Skip to main content
Вся фізика

Перпетуум мобіле, або квантовомеханічні системи атомів. Частина 2

10. Отже, електрони в атомі не “намотують” постійно кола в полі центральних сил ядра, а здійснюють у цьому полі коливання, у процесі яких відбувається неперервний перехід кінетичної енергії електрона в пондеромоторну енергію поля і назад.
 
З позицій класичної фізики подібне твердження цілком позбавлене “здорового глузду”. У системі, що складається з двох різнойменно заряджених частинок – електрона й ядра атома, коливання електрона неможливі, як, утім, неможливі й жодні інші сили, крім сил електростатичної та гравітаційної взаємодії. І тим не менше, думка про існування в атомі пондеромоторного поля не є припущенням, що потребує доведення або спростування. Ця думка є умовиводом достовірності, істинність якого обґрунтована фактом буття атома:  оскільки атом існує в продовженні вічності, остільки в атомі існує і пондеромоторне поле, як необхідна умова його буття.


Після рівняння Шредінгера, за яким стоїть увесь досвід сучасної квантової механіки, питання тепер полягає в тому, чи виявляє себе ця нова форма матерії не опосередковано, а безпосередньо, у спеціально поставленому досліді?
 
11. Якщо розжарені добіла тверді речовини дають, як відомо,  суцільний спектр випромінювання, то “палаючі” розріджені гази, розігріті або збуджені електричним розрядом, дають цілком інший спектр.  Аналіз їхнього випромінювання, по суті спектрів випромінювання окремих атомів, показує, що в спектрі відсутнє світло більшості кольорів, а є лише дуже вузькі й дуже яскраві смужки певних кольорів, тобто спектр складається з яскравих “ліній”, кожній з яких відповідає практично одна довжина хвилі. У кожного газу є свій характерний набір ліній. Довжини хвиль яскравих спектральних ліній мають цілком певну величину для атомів кожного елемента. Лінії кожного елемента групуються вздовж спектра в правильні серії зі змінним кроком, так що в розташуванні кожної серії явно спостерігається певна система.
 
Вивчаючи лінійчастий спектр атома водню, швейцарський вчений Й. Бальмер встановив (1885) правило, яке відображає таку систему. Бальмер встановив [2], що довжини хвиль  λ відомих на той час дев'яти ліній спектра атома водню задовольняють емпірично підібраній ним формулі
Зображення
де R` = 10973731,77 м-1.
Константа R` була визначена шведським вченим Й. Рідбергом і називається сталою Рідберга. Оскільки λ = c/v, то формулу (19) можна переписати відносно частот v:
Зображення
де  R=R`c = 3,2931193*1015 c-1– так само називається сталою Рідберга.
На початку ХХ століття в ультрафіолетовій та інфрачервоній областях спектра атома водню було виявлено ще чотири серії спектральних ліній, що виявляють аналогічну закономірність. Ця обставина дозволила всі серії в спектрі атома водню описати однією формулою, справедливо названою узагальненою формулою Бальмера:
Зображення
де  m у кожній серії має постійне значення m = 1, 2, 3, 4 (визначає серію), а n набуває цілочисельних значень, починаючи з  m + 1 (визначає окремі лінії цієї серії).
Згідно із законом випромінювання Планка, атом водню випромінює електромагнітну енергію квантами. Тому, помноживши праву і ліву частини рівняння (21) на сталу Планка h, отримаємо узагальнену формулу Бальмера відносно енергій спектральних ліній:  
Зображення
У результаті застосування квантового закону випромінювання узагальнена формула Бальмера набула тієї виразності, яка дозволяє однозначно визначити її фізичний зміст: випромінювання або поглинання атомом кванта енергії hv є процесом зміни його внутрішньої енергії. При цьому зміну внутрішньої енергії атома слід розуміти як дискретний перехід атома з одного енергетичного стану Wm в інший стан Wn, так що при поглинанні атом переходить у стан більшої енергії, при випромінюванні – у стан меншої.
Оскільки значення  m і n  утворюють ряд цілих чисел, починаючи з 1, то це дозволяє згорнути рівняння (22) таким чином, що енергія атома водню в n-му стані, з точністю до довільної адитивної  сталої, виразиться формулою:
Зображення
З рівняння (23) випливає, що значення внутрішньої енергії атома водню, яких він може набувати в результаті випромінювання або поглинання електромагнітної енергії, утворюють дискретний ряд “дозволених” значень:
Зображення
Таким чином, застосування до лінійчастих спектрів атомів квантового закону випромінювання приводить нас до думки, що будь-який атом являє собою систему, основна особливість якої полягає в тому, що взаємодії із зовнішнім середовищем не можуть змінювати її внутрішню енергію неперервно, за свавіллям зовнішнього середовища. Внутрішня енергія атома може змінюватися тільки дискретно. Закон дискретності зумовлений структурою атома і для атома водню виражається формулою (23).
Однак ця думка є лише припущенням, бо залишається сумнів: чи не є дискретний характер зміни енергії атомів специфічною особливістю їхніх взаємодій з променистою енергією. Потрібне було дослідне підтвердження, що дискретний характер зміни внутрішньої енергії атомів зберігається і при інших взаємодіях, і таке підтвердження було отримане німецькими фізиками Дж. Франком і Густавом Герцом у середині 1913 року.    
12. Франк і Герц вивчали зіткнення атомів з електронами за різних значень кінетичної енергії електронів. Ними було твердо встановлено [3], що залежно від величини кінетичної енергії електронів атоми можуть стикатися як пружно, так і непружно. Атоми ртуті стикаються пружно, якщо енергія електронів не перевищує eφ<4,86 еВ. Але як тільки енергія електронів досягає значення 4,86 еВ, починають відбуватися непружні зіткнення, внаслідок яких електрон повністю передає свою енергію атому і його швидкість падає до нуля.
Таким чином, дискретний характер зміни внутрішньої енергії атома був підтверджений: атом або взагалі не сприймає енергію, або сприймає її, але тільки в певних кількостях.
Це було дуже важливим відкриттям, однак поставимо собі питання: а що являє собою атом як об'єкт зіткнень з електроном? Якщо атом являє собою сукупність ядра й електронів, об'єднаних силою кулонівського притягання, то при зіткненні його в дослідній установці з емісійними електронами обов'язково мають відбуватися або пружні  електрон/електронні зіткнення без обміну енергією, або зіткнення  ядро/електронні, з неминучою анігіляцією атома. Враховуючи різницю в геометричних розмірах електрона і ядра, саме ці руйнівні для атома зіткнення повинні мати переважну перевагу. Однак атоми не руйнувалися, отже, емісійні електрони стикалися не з ядром і електронами атома, а з деякою фізичною реальністю, яка є системотвірною основою атома, тобто з пондеромоторним полем атома. Зіткненням з цим полем електрони і передають свою енергію атому.  
Таким чином, досліди Франка – Герца не тільки довели, що атом є дискретною системою, а й виявили в атомі існування деякої, цілком невідомої раніше, фізичної реальності. Однак цей об'єктивно виявлений факт не тільки не отримав належного розвитку, а й, судячи з усього, фізичною наукою не був навіть помічений.
13. Американський фізик А. Комптон, повторивши (1922 – 23) досліди Франка – Герца, виявив, що атоми ртуті, бомбардовані електронами з енергією eφ=4,86 еВ, стають джерелом випромінювання однієї ультрафіолетової лінії з λ=254 нм. Це слід розуміти так, що атоми ртуті, які отримали при зіткненні з електронами квант енергії eφ=4,86 еВ, переходять у збуджений стан і для повернення в основний “скидають” цей квант, випромінюючи фотони відповідної довжини хвилі λ=254 нм. З чого обов'язково випливає, що фотон, як об'єкт матеріального світу, являє собою  фізичний  квант дії h  .
Як квант дії h, усі фотони однакові, але, будучи однаковими за дією, вони, згідно  із законом випромінювання Планка W=hv, різні за величиною притаманної їм енергії.
Згідно з рівнянням (2), енергія дії h визначається продовженням дії в часі T. Оскільки частота фотона v=1/T, то для кожного фотона продовження кванта дії в часі дорівнює T=1/v, отже, енергія фізичного кванта дії дорівнює
Зображення
З чого випливає, що фотон являє собою не тільки незмінний квант дії h, але квант дії з певною інтенсивністю його діяльного здійснення, тобто фотон є і певним квантом енергії.
Враховуючи, що швидкість фотона у вакуумі дорівнює c, а продовження дії в часі T, отримаємо залежність енергії фізичного кванта дії від його протяжності в просторі в лінійних розмірах λ
Зображення
Виходячи з дослідів з відбиття світла від нерухомих дзеркальних поверхонь, з дифракції світла, можна зробити висновок, що квант дії h не має переважної протяжності в просторі, отже, можна припустити, що фізично він являє собою кулю неречовинної матеріальності діаметром λ.
 
