира, но не макромира, как считалось до сих пор. На этом мы останавливаем процесс сравнения Термодинамик макро – и микромира по извест ным причинам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Вселенная заполнена фотонами и существует в фо тонной среде. Длины волн фотонов, формирующих фо тонную среду, изменяются от 0,050 м до 3 10 18 м.

Температуру в любой зоне Вселенной формируют те фотоны, плотность которых максимальна в этой зоне.

Минимальную температуру формирует совокупность фо тонов с длиной волны 0,050 м. Длина волны фотонов, формирующих максимальную температуру, ещё не уста новлена.

Температурное равновесие Вселенной управляется законом равновесия температур. Он гласит: произведение температур и длин волн фотонов, формирующих их в лю бых двух точках Вселенной, – величина постоянная и равная C 0 8,398 10 6 m 2 K 2.

Первое начало термодинамики макромира имеет ограниченную область действия. Второе начало термоди намики макромира достоверно и заслуживает дальнейше го развития на основе новой научной информации о мик ромире.

9. НАЧАЛО НОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ 9.1. Вводная часть Электродинамика – раздел физики, в котором изу чаются носители электричества, формируемые ими элек трические и магнитные поля, а также взаимодействия между ними. Она родилась в начале 19-го века, во време на Фарадея и Максвелла.

Экспериментальной основой существующей элек тродинамики является закон электромагнитной индукции, открытый Майклом Фарадеем в 1831 году. Суть этого за кона кратко можно выразить так: переменное электриче ское поле создаёт магнитное поле, а переменное магнит ное поле создаёт электрическое поле. На основании этого считается, что работа электромоторов, электрогенерато ров, трансформаторов и других многочисленных элек тротехнических устройств – результат взаимодействия электрических и магнитных полей. Проверим связь с ре альностью таких представлений.

Вполне естественно, что электродинамика макро мира базируется на электродинамике микромира. Они связаны между собой, но эта связь пока не рассматрива лась, поэтому сделаем первую попытку такого рассмотре ния.

Поскольку главным носителем электричества и ис точником электромагнетизма является электрон, то выяв ление его структуры – первая и главная задача электроди намики, без решения которой невозможно познание элек тродинамических процессов и явлений.

Мы уже показали, что электрон представляет собой полый тор, который имеет два вращения:

относительно оси симметрии и относительно кольцевой оси тора. Вращение относительно кольцевой оси тора формирует магнитное поле электрона, а направления магнитных силовых линий этого поля формируют два магнитных полюса: северный N и южный S (рис. 110).

Вращением электрона относительно центральной оси управляет кинетический момент h - векторная величина.

Магнитный момент электрона М е - тоже величина векторная, совпадающая с направлением вектора кинетического момента h. Оба эти вектора формируют северный магнитный полюс электрона (N), а на другом конце центральной оси его вращения формируется южный магнитный полюс (S). Формированием столь сложной структуры электрона (рис. 110) управляют более 20 констант. Имея эту общую информацию о структуре электрона, приступим к анализу его поведения в электродинамических процессах. Первым из них является процесс движения электронов в проводах.

Рис. 110. Схема электрона: N – северный магнит ный полюс, S - южный магнитный полюс Так как протоны находятся в ядрах атомов, а электроны на их поверхности, то вполне естественно, что в проводе могут быть свободные только электроны. В ре зультате возникает вопрос: каким образом в проводе с по стоянным током формируется на одном конце плюсовой потенциал, носителем которого являются протоны, а на другом - минусовый, носителем которого являются элек троны?

9.2. Плюс – минус, юг-север Чтобы найти ответ на выше сформулированный вопрос, проанализируем работу плазмоэлектролитической ячейки (Патент № 2157862, рис. 111).

Рис. 111. Схема плазмоэлектролитической ячейки:

1-катод и входной патрубок для раствора;

2-анод в виде цилиндра;

3 - выпускной патрубок парогазовой смеси;

Р-Р – зона плазмы Сущность процесса работы плазмоэлектролитиче ской ячейки (рис. 111) заключается в следующем. Так как площадь поверхности катода 1 в десятки раз меньше пло щади поверхности анода 2, то большая плотность тока на поверхности катода 1 формирует поток положительных ионов раствора, направленных к нему. В этом потоке есть и положительно заряженные протоны атомов водорода, отделившиеся от молекул воды. Они взаимодействуют с электронами, пришедшими из сети и испущенными ка тодом, образуют атомы водорода, совокупность которых формирует в растворе, в зоне Р катода 1, плазму атомар ного водорода с температурой от 2700 С до 10000 С (рис.

111).

Отрицательно заряженные ионы собираются у анода. Они передают лишние электроны аноду и те дви жутся по проводу от плюса (+) к минусу (-). Поскольку соседство свободных электронов и свободных протонов заканчивается формированием атомов водорода, которые существуют лишь в плазменном состоянии (рис. 111, зона Р..Р), то исключается одновременное существование сво бодных протонов и свободных электронов в проводе, по которому течёт ток. По проводу движутся только элек троны.

Таким образом, анализ электролитического про цесса, протекающего в электролитической ячейке (рис.

111), показывает, что в электролитическом растворе электроны движутся от минуса (катода) к плюсу (ано ду), а в проводе - от плюса к минусу.

Если источником питания является аккумулятор или батарея, то знаки плюс (+) и минус (-) принадлежат их клеммам. Тут всё понятно. А если источником посто янного напряжения является выпрямитель, подключён ный к сети переменного тока или электрогенератора, то появление плюса и минуса на клеммах выпрямителя фор мирует серию вопросов.

Генератор электростанции генерирует переменное напряжение, носителями которого, как мы уже показали, являются только электроны. Откуда же тогда на клеммах выпрямителя появляются знаки плюс и минус? Это во прос электрикам и электронщикам. Почему они мирятся с описанным противоречием? Но мы не имеем права иг норировать его, так как отсутствие ответа на этот важный вопрос формирует искажённые представления о сути про цессов, протекающих в электротехнических и электрон ных устройствах.

Итак, наличие модели электрона (рис. 110) позво ляет нам приступить к поиску ответа на поставленный во прос. Вполне естественно, что его надо базировать на экс периментальных данных.

Давно установлено, что металлические опилки на диэлектрической плоскости перпендикулярной проводу с током (рис. 112, а) ориентируются по окружностям вокруг провода под действием магнитного поля, формируемого током вокруг провода. Сразу возникает вопрос: какая элементарная частица формирует это поле? Чёткого отве та на этот вопрос не было более 100 лет. Попытаемся най ти его.

Начнём с самого простого эксперимента – изуче ния процесса и причин отклонения стрелки компаса, по ложенного на провод или под провод, по которому течёт ток.

На рис. 112, b показана электрическая схема, на правления проводов которой сориентированы на се вер (N). При отсутствии тока в проводе направление стрелок компасов А, В, С и D совпадают с направлением правого и левого проводов на север N. При включении тока вокруг провода возникает магнитное поле и стрелки компасов отклоняются.

Когда электроны движутся по проводу в на правлении с юга (S) на север (N), то стрелка компаса A, расположенного над проводом, отклоняется вправо, а стрелка компаса B, расположенного под проводом, – вле во (табл. 32). Из этих результатов следует, что магнитное поле вокруг провода закручено против хода часовой стрелки, если смотреть с северного (N) конца провода, и имеет магнитный момент M 0.

Рис. 112: а) ориентация металлических опилок вокруг провода с током;



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.