Ультрафиолетовая катастрофа
Эпохальная дата 1900 год – начало нового века, вернее его самый конец. В Росси Петр Лебедев откачивает воздух из корпуса крутильных весов, через несколько часов он докажет гипотезу великого Максвелла о существовании давления света.
В самом конце этого года, а именно, 19 декабря в Германии, Макс Планк на заседании Берлинского физического общества докладывает, что осциллятор, колеблющийся с частотой ν, излучает дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения. Величина квантов энергии определяется формулой, названной, позднее, в честь его имени.
E = hν
Где h – постоянная Планка, равная h = 6,63·10-34 Дж/Гц
Сам автор эту гипотезу рассматривал как условный математический приём, с помощью которого разрешалась проблема с «ультрафиолетовой катастрофой». Когда Планк высказал эту идею, то не поверил сам себе. Дошло до того, что он, спустя 10 лет, в 1911 году вообще пытался отказаться от этой «бредовой» идеи. Но к тому времени за кванты хваткой бульдога вцепился Эйнштейн, и не дал Планку ретироваться, иначе не видать бы ему Нобелевской премии, которую он получил в 1918 году.
А началось все с парадокса, названного «ультрафиолетовой катастрофой».
В конце 19 века в физике сложилась критическая ситуация.
Из закона Вина и Рэлея - Джинса следовало, что чем короче длина волны, тем большей должна быть интенсивность теплового излучения. Более того, возникал парадокс, заключающийся в том, что интенсивность излучения при переходе к все более коротким волнам (ультрафиолетовая область) должна была расти совершенно неограниченно. Но на опытах подобного не наблюдалось.
Создавшуюся ситуацию в теории излучения, физики образно окрестили "ультрафиолетовой катастрофой". Никто из них тогда не мог и подумать, что это не просто катастрофа одного частного закона, на поверку оказалось, что под угрозой катастрофы оказалась вся теория электродинамики. К тому времени электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, а затем открытые и доказанные Герцем, уже были заложены в фундамент физики и этот фундамент подвергся мощной коррозии.
Учеными предпринимались разные попытки объединить и примирить теорию с практикой, но указанный парадокс никак не удавалось разрешить.
С одной стороны опытным путем было установлено, что в ультрафиолетовой области кривые распределения тепловой энергии стремились к нулю. С другой стороны – теория предсказывала, повышение энергии в ультрафиолетовой области до бесконечности.
А началось все в 1859 году с Г. Кирхгофа, введенного им понятия «абсолютно черного тела», после полученных кривых распределения энергии по частотам.
Как известно, каждое нагретое тело излучает энергию, именуемую излучательной способностью тела. В то же самое время, данное тело поглощает и отражает падающую на него энергию от внешних источников. Часть поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела.
В общем же случае поглощательная способность тел зависит от частоты и температуры, и их спектр может существенно отличаться от спектра абсолютно чёрного тела.
По определению абсолютно черное тело поглощает всё падающее на него излучение. Функция f (ω,T) совпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемой законом Стефана – Больцмана, который формулируется следующим образом:
Мощность излучения абсолютно чёрного тела, приходящаяся на единицу площади поверхности, прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела.
J = σT4
σ = 5,67·10-8 Вт/(м2К4) – постоянная Стефана – Больцмана
Вот одна из формул в физике, которая приводит к ультрафиолетовой катастрофе.
Формулы и графики Вина, Рэлея – Джинса только усугубили ситуацию, казалось, что избавиться от ультрафиолетовой катастрофы не удастся.
Весь ученый мир подключился к решению данной проблемы, пытаясь вывести науку из тупика.
И вот, на рубеже 19-20 столетий Планк высказывает «бредовую» идею о квантах. Планк пошел от противного, пытаясь решить данную задачу, он на место волны ставит частицу.
Вот оно – долгожданное решение проблемы, его формула охватывала весь диапазон электромагнитных волн и прекрасно согласовывалась с практикой. Казалось бы, катастрофа миновала и больше не грозит «ультрафиолетовая смерть Вселенной», но никто не поверил в столь простое решение вопроса, да и в головах ученых никак не укладывалось, что свет может быть частицей. Посчитали, что это просто математический трюк Планка и не более того.
После чего физиками был взят своеобразный time out на целых пять лет; физический смысл квантов оставался неясным.
В 1905 году Эйнштейн, эффектно жонглируя квантами Планка, красиво объяснил теорию фотоэффекта, смысл которой заключался в том, чтобы установить соответствие между фотоном (квантом электромагнитной энергии) и энергией электрона, выбитого с поверхности металла.
Эйнштейн предположил, что световое излучение помимо признаков волны, обладает корпускулярными свойствами. Эйнштейн выдвинул тезис, что не только процесс поглощения, но и само электромагнитное излучение дискретно, в последствии, эти порции (кванты) стали называть фотонами. Свет состоит из потока квантов, которые излучаются и поглощаются веществами. Чем ярче свет (выше частота), тем больше фотонов и, соответственно, больше выбитых с поверхности металла электронов.
