Баллистическая


ЭЛЕКТРОНИКА, ТЕРМОДИНАМИКА, ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА ПО РИТЦУ



жүктеу 8.2 Mb.
бет63/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   59   60   61   62   63   64   65   66   ...   99

ЭЛЕКТРОНИКА, ТЕРМОДИНАМИКА, ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА ПО РИТЦУ

День, когда мы узнаем, что такое электричество, вероятно, станет ещё более величайшим событием в летописи человечества, чем любое другое происшествие, отражённое в нашей истории. Придёт время, когда комфорт, возможно, даже само существование человека будут зависеть от этого замечательного явления.



Никола Тесла, [110]
Часть 3. показала, что классическая теория Ритца проясняет геометрическую структуру и свойства элементарных частиц, атомов. Теперь пора применить эти знания к большим ассоциациям атомов и объяснить строение вещества, свойства материальных сред, дабы создать не квантовую, а чисто классическую теорию твёрдого тела, особенно для таких явлений как проводимость, теплоёмкость, фотоэффект, сверхпроводимость. Как увидим, классическая картина этих явлений не только возможна, но и наиболее естественна, проста и точна.

В частности будет показана абсурдность гипотезы корпускулярно-волнового дуализма и принципа неопределённости Гейзенберга, нагоняющих туман в наши представления о микромире. То, что в квантовой механике атомный мир, электроны размыты, замутнены, и позволяет учёным, пользуясь такой неопределённостью, творить в микромире всё, что вздумается, принимая самые абсурдные гипотезы и картины явлений. Именно в мутной воде хорошо рыбка ловится, можно творить полный беспредел, и никто не схватит учёного за руку, когда он мухлюет, поскольку этот мухлёж в квантовом мраке, тумане математических формулировок незаметен и уже исходно противоречит здравому смыслу. Поэтому в микромире нас стремятся приучить к мысли, что здесь бесполезен наш здравый смысл, к которому всегда апеллируем при разрешении спорных вопросов и противоречий. Уже поэтому квантовую теорию следовало бы признать ложной. И лишь отсутствие до сих пор классической картины явлений не позволяло отвергнуть квантовую их картину. Но как покажем, все эффекты, будто бы доказывающие неопределённость, волновые свойства частиц и корпускулярные свойства света, имеют простое классическое объяснение, зачастую даже более точное и всеобъемлющее, нежели их квантовая трактовка. Лишь классическая теория вещества и излучения, позволяет верно понять их свойства и управлять ими, создавая материалы с нужными свойствами. В микромире нет тумана и размытости, а царит строгий классический детерминизм.

Такое классическое понимание электрических и других явлений в средах оказывается важным не только в теоретическом и мировоззренческом ключе, но более всего в практическом плане. Как верно отметил Тесла, именно понимание природы электрических явлений имеет для человечества первостепенное значение. И именно баллистическая модель, принятая Тесла, позволяет достичь такого понимания. Не зря и в макромире электрических явлений так распространена баллистическая терминология: батарея, баллистический гальванометр и изобретённый недавно безынерционный баллистический транзистор. Вся вакуумная и СВЧ-электроника - лампы, клистроны (§ 2.11.), гиротроны, магнетроны и т.д. - работает на баллистических принципах - свободном или управляемом полёте пучка электронов, выстрелянных электронной пушкой. Именно баллистика открывает электронику. Не зря известный курс "Электроники" В. Гапонова начинается с главы "Электронная баллистика и электронная оптика" [36]. Осталось внести баллистико-механические принципы и в самые теоретические основы явлений, что приведёт к грандиозному прорыву в этой области. Так, важнейшая задача сейчас состоит в создании высокотемпературных сверхпроводников для передачи электроэнергии на большие расстояния и постройки экономичного транспорта. Остро необходимы и дешёвые эффективные и экологически чистые генераторы электроэнергии, например солнечные батареи. В решении этих задач неоценимую помощь может оказать как раз БТР, предлагающая, в пику квантмеху, адекватную классическую картину явлений. А ведь нет ничего более практичного, чем хорошая теория.

    1. Ритц и проблема излучения абсолютно чёрного тела

Принципиальные трудности в теории излучения чёрного тела ведут нас не столько к тому, чтобы вместе с Планком вводить частицу энергии-времени, но скорее к требованию восстановить при помощи принципа наименьшего действия нарушенный современной электронной теорией принцип детерминизма природных процессов в духе классической механики, чтобы известное конечное число заданных факторов было достаточным для определения процесса движения системы электронов в любой момент времени.



