Закон получения абсолютно черного тела

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАКОН ИЗЛУЧЕНИЯ АБСОЛЮТНО ЧЁРНОГО ТЕЛА

Канарёв Ф.М.

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, атомов и молекул, возникает вопрос: а не ошиблись ли физики прошлых поколений, похоронив возможности классической физики решать задачи микромира? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте внимательно проанализируем истоки недоверия к классической физике при решении задач микромира.

Все началось с вывода закона излучения абсолютно черного тела. Вывод математической модели этого закона, выполненный Максом Планком в начале ХХ века, базировался на понятиях и представлениях, которые, как считается, противоречат законам классической физики [1].

Планк ввел в математическую модель закона излучения абсолютно черного тела константу с размерностью механического действия, что явно противоречило представлениям о волновой природе электромагнитного излучения. Тем не менее, его математическая модель достаточно точно описывала экспериментальные зависимости этого излучения. Введенная им константа указывала на то, что излучение идет не непрерывно, а порциями. Это противоречило закону излучения Релея - Джинса, который базировался на к представлениях о волновой природе электромагнитного излучения, но описывал экспериментальные зависимости лишь в диапазоне низких частот.

Поскольку в математической модели закона излучения абсолютно черного тела присутствует математическая модель закона излучения Релея - Джинса, то получается, что планковский закон излучения абсолютно черного тела базируется на исключающих друг друга волновых и корпускулярных представлениях о природе излучения [1].

Несовместимость непрерывного волнового процесса излучения с парциальным процессом явилась веским основанием для признания кризиса классической физики. С этого момента физики начали полагать, что сфера действия законов классической физики ограничена макромиром. В микромире, считают они, работают другие, квантовые 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 констатировать, что граница между законами классической и квантовой 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 представлений, поэтому мы вынуждены возвратиться к попытке Макса Планка выполнить вывод математической модели закона излучения абсолютно черного тела на основе классических представлений [2], [3].

Прежде всего, приведем формулу Релея - Джинса, которая удовлетворительно описывает экспериментальную закономерность низкочастотного диапазона излучения (рис. 1). Основываясь на волновых представлениях об электромагнитном излучении, они установили, что энергия , заключенная в объёме абсолютно черного тела, определяется зависимостью [1]

, (1)

где - частота излучения; - объём полости абсолютно черного тела; - скорость света; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура излучения. Разделив левую и правую части соотношения (1) на объём , получим объёмную плотность электромагнитного излучения [1]

. (2)

Вывод этой формулы базируется на представлении о существовании в замкнутой полости абсолютно черного тела целого числа стоячих волн электромагнитного 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 энергия каждой излученной порции оказывается равной , и формула для расчета плотности электромагнитного излучения абсолютно черного тела оказалась такой (рис. 1) [1]

Рис. 1. Кривые распределения энергии в спектре абсолютно черного тела

. (3)

Величина - константа с механической размерностью действия. Причем смысл этого действия в то время был совершенно неясен. Тем не менее, математическая модель, полученная Планком, достаточно точно описывала экспериментальные закономерности излучения абсолютно черного тела (рис. 1).

в формуле (3) играет роль некоторого существенного дополнения к формуле (2) Релея - Джинса, суть которого сводится к тому, что - энергия одного излученного фотона.

Конечно, чтобы понять физический смысл планковского дополнения надо иметь представление об электромагнитной структуре фотона, так как в этой структуре скрыт физический смысл самой постоянной Планка . Поскольку произведение описывает энергии фотонов всей шкалы электромагнитного излучения, то в размерности постоянной Планка и скрыта электромагнитная структура фотона. Нами уже установлено, что фотон имеет такую вращающуюся магнитную структуру, центр масс которой описывает длину волны , равную радиусу его вращения. В результате математическое выражение константы Планка принимает вид [2], [3], [4]

(4)

Как видно, константа Планка имеет явную механическую размерность момента импульса, момента количества движения или кинетического момента. Хорошо известно [4], [5] что постоянством кинетического момента управляет закон сохранения кинетического момента и сразу становится ясной причина постоянства постоянной Планка. Прежде всего, понятие «закон сохранения кинетического момента» является понятием классической физики, а точнее - классической механики. Он гласит, что если сумма моментов внешних сил, действующих на вращающееся тело, равна нулю, то кинетический момент такого тела остаётся постоянным по величине и направлению [4].

Конечно, фотон не является твердым телом, но он имеет массу и у нас есть все основания полагать, что роль массы у фотона выполняет вращающаяся относительно оси магнитная субстанция, то есть - магнитное поле. Из математической модели (4) постоянной Планка следует, что магнитная модель фотона должна быть такой, чтобы одновременное изменение массы , радиуса и частоты вращающихся магнитных полей фотона оставляло бы их произведение, отраженное в математическом выражении постоянной Планка (4), постоянным [2], [3].

Известно, что с увеличением массы (энергии) фотона уменьшается длина его волны. Опишем повторно, как это изменение реализуется постоянной Планка (4) в модели фотона (рис. 2).

Рис. 2. Схема кольцевых магнитных полей фотона

 Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения кинетического момента , то с увеличением массы фотона растет плотность его магнитных полей (рис. 2) и за счет этого увеличиваются электромагнитные силы, сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробежными силами инерции, действующими на центры масс этих полей. Это приводит к уменьшению радиуса фотона, который всегда равен длине его волны . Но поскольку радиус в выражении постоянной Планка возводится в квадрат, то для сохранения постоянства постоянной Планка (4) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого незначительное изменение массы фотона автоматически изменяет его радиус и частоту так, что угловой момент (постоянная Планка) остается постоянным. Таким образом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру, меняют массу, частоту и радиус вращения так, чтобы То есть принципом этого изменения управляет закон сохранения кинетического момента [3].

Если задаться вопросом: почему фотоны всех частот движутся в вакууме с одинаковой скоростью? То получается следующий ответ [3].

Потому что изменением массы фотона и его радиуса управляет закон локализации таким образом, что при увеличении массы фотона его радиус уменьшается и наоборот. Тогда для сохранения постоянства постоянной Планка при уменьшении радиуса частота должна пропорционально увеличиваться. В результате их произведение остаётся постоянным и равным . При этом скорость центра масс фотона (рис. 2) изменяется в интервале длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной (рис. 3).

Рис. 3. График скорости центра масс фотона