Впоследствии данная теория неоднократно была подтверждена на практике. Через 16 лет (1921 г.) за разработку теории фотоэффекта Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия. А вот про Столетова, который открыл первый закон внешнего фотоэффекта, Нобелевский комитет и не вспомнил.
Столетов Александр Григорьевич – русский физик В 1888—1890 годах систематически изучал явление фотоэффекта. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен закон: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода.
В 1905 году Эйнштейн опубликовал еще две основополагающих статьи, первая по теории относительности (первый кирпич в его знаменитую теорию) и диссертационную работу под названием: «Новое определение размеров молекул». Следует заметить, что к данной теме он неоднократно возвращался на протяжении всей жизни, поводом служило открытие Роберта Броуна хаотического движения цветочной пыльцы в 1827 году. Внятного объяснения данного явления в тот период не было. Эйнштейн, со свойственным ему новаторством, трактовал Броуновское движение как хаотическое движение взаимодействующих молекул.
От себя хочу добавить, что открытое Броуновское движение до сего времени не имеет точного объяснения хаотического движения молекул. Своим чутьем физика Эйнштейн это чувствовал, поэтому пытался подобраться к раскрытию данной загадки с разных сторон, но у него не получилось.
Мое понимание хаотического движения – сущности движения (перемещения) молекул будет дано в специальной статье с одноименным названием. На мой взгляд, любое движение, смещение, даже хаотическое движение молекул, должно подпитываться энергией. Без энергии не может быть никакого движения, даже броуновского.
Заключаю главу «Земля и физики» о великих ученых планеты, которую я заканчиваю Планком и Эйнштейном, которые дали миру новое понятие квантованности энергии.
На этом фундаменте будет строиться моя теория всемирного тяготения.
Безусловно, я не уделил должного внимания и другим ученым, которые внесли неоценимый вклад в науку познания мира, но они меня простят. Нужно двигаться дальше и выложить свой багаж, свое видение этого загадочного физического мира.
Литература
В гл. 1 "Земля и физики" вся заимствованная информация взята из открытых источников: Энциклопедии, Википедии, из некоторых исторических статей и сайтов интернета. Использованная информация переработана и трансформирована автором в соответствии с тематикой данного сайта.
Все чаще стала замечать — научным (или научно-популярным — не суть) текстам не хватает логической строгости. Ну, например:
— «тело излучает энергию» или «тело излучает тепло»? Тепло — это то же самое, что энергия или тепло — «производная» энергии (следствие). Или тепло просто устаревшее название энергии, эдакий научный историзм.
— «атом поглощает (испускает)», «электрон поглощает (испускает)» — так атом или только электрон? надо же как-то определиться, потому что дальше больше…
— в одном тексте атом «испускает квант», «переходит из состояния Е1 в состояние Е2», а в другом тексте то же самое происходит с электроном. Но ведь атом — не электрон, а электрон никак не атом. Почему же такие разные интерпретации?
Каждый трактует все эти термины как ему хочется, как он сам это понимает, но что еще хуже вообще без всякой логики, просто по-привычке. Это создает основу для НЕпонимания, нарушает коммуникацию, обучение. Меня эта тема очень занимает, и чем дальше, тем больше.
Еще в школе учебники физики ставили меня в тупик именно этим — неопределенностью понятий и суждений. «Атом излучает энергию» — «Печка излучает тепло». Между двумя этими суждениями — исторически-временная пропасть, потому что печка «излучала» в 19-ом веке (уж как могла, так и излучала — учеными «молитвами» (интерпретациями и толкованиями)), а атом излучает сейчас — в рамках нашего современного понимания процесса. Современные научные тексты не перебрасывают эти логические мостики, не устанавливают связей настоящего с прошлым, квантового мира с «классическим». Печка так и остается печкой — уютной и теплой, атом так и остается атомом — чужим, непонятным, пугающим. Прошло 150 лет, а в голове учеников так и не сложилось, что и излучение печки, и излучение атома суть одно и то же.
«В природе энергию переносят электромагнитные волны (фотоны)». А электроны чем заняты? Электроны не переносят? Они же главные посредники (в твердом теле)? Именно электрон делает «излучение», «поглощение»,»ток», «потенциал» тем, что можно фиксировать с помощью классической физики. Не «слови» электрон фотон, не соверши он скачок с уровня Е1 на Е2 и обратно — мы бы так ничего и не узнали о существовании квантового мира. Возникает вопрос — а хорошо ли мы знаем «родной наш» электрон? Мы так привыкли походя бросать — «электроны бегут», «электрон поглощает», «электрон ударяет». Но ТАК ли это? И не в этом ли проблема? В том, что мы «одомашнили» электрон и продолжаем употреблять не те слова?
Не знаю, понятно ли я изложила.
«В том, что мы «одомашнили» электрон и продолжаем употреблять не те слова?
Не знаю, понятно ли я изложила».
—————————————-
Елена, спасибо Вам за комментарий, даже за три, но я опубликую только два, т.к. они повторяются.
Вы изложили очень понятно, также понятен и лейтмотив Ваших комментариев. Ваша идея привести терминологию к общему знаменателю похвальна и, наверное, заслуживает внимания, не только мое, но и всей физики, как науки. За всю физику отвечать не буду, но поскольку Вы комментируете мои статьи, поэтому за них и буду отвечать.