Вальтер Ритц, "Об основаниях электродинамики и теории излучения абсолютно чёрного тела" [9]
История квантовой физики началась с Планка - учёного, бывшего сторонником классических взглядов и не ожидавшего, что его идеи приведут к отказу от классической физики и станут фундаментом для абсурдной квантовой механики. К идее световых квантов Планк пришёл, исследуя механизм излучения нагретых тел. Планк сперва эмпирически подобрал формулу для описания спектра излучения абсолютно чёрного тела, которая хорошо согласовалась с экспериментально измеренной зависимостью спектральной интенсивности от частоты света. Пытаясь дать физическую интерпретацию этому закону, Планк пришёл к мысли о квантовой структуре света. Однако закон Планка легко объясним и классически в рамках волновых представлений о свете, если верно интерпретирован процесс теплового излучения.

Действительно, исходная идея Планка не противоречила классической физике. Планк просто показал, что открытый им закон теплового излучения легко получается, если допустить, что энергии E атомных осцилляторов (колеблющихся в атомах электронов) могут принимать не все возможные значения, а жёстко связаны с частотой f колебаний электрона, испускающего, как любой вибрирующий заряд, свет той же частоты f. Эта связь выражается известной формулой E=hf, где величина h, именуемая постоянной Планка и была названа элементарным квантом действия. Прежде казалось, что в рамках классической физики нельзя получить такую связь, ибо энергия осциллятора, скажем груза на пружинке, как известно, может принимать самые разные значения при одной и той же частоте колебаний груза. Потому и была выдвинута квантовая гипотеза, согласно которой свет излучается порциями, в виде квантов энергии E=hf. Но в действительности такую связь частоты и энергии, как видели (§ 3.1., § 3.3.), легко получить и в рамках классической физики, если принять магнитную модель атома Ритца. В магнитном поле атомного остова электрон, крутящийся с частотой f, как раз имеет энергию E=hf, где величина h на основании данных о радиусе и магнитном моменте электрона получилась в точности равна постоянной Планка. А потому планковский закон излучения естественно возникает и в классической физики, раз уж он прямо следует из соотношения E=hf. Разберём подробней механизм теплового излучения и закон Планка.

Тепловое излучение, как выяснили, возникает при поглощении атомами электронов. Когда атом металла или газа захватывает электрон, тот начинает вращаться в атоме, излучая на частоте своего вращения f=E/h, где E – энергия поглощённого атомом электрона.

Электроны, как любые другие частицы при температуре T, подчиняются распределению Максвелла. То есть доля, концентрация электронов со скоростью V есть n~Ee–E/kT, где E=MV2/2, а M - масса электрона. Спектральная плотность энергии u (энергия, излучаемая на данной частоте f) пропорциональна NE, где N частота захвата атомами электронов энергии E=hf. Для быстрых, высокоэнергичных электронов частота столкновений и захватов определяется их концентрацией n и скоростью V, много большей скорости атомов: N~nE. В итоге энергия, излучаемая атомом на частоте f, будет u~E3e–E/kT=(hf)3e–hf/kT, что совпадает с законом излучения Вина и с формулой Планка для высоких частот. Низкие частоты возникают от ударов медленных электронов, имеющих малую энергию. Скорости этих электронов меньше средней скорости атомов, и частота их столкновений, захватов зависит уже не от энергии E, а определяется скоростью, энергией атомов N~nkT. Поэтому энергия, излучаемая атомом на низких частотах, есть u~E2kTe–E/kT=(hf)2kTe–hf/kT или u~(hf)2kT, если учесть близость e–hf/kT к единице. Но это формула Релея-Джинса или формула Планка для низких частот (Рис. 144)!



Рис. 144. Максвелловское распределение электронов n(E) переходит в планковское u(f). Частота захвата электронов атомами зависит от их взаимной скорости (v-V), равной в крайних случаях v либо V.

Так что формула Планка имеет классическое объяснение в обоих предельных случаях. Критерий перехода между ними даёт соотношение тепловой энергии атомов и электронов – соотношение энергии kT и E=hf. При kT>>hf получаем формулу Джинса, а при kT< – формулу Вина. Можно рассчитать и промежуточный случай, и он даст близкое, но неточное совпадение с формулой Планка. Но ведь и она не вполне точна, давая порой заметные расхождения с опытом, хотя это и объясняют тем, что в природе нет абсолютно чёрных тел.

Итак, спектр излучения чёрного тела легко объясним в рамках классической теории Ритца. А значит, фундамент квантовой физики подорван. Квантовую физику выдумали потому, что классическая не смогла объяснить спектр излучения чёрного тела и привела к ультрафиолетовой катастрофе – излучению на высоких частотах бесконечной энергии. От ультрафиолетовой катастрофы физику спас закон Планка и его квантовая трактовка. Но после оказалось, что квантовая физика и электродинамика рождают ещё больше расходимостей и бесконечностей: за что боролись – на то и напоролись! А смешнее всего, что энергия излучения чёрного тела на высоких частотах выходила бесконечной и по квантовой механике. Следуя ей, к излучению на каждой из частот добавится энергия нулевых колебаний, стремящаяся к бесконечности с ростом частоты. Так вернулись к ультрафиолетовой катастрофе классического закона Релея-Джинса.