Таким чином, квант дії h не слід розглядати тільки як якусь кінцеву величину в процесі обчислень – універсальну  сталу фізичного світу. Квант дії h – це, перш за все, фізичний об'єкт, фотон, який являє собою певну неречовинну матеріальність, локалізовану в просторі, як єдине і неподільне ціле, яке рухається у вакуумі з абсолютною швидкістю , будучи певним квантом енергії.   
 
Саме фізична цілісність фотона твердо визначає його основне правило  взаємодії з речовиною: фотон ніколи не взаємодіє частиною себе, фотон завжди взаємодіє “цілком”. З чого обов'язково випливає, що фотон незнищенний, і саме незнищенністю свого буття, так би мовити,  “інстинктом самозбереження” це правило й зумовлене. Інакше кажучи, з основного правила обов'язково випливає, що фотон являє собою квантову h-систему, яка в усіх взаємодіях власними причинами зберігає себе, як незмінний квант дії h.
 
 Оскільки швидкість фотона скінченна, а фотон локалізований у просторі, то взаємодія фотона з речовиною не відбувається миттєво. Взаємодія фотона обов'язково являє собою процес, що має протяжність у просторі і продовження в часі. Тому з погляду взаємодії, як процесу діяльного здійснення кванта дії h, фізичний зміст λ – це протяжність взаємодії в просторі (Δl), а T – продовження взаємодії в часі (Δt).      14. Разом з тим, у виключно тонких дослідах російський фізик П. Лебедєв показав (1899 – 1910), що потік випромінювання чинить на речовину тиск, величина якого пропорційна густині енергії випромінювання. Досліди Лебедєва показали, що тиск світла на поглинальну стінку дорівнює кількості енергії  в одиниці об'єму випромінювання. Цей факт дозволив Ейнштейну отримати співвідношення, що зв'язує енергію випромінювання W з величиною імпульсу p, який передається речовині при поглинанні:
Зображення
Але якщо імпульс речовині передається, а випромінювання являє собою потік фотонів, отже, імпульсом володіє фотон. Порівнюючи (25) і (26), отримаємо співвідношення між лінійними розмірами фотона і його імпульсом
Зображення
Тиск, якого зазнає речовина при поглинанні фотонів, не віртуальний, а дійсно існуючий, що закручує крутильні терези. Отже, у процесі поглинання фотона, тривалість якого дорівнює T, на крутильні терези діє деяка сила F, надаючи їм імпульс, що дорівнює
Зображення
І джерелом цієї сили може бути тільки фотон.
Імпульс, за визначенням, – це кількість руху частинки масою m, що рухається зі швидкістю v. Але фотон субстанційно здійснений неречовинною матеріальністю, а тому маси, а отже, й імпульсу мати не може, але оскільки має, то формально, за аналогією з речовинними частинками, його визначили як
Зображення
де mΨ - маса фотона, величина якої визначена так, щоб задовольняти співвідношенню (27). Звідки знайдеться чудове співвідношення Ейнштейна:
Зображення
15. Таким чином, у фотоні мають місце бути дві групи ознак, але не корпускулярних і хвильових, як прийнято вважати, а енергетичних і просторово-часових. Відмінна особливість цих ознак полягає в тому, що вони характеризують різні сторони корпускулярності фотона.
Першу групу утворюють ознаки, які характеризують квант дії h як процес досягнення результату. До них відносять протяжність взаємодії в просторі λ, продовження взаємодії в часі T, і швидкість взаємодії c, тобто ті ознаки, які прийнято вважати хвильовими.
Другу групу утворюють ознаки, які характеризують квант дії h з погляду результату взаємодії з речовиною. До них відносять масу, енергію і імпульс фотона, тобто власне корпускулярні ознаки.
Цілком очевидно, що процес досягнення результату передує й підготовляє результат, а тому просторово-часові ознаки фотона обов'язково зумовлюють його енергетичні ознаки. Перебіг же процесу взаємодії, окремі його етапи виявляються принципово недоступними безпосередньому спостереженню, складаючи інформаційно замкнений цикл внутрішніх змін фотона, хоча саме ці зміни й синтезують різні фізичні явища, в яких проявляються ті чи інші властивості фотона, отже, властивості самої “речовини” фотона. Але оскільки ми розглядаємо фотон у контексті квантовомеханічної системи атома, то нас, перш за все, цікавить його основне правило  взаємодії з речовиною – правило взаємодіяти “цілком”.      
16. Фотон, про який іде мова, був отриманий у результаті непружного зіткнення емісійного електрона з атомом ртуті. У зв'язку з цим, невже ми дозволимо собі думати, що цим випадковим зіткненням атом і електрон “створили” його з небуття. Чи не правильніше буде думати, що зіткненням електрон “вибив” або “звільнив” фотон з пондеромоторного поля атома, в якому він уже існував і існував так само довго, як і сам атом ртуті. Саме “вибив” або “звільнив”, як частину матерії атома, бо припускати, що випромінювання фотона речовиною має електродинамічну природу, після досліджень Планком теплового випромінювання твердих тіл [4] і робіт Бора з моделювання атома [5], неприпустимо взагалі.
Оскільки емісійний електрон взаємодіє безпосередньо з  пондеромоторним полем осцилятора, то рух електрона в процесі зіткнення обов'язково визначає рівняння (5), за тієї умови, що непружне зіткнення є подією фінітною. Тому, при значенні кінетичної енергії W=4,86 еВ швидкість електрона в момент зіткнення
ν=13,07*107см/с,                                                                      
протяжність зіткнення в просторі                                                             
l=0,882*10-8см ,                                                                      
а продовження зіткнення в часі
T=0,135*10-15с.
Для порівняння [6], радіус атома ртуті приймають рівним r=1,6*10-8см.
Оскільки в результаті зіткнення осцилятор випромінив квант енергії, то його повна енергія W  зменшилася і стала рівною
Зображення
Таким чином, при непружному зіткненні ми, фактично, маємо справу з опосередкованою взаємодією емісійного електрона з електроном  осцилятора. Взаємодією, при якій повна енергія цього електрона зменшилася на квант випроміненої енергії, отже, атом не тільки не отримав енергію, а й втратив її, так що при досить тривалому повторенні таких зіткнень  вся енергія атома перейде у випромінювання, і настане “смерть” атома. Однак “смерть” атома не настає, отже, формула (32) не точна: при непружному зіткненні випромінювання фотона відбувається без зміни внутрішньої енергії атома. Механізм такого збереження слід шукати, очевидно, в природі пондеромоторного поля.