Действительно, я могу в одних случаях сказать, что энергию излучает электрон, в других, сказать, что излучает атом, потом могу сказать, энергию излучает вся молекула, а затем сказать обобщенно, что энергию излучает буржуйка и т.д. до звезды. В такой трактовке я думаю меня поймут и физики и лирики. Тем более я ставлю задачу не разбираться в тонкостях атомной физики, а глобально объяснить народу как работает гравитация. А как она работает, можете прочитать статью в журнале.
ГРАВИТАЦИЯ ЗЕМЛИ. ФОТОННО-КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ
«Scientific-Researches» №5(5), 2016, с. 79
А Елена полностью права. Слишком много неопределенностей в этой физике, начиная с определений и кончая всяческими моделями… Считается, что свет волны, а корпускулярность придумал Ньютон…Ничего подобного!!!. Корпускулы выдумал Гюйгенс, вместе с волнами—а Ньютону лишь приписали, хотя он и то и другое отрицал!!!…Считается, что и дифракцию с интерференцией, иначе чем волнами не объяснить—ничего подобного! объясняется геометрической прямолинейной оптикой, да и явлений этих нет, есть одно—дисперсия света. Юнг всех надул, подменив понятие длины окружности в опытах с кольцами Ньютона и своими расчетами заменил 2 пи зависимость на длину волны. Это из формул видно.
Жульничество математическое, оно и с электроном произошло, и с изобретением кванта и с изобретением фотона… с изобретением электрических и магнитных свойств приписанных свету Максвеллом, с изобретением якобы поляризации всяческих видов.
Как опыты показывают(вы их упомянули в статье) свет отталкивает при его отражении, притягивает при поглощении и имеется отдача при излучении.
ОТДАЧА—это означает сжатие, если стрельба одновременно во все стороны или изменение формы. что в космосе имеем—правильно, форму шара…солнце излучает во все стороны. а вот еще, магниты, если их закрутить не падают, за счет момента вращения, то есть два вращающихся магнита одноименными полюсами удерживаются…не удалясь и не падая. плюс еще—электричество…результат работы света с веществом, которое и порождает структурные изменения делая из него магнит, который ток выталкивает на периферию—перпендикулярно току
— опять шар имеем. вот они три кита гравитации без волн и фотонов.
1. «Как опыты показывают(вы их упомянули в статье) свет отталкивает при его отражении, притягивает при поглощении и имеется отдача при излучении».
У меня относительно света и его отдачи противоположная точка зрения и Вы, надеюсь, с ней знакомы, т.к. я выкладывал статью в сообе «Физика».
2. «а вот еще, магниты, если их закрутить не падают, за счет момента вращения, то есть два вращающихся магнита одноименными полюсами удерживаются…не удалясь и не падая. плюс еще—электричество…результат работы света с веществом, которое и порождает структурные изменения делая из него магнит, который ток выталкивает на периферию—перпендикулярно току
— опять шар имеем. вот они три кита гравитации без волн и фотонов».
Насчет Ваших 3-х китов комментировать не буду, т.к. мои идеи, мысли, гипотезы изложены подробно на данном сайте и не совпадают с Вашими.
насчет явления отдачи при излучении—любой взрыв им сопровождается(излучением) и первичным сжатием полости взрыва, это обнаружено при ядерном взрыве и при простом подводном—глубинная бомба перед тем, как фонтан дать, организует прогиб поверхности воды…это не эффект мессбауэра, математический—фокус, это третий закон Ньютона и принцип реактивного движения…
«насчет явления отдачи при излучении—любой взрыв им сопровождается(излучением) и первичным сжатием полости взрыва, это обнаружено при ядерном взрыве и при простом подводном—глубинная бомба перед тем, как фонтан дать, организует прогиб поверхности воды…это не эффект мессбауэра, математический—фокус, это третий закон Ньютона и принцип реактивного движения…»
———————————
Не путайте давление газов с излучением.
вы не врубились, это детонация с критической массой, процесс сначала вызывает излучение, оно первично, потому давление не наружу, а внутрь, то есть рост плотности и процесс колебательный с нарастанием очень быстрый. детонация работает и на расстоянии при недостатке критической массы, скорость ее значительно выше скорости звука, как в самом веществе, так и между двумя разнесенными типа тротил или уран кусками. /А давление распространяется только со скоростью звука и никак иначе.
«вы не врубились, это детонация с критической массой, процесс сначала вызывает излучение, оно первично, потому давление не наружу, а внутрь, то есть рост плотности и процесс колебательный с нарастанием очень быстрый. детонация работает и на расстоянии при недостатке критической массы, скорость ее значительно выше скорости звука, как в самом веществе, так и между двумя разнесенными типа тротил или уран кусками. /А давление распространяется только со скоростью звука и никак иначе»
———————————-
Может и не «врубился»! Так как Ваши комментарии сначала нужно декодировать, а затем отвечать на них. По детонации у меня опубликована отдельная статья, поэтому здесь эту тему далее не поддерживаю и не развиваю.