Введение. Реликтового излучения и фотоэффекта

Реликтового излучения и фотоэффекта

ПЯТАЯ ЛЕКЦИЯ

Физический смысл тепла, температуры,

Уважаемые искатели научной истины, на примере анализа физической сути понятий: тепло, температура и излучение, я попытаюсь показать справедливость мнения выдающегося физика – теоретика, академика Д.И. Блохинцева. В 1982 г. он писал: «Путь к пониманию закономерностей, господствующих в мире элементарных частиц, ещё не найден. Современный физик – теоретик принужден довольствоваться компромиссными концепциями, которые в лучшем случае обещают частный успех за счет общности и единства» [1].

Понятия тепло и температура относятся к числу фундаментальных научных понятий. Они широко используются в научных исследованиях, в инженерной практике и обыденной жизни. Однако физический смысл этих понятий до сих пор остаётся таинственным. Происходит это потому, что элементарный носитель тепловой энергии – фотон (рис. 10) существует в рамках Аксиомы Единства. Теоретики пытаются анализировать его электромагнитную структуру и поведение с помощью теорий, которые работают за рамками этой аксиомы.

В соответствии с теорией, работающей в рамках Аксиомы Единства, радиус вращения электромагнитной структуры фотона, изменяясь в диапазоне , 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 и станет ясно, что тепло и температуру формирует наибольшее количество фотонов (рис. 30) с определенной длиной волны [2], [3].

1. Физический смысл тепла и температуры

На рис. 30 представлена зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от длины волны излучения при разных температурах. Известно, что зависимость изменения максимума излучения черного тела от температуры и длины волны описывается законом Вина. Этот закон позволяет определить длину волны излучения (фотона), соответствующую максимуму излучения при любой температуре в полости черного тела [6], [7], [8]

, (133)

где - постоянная Вина.

Рис. 30. Зависимость интенсивности излучения черного тела от длины волны [7]

При температуре в полости черного тела, равной

. (134)

Когда температура в полости черного тела понижается до 1500К, то длина волны фотонов, формирующих максимальную их плотность в полости черного тела, увеличивается

. (135)

Обратим внимание на то, что фотоны с длинами волн и принадлежат инфракрасной области спектра (табл. 11). Причем, с увеличением температуры длина волны фотонов, формирующих её, уменьшается [4], [5].

На рис. 7 показана часть шкалы электромагнитных излучений с зависимостями плотности фотонов от длины волны, формируемой черным телом (рис. 7, а) и реликтовым излучением (рис. 7, b).

Считается, что средняя температура Вселенной . Закон смещения (133) Вина точно предсказывает длину волны максимума реликтового излучения, соответствующего этой температуре (рис. 7, b) [2], [3].

. (136)

Из этого следует, что температуру в зоне расположения любого термометра формирует максимальное количество фотонов определенной длины волны. Допустим, термометр показывает . Длина волны максимального количества (плотности в единице объёма пространства вблизи термометра) фотонов (рис. 10), формирующих эту температуру, будет равна

. (137)

Если термометр показывает , то максимальное количество фотонов (рис. 10) в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (138)

При повышении температуры до максимальное количество фотонов в единице объёма в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (139)

Когда термометр показывает , то максимальное количество фотонов в зоне термометра, формирующих эту температуру, имеет длину волны

. (140)

Длина волны фотонов, формирующих температуру , равна

. (141)

Таким образом, температуру среды в интервале формируют фотоны инфракрасного диапазона (табл. 11). С увеличением температуры длина волны фотонов, формирующих её, уменьшается. Если в среде будет максимальное количество световых фотонов с длиной волны , то они сформируют температуру

. (142)

Итак, температура, которую показывает термометр, формируется максимальной плотностью фотонов, длина волны которых определяется по формуле (133) Вина.

Чтобы составить представление о процессе формирования температуры фотонами, обратим внимание на осциллограмму спектра атома водорода (рис. 20) На ней две спектральные линии. Первая (слева) соответствует переходу электрона атома водорода с 3-го на 2-й энергетический уровень, а вторая (справа) – с 4-го на 3-й энергетический уровень. При переходе электрона атома водорода (табл. 14) с 4-го на 3-й энергетический уровень, излучается фотон с энергией

(143)

и длиной волны

. (144)

При переходе электрона с 3-го на 2-й энергетический уровень излучается фотон с энергией (табл. 14).

(145)

и длиной волны

. (146)

Это уже световой фотон (табл. 11). Если бы фотоны с длиной волны формировали температуру, то она была бы равна

. (147)

Если максимальное количество фотонов в среде будет с длиной волны , то они сформируют температуру

. (148)

Таким образом, разность длин волн фотонов, рождаемых электроном атома водорода при переходе с 4-го на 3-й и с 3-го на 2-й энергетические уровни, равна

. (149)

Разность температур, формируемых этими фотонами, равна

. (150)

Из этого следует, что атомы водорода, да и атомы других химических элементов, не могут формировать плавное изменение температуры среды. Эту функцию могут выполнить только молекулы. Чтобы понять, как они это делают, обратим внимание на плавное изменение яркости зоны слева осциллограммы атома водорода (рис. 20). Плавное изменение яркости формируется плавно меняющимися длинами волн фотонов, излучаемых при синтезе молекул водорода.

Молекулы других химических элементов формируют густо расположенные спектральные линии, так называемые полосатые спектры. Это свидетельствует о дискретных энергетических переходах валентных электронов таких молекул. Поскольку густота молекулярных спектральных линий значительно больше густоты атомарных спектральных линий, то, излучая и поглощая фотоны, молекулы плавнее меняют температуру, чем атомы.