Всё это не вредит формуле Планка, но говорит о ложности квантовой трактовки этой формулы. Не зря Планк призывал к осторожному обращению с квантами, которые он ввёл как формальный приём, веря, что открытый им закон излучения можно объяснить в рамках классической физики. О том же говорил и Ритц в споре с Эйнштейном (см. эпиграф § 4.1.). Он связывал ультрафиолетовую катастрофу с неверным описанием процесса излучения и порочностью максвелловской электродинамики. Словно предчувствуя грядущие квантовомеханические потрясения, Ритц указал, что главная проблема теории излучения чёрного тела состоит в неверном описании движения электронов в металле и атомах, в его неопределённости. Уравнения Максвелла и теория Лоренца слишком неоднозначны, допускают большое число физически невозможных решений. Если наложить соответствующие ограничения, в том числе условие запаздывающих потенциалов (по сути, классический принцип причинности, детерминизма) и предложенную Планком связь частоты колебаний и энергии электрона, то планковский закон излучения получится сам собой в рамках классического подхода. Этому вопросу посвящена серия из четырёх статей, в том числе предсмертная статья Ритца, где он вступил в схватку с Эйнштейном, вставшим горой за электродинамику Максвелла [154, 161].

И точно, как показано выше, закон Планка вполне объясним классически и связан с детерминированной частотой обращения электрона, с дискретностью, прерывистостью, но не света, а процесса излучения. Ведь в тепловом излучении каждый акт излучения и поглощения света сопряжён с захватом или вылетом электрона из атома. Примечательно, что уже тогда, в начале XX в., Ритц отмечал, что именно теория Максвелла противоречит классической механике и принципу причинности, детерминизма в физике. И потому не механика Ньютона, а теория Максвелла ответственна за кризис науки начала XX века в связи с проблемой опыта Майкельсона и закона излучения чёрного тела. Как верно заметил Ритц, именно теория Максвелла и ответственна за появление теории относительности и квантовой физики. Эти абсурдные теории - неизбежное следствие столь же абсурдной теории Максвелла.

То, что энергия E колебаний, кружения электрона в атоме связана с частотой f его обращения, подтверждает и фотоэффект: внешний электрон, срываясь с орбиты под действием света частоты f, по вылету из металла как раз имеет энергию E=hf (§ 4.3.). Планк стремился вернуть физику в классическое русло, борясь за правильное истолкование своих идей в рамках дискретных свойств электричества, атомов, а не света. Модель атома Ритца позволила этого добиться. Модель поясняет не только то, как рождается сплошной и линейчатый спектр излучения нагретых тел, но и почему тела излучают тем интенсивней, чем выше их температура.

Нагрев приводит к убыстренному движению атомов. Растёт сила и частота их столкновений, толчки побуждают внутренние и внешние электроны атома интенсивней кружиться и излучать, генерируя соответственно дискретный и сплошной спектры. Внешние электроны чаще отрываются от атомов и, набрав в столкновениях добавочную энергию, излучают её в виде сплошного спектра при захвате другими атомами (Рис. 145). Это явление, именуемое обратным фотоэффектом, рождает также сплошной X-спектр рентгеновской трубки [134]. Однако в газе атомы удалены друг от друга, они редко теряют и поглощают электроны. Потому у газов, в отличие от раскалённых твёрдых тел с их сплошным спектром, более ярок дискретный, линейчатый спектр, природу которого разобрали выше (§ 3.1.). Лишь в протяжённой плазме звёзд электроны движутся свободно и в больших объёмах газа часто сталкиваются с атомами, генерируя сплошной спектр не хуже твёрдых тел. Заметим, что квантовая физика объяснить сплошной спектр Солнца и звёзд не способна.



Рис. 145. Максвеллово распределение электронов по энергиям E, переходящее при E=hf в планковское распределение по интенсивности спектра.

Интересно отметить, что ещё в 1750 г. М.В. Ломоносов в своей работе "Размышления о причине теплоты и холода" (§ 4.15.) связал тепловые свойства тел с вращением их частиц, которое с ростом температуры становится всё более интенсивным, отчего тело излучает всё больше тепла. Тем самым Ломоносов не только предсказал существование в атомах крутящихся электронов, но и догадался, что именно их кружение ответственно за тепловое излучение тел. Классическое объяснение спектра излучения абсолютно чёрного тела - это лишь первый кирпич, изъятый из фундамента квантовой теории и встроенный в здание классической физики. Как покажем далее, и все прочие кирпичи фундамента - фотоэффект, эффект Комптона, опыт Франка-Герца и т.д. - не имеют отношения к квантовой концепции, в здании которой лежат ненадёжно, но зато стройно укладываются в рамки классической физики.



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   59   60   61   62   63   64   65   66   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет