О направлении воздействия фотона на электрон

С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина
e-mail: sbkaravashkin@gmail.com
Труды СЕЛФ
блог «Classical Science»

Ничто так не заразительно, как заблуждение,
поддерживаемое громким именем.
Жорж Бюффон

Часто в дискуссиях сторонники фотонной концепции вместо попыток снять множество противоречий своей концепции пытаются свести вопрос к удобству оперирования корпускулярной моделью, мол, чего уж проще: «поглотил-излучил». Не нужно задумываться ни об эфире, ни о самом процессе поглощения. К этому добавляют и строгое квантование, как и удобство оперирования энергетическими уровнями и переходами между ними. Тем более, что дифракционная картина электронов является экспериментальным фактом, как и фотоэффект, дискретные линии спектров. А там, где не получается оперировать корпускулярной концепцией, они преспокойно переходят на волновую, пользуясь изобретенным дуализмом волна-частица. Сторонники подобных подходов могут бесконечно гулять между крайностями дуалистического представления, объясняя все возникающие парадоксы путём перехода от волны к частице и обратно, не задумываясь об абсурдности самого подобного перехода. Подобное упрощенчество преследует человечество в продолжение всего пути его развития, а не только в ХХ веке.
Те же древние использовали аналоги элемента Вольта.

Рис. 1. «Багдадский аккумуляторный сосуд» {1}

«Багдадский аккумулятор является вещественным доказательством того, что древнее человечество использовало электрическую энергию. Аккумуляторная батарея из далекого пришлого уверяет нас в том, что гальванические системы являются не таким уж и новым открытием, а скорее предметом, нашедшем пути применения ещё во времена древних цивилизаций, причем мало отличающимся по конструктивному исполнению от гальванических систем, используемых на сегодняшний день. Древнюю гальваническую батарею обнаружил в 1937 году во время раскопок под Багдадом немецкий археолог Вильгельм Кениг. Остатки древних гальванических (электролитических) элементов были найдены после Второй мировой войны при проведении раскопок в Ираке. Без особых трудов удалось реконструировать гальванический элемент, залив его электролитом – медным купоросом. Существует предположение, что в качестве электролита шумеры использовали лимонную или же уксусную кислоту. Древняя аккумуляторная батарея по утверждениям ученых давала напряжение от 0,25 до 0,5 вольта. Если в древнем мире существовали аккумуляторные батареи, не исключено, что существовали и электрические приборы, которые они бы питали электроэнергией» {1}.
Понятно, что с высоты современных знаний технологий легко предполагать что-то в прошлом. Несравненно сложнее смотреть в темноту будущего. Здесь же вызывает сомнение, что у далёких предков был аккумулятор, который нужно заряжать от другого источника электричества и никак иначе. Розеток же в те времена ещё не придумали, и гидростанций тоже. Скорее всего, это просто гальваническая батарея, случайно изобретённая древними по своим проявлениям, но аппаратуры на этом не создашь и тем более современной компьютерной техники, динамо-машин, гидроэлектростанций и т.д., а мощность этих гальванических элементов позволяла лишь простейшие эффекты в культовых или в медицинских целях, что и подтверждают археологические находки. «Сформировался даже медицинский термин, определяющий отрасль медицины, использующей электрических рыб для лечения боли – Ichthyoelectroanalgesia. Кайзер предполагал, что древние аккумуляторные батареи могли также применяться с аналогичной целью – избавления больных от боли при помощи слабого тока и ускорения заживления ран. Одним из возможных противоречивых вопросов является напряжение. Электрический скат может производить порядка 200V, что в разы больше напряжения Багдадской батарейки. Изучая медицинскую литературу, Кайзеру удалось найти подтверждение целебной силы электрического тока от 0,8 до 1,4V – это приблизительно тот же диапазон, который могла вырабатывать батарея, найденная в Багдаде. Более того, вблизи упомянутой батареи были найдены ритуальные предметы и амулеты, которые, как известно, широко применялись в древнем мире в качестве обычных медицинских инструментов. Подобное совпадение не может быть чистой случайностью, и скорее всего, является свидетельством того, что Багдадская батарея использовалась именно в медицинских целях» {1}. Так что не могли предки освоить электричество в полной мере, поскольку для этого нужно глубже знания иметь, а не ограничиваться внешними проявлениями.
То же самое получается и с фотонной концепцией. Не вникая в сущность физических процессов и ограничиваясь внешней ограниченной похожестью действия ЭМ волны и фотонов можно бесконечно фантазировать на темы квантовой запутанности, квантовых компьютеров и прочее, но реально проникнуть вглубь взаимодействия в атоме невозможно, и тем более невозможно заложить фундаментальные знания в основу принципиально новых технологий, если сами непознанные и пренебрегаемые знания выходят за ограниченные, противоречивые рамки корпускулярно-волнового дуализма и, как следствие, не учитываются при исследованиях. Чтобы знания проявлялись, нужно не пренебрегать противоречиями, а реально устранять их. В противоречиях, точнее в их преодолении и проявляется развитие.
Взять хотя бы довольно активно развивающееся сейчас направление изучения фемтосекундных импульсов{2}. Автор предполагает, что это направление позволит исследовать глубинные структуры атомов. При этом, с одной стороны, описывая рентгеновские лучи, он утверждает: «довольно долго (около двадцати лет) велись споры об их природе: являются ли они неизвестными частицами или волнами. Сегодня доподлинно известно, что рентгеновские лучи и синхротронное излучение рентгеновского диапазона, о получении которого пойдёт речь в этой книге, это электромагнитное излучение, к которому относится видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, радиоволны и т.д.» {2, с. 18}.
С другой стороны, «эти свойства у рентгеновских лучей сильно отличаются от свойств видимого света, причём это отличие тем сильнее, чем больше разница в длинах волн рентгеновских лучей (энергии рентгеновских фотонов) и видимого света… В частности, дифракционный предел, характеризующий предельную разрешающую способность электромагнитных волн при наблюдении (зондировании) объектов для рентгеновских лучей, сравним с размерами самых маленьких атомов, тогда как для видимого света он составляет всего 0,4-0,8 мкм. Поэтому рентгеновские лучи способны «видеть» атомы вещества, а свет их не различает. Как и видимый свет, рентгеновские лучи рассеиваются электронной плотностью атомов, испытывая при этом интерференцию и дифракцию, но характер этого рассеяния в случае рентгеновских фотонов своеобразен. Фотоны рентгеновского излучения также способны вызвать фотоэффект при взаимодействии с веществами, но поскольку энергия рентгеновских фотонов в тысячи раз выше, чем у фотонов видимого света, то фотоэффект, в случае рентгеновских лучей также сильно отличается от фотоэффекта в лучах видимого света» {2, с. 20}.
Как мы видим, в описании проявляется полный каламбур. С одной стороны, рентгеновские лучи несомненно являются волнами, но это корпускулы-фотоны, характер взаимодействия которых с атомами принципиально иной. В качестве же аргументов приводятся свойства волн, естественным образом изменяющиеся при взаимодействии с резонансной системой атома, но приписываются эти свойства уже корпускулам с оговоркой о волнах, как и при использовании именно максвелловской теории при описании этих самых «корпускул».
При этом Фетисов приводит спектр интенсивности рентгеновского излучения для существующих рентгеновских трубок, который представлен на рис. 2.

Рис. 2. «Спектральное разделение интенсивности Iλ тормозного излучения рентгеновской трубки по длинам волн λ для разных напряжений на рентгеновской трубке. Интенсивность даётся в относительных единицах» {2, с. 23}

На графике мы видим нормальный непрерывный спектр с распределением по интенсивности, близким к статистике максвелловского нормального распределения. Естественно, максимум спектра смещается в область коротких длин волн с возрастанием энергии электронов, бомбардирующих анод рентгеновской трубки. Никаких спектральных полос, характерных для квантования не наблюдается. При этом интересно, если автор утверждает, что именно высокая планковская частота и связанная с этим энергия фотонов является причиной особенности рентгеновских эффектов, то естественен вопрос: откуда берётся максимум излучения? С уменьшением длины волны, эффект должен был бы непрерывно возрастать, а он практически уходит в ноль после достижения максимума. Не значит ли это, что не высокая планковская энергия, растущая с частотой, является причиной особенности рентгеновских взаимодействия с атомами, а сами атомы, особенным образом взаимодействующие с бомбардирующими их электронами?
К тому же, рентгеновская трубка одновременно излучает весь спектр лучей, а не по очереди. То есть атомы реагируют на бомбардировку широким непрерывным спектром излучения. И если излучаются корпускулы, то сколько же нужно атомам одновременно излучать, чтобы обеспечивать весь диапазон спектра? Тем более, возникает и вопрос: а между какими уровнями энергии возникает этот непрерывный спектр?
Тем не менее, Фетисов даже приводит расчёт количества фотонов излучаемых при фемтосекундном процессе: «Число моноэнергетичных фотонов в сгустке лазерного излучения можно вычислить из мощности лазерной вспышки Рл. Для этого достаточно определить полную энергию сгустка, которая равна мощности, умноженной на длительность импульса lф/с, и разделить полученный результат на энергию ω1 монохроматических фотонов, составляющих фотонный сгусток. Таким образом
(1)
{2, с. 175}. Осталось только ответить на вопрос: откуда в сгустке (цуге волн, волновом пакете) монохроматические фотоны? График рентгеновского излучения их не демонстрирует. В волновом импульсе, как показали мы в предыдущей работе{3}, согласно стандартному Фурье-анализу также должен наблюдаться непрерывный спектр, повторённый на рис. 3.

Рис. 3 «Оконная функция — некая функция, на значения которой умножаются значения сигнала. Получившийся результат подвергается Фурье-преобразованию. Главная особенность этих функций — они плавно уменьшают амплитуду обрабатываемого сигнала в начале и конце до нуля, поэтому краевые эффекты исчезают» {4}.

Понятно, что полученные при подобных «исследованиях» результаты будут точно так же противоречивы, как и продемонстрированные методы их поиска.

Возьмём другой вопрос, связанный непосредственно с лазерной техникой. «Теория лазеров принадлежит к числу физических теорий, для которых основные уравнения твёрдо установлены. Однако получить точные законы не удаётся. Чаще всего используются приближения двух типов. Приближение первого типа состоит в переходе к классическому описанию поля (полуклассический или волновой метод). Приближение второго типа состоит в ограничении первым порядком возмущений по взаимодействию поля с активной средой. Это приближение приводит к кинетическому методу» {5, с. 9}.
Опять та же проблема. Уравнения записаны, но их решений никто не знает, а потому пользуются всё теми же волновыми методами, но заявляя при этом о той же квантово-фотонной сущности лазерного излучения. При этом и кинетический метод тоже базируется на волновом представлении с вкраплением квантового подхода: «основные положения, на которых базируется кинетическая теория лазеров: считается, что динамическая система, представляющая лазер, состоит из мод электромагнитного поля и возбуждений активной среды… В качестве мод используются характеристические колебания резонатора, т.е. решение уравнений Максвелла в отсутствие источников, экспоненциально зависящие от времени и удовлетворяющие условию излучения» {5, с. 9}.
Иными словами, оба приближённых подхода оперируют концепцией ЭМ волн с использованием квазистационарных уравнений квантовой механики, представляемых в виде волновых уравнений только лишь потому, что вероятностными методами размыли электрон на орбите атома, что было проанализировано нами в {6}.

Рассмотрим и вопрос о фотоэффекте. Как известно, сторонники квантовой парадигмы считают данный эффект исключительно достоянием квантово-фотонного представления. «В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергии hν . При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Aвых). Работа выхода – это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна: mv²/2 = hv - Aвых . Следовательно,
(2)
Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна»
{7}.
Основными свойствами фотоэффекта являются:
«— количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;
— максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства.
Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.
Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты νmin — красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при ν < νmin фотоэффект не