Таким образом, плавное изменение температуры среды обеспечивают молекулы, но не атомы химических элементов. Опишем ещё раз, как они это делают.

Известно, что энергия синтеза одного моля молекул 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 формировании молекулы водорода каждый электрон должен излучить один фотон с энергией 2,26eV.

Молекулярный спектр водорода в виде сплошной светлой зоны (рис. 20) свидетельствует о том, что электроны в составе молекулы не занимают дискретные энергетические уровни, как они это делают, когда находятся в составе атомов. В молекулах их энергии связи с протонами и друг с другом изменяются так, что их величины оказываются равными межуровневым величинам энергий связи, соответствующих атомарному состоянию.

Когда электрон находится на третьем энергетическом уровне в атоме водорода, то его энергия связи с протоном равна 1,51eV, а когда на втором, то – 3,4eV. Чтобы излучить фотоны с энергиями 2,26eV при формировании молекулы и оказаться между вторым (с энергией связи 3,4eV) и третьим (с энергией связи 1,51eV) энергетическими уровнями, электрон должен перейти с 4-го на (примерно) 2-й энергетический уровень. В этом случае он излучит фотон с энергией (табл. 14).

. (151)

Однако, средняя величина энергий всей совокупности излученных фотонов становится равной 2,26 eV и электрон оказывается между вторым и третьим энергетическими уровнями, соответствующими атомарному состоянию.

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. 20 слева) указывает на то, что электроны атомов водорода, переходя с 4-ых энергетических уровней при формировании молекул водорода, излучают фотоны с разными энергиями так, что их средняя величина оказывается 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 спектры, у которых вместо сплошной светлой зоны – густо расположенные спектральные линии.

Теперь мы можем описать процесс изменения температуры. Представим, что перед нами ртутный или спиртовой термометры. Они показывают температуру . Это значит, что максимальное количество фотонов в среде, где расположены термометры, имеет длину волны (138). Молекулы ртути и спирта также как и молекулы всех тел, жидкостей и газов в зоне термометров поглощают и излучают эти фотоны.

Если термометры будут показывать , то это будет означать, что в среде, где они расположены, максимальное количество фотонов имеет другую длину волны, а именно

. (152)

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 . Если количество этих фотонов в среде, где расположены термометры, будет постоянно, то температура среды не изменится. Если же количество этих фотонов уменьшится, а количество фотонов с меньшей длиной волны увеличится, то термометры начнут показывать большую температуру.

Допустим, что температура увеличилась до и стабилизировалась. Это значит, что в среде, где расположены термометры, максимальное количество фотонов имеет длину волны (139). Если температура повысится до , то это будет означать, что максимальное количество фотонов, где расположены термометры, имеет длину волны (140).

Вполне естественно, что молекулы всех тел, жидкостей 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.

Таким образом, температура среды и тел изменяется благодаря тому, что их молекулы излучают и поглощают фотоны среды непрерывно. Постоянство температуры обеспечивается большинством фотонов, соответствующих этой температуре в среде, где она измеряется. Изменение длины волны этого большинства изменяет температуру среды. Длина волны большинства фотонов определяется по формуле (133) Вина.

Чтобы доказать, что изменение температуры – следствие изменения длины волны большинства фотонов, в среде, где измеряется температура, запишем формулу (133) Вина для двух разных температур:

, (153)

. (154)

Далее имеем:

, (155)

или

(156)

и

(157)

. (158)

Приравнивая (156) и (158), найдем

(159)

или

. (160)

Таким образом, произведение длин волн фотонов на температуры , которые они формируют, - величина постоянная и равная

Формула (159) означает, что если температуру формируют фотоны с длиной волны , то чтобы получить температуру , необходимо сформировать среду с большинством таких фотонов , при которых .

Например: температуру формируют фотоны с длиной волны . Тогда температуру () будут формировать фотоны с длиной волны

. (161)

Итак, можно считать доказанным, что изменение температуры среды, в которой расположены тела, жидкости и газы связано с изменением длины волны максимального количества фотонов, заполняющих эту среду.

Тепловую энергию среды формирует вся совокупность её фотонов. Статистическим центром этой совокупности является большинство фотонов, формирующих температуру среды.

Итак, мы - перед новой формулировкой начал Термодинамики. Для начала отметим, что становится ясной причина существования абсолютной температуры . Обусловлено это максимально возможной длиной волны фотонов, существующих в Природе. В Природе нет фотонов с длиной волны больше длины волны, соответствующей температуре .

Считается, что температура межзвездного пространства равна . Фотоны, формирующие эту температуру, имеют длину волны

. (162)

Энергия этих фотонов равна

. (163)

Если фотоны с такой энергией излучаются электронами в момент начала формирования атома водорода, то электрон, соединившись с протоном, оказывается примерно на 107 энергетическом уровне (табл. 14).

Заключение

Вселенная заполнена фотонами и существует в фотонной среде. Длина волны фотонов, формирующих фотонную среду, изменяется от до . Температуру в любой зоне Вселенной формируют те фотоны, плотность которых максимальна в этой зоне.

Температурное равновесие Вселенной управляется законом равновесия температур. Он гласит: произведение температур и длин волн фотонов, формирующих её в любых двух точках Вселенной, – величина постоянная и равная

Дата добавления: 2014-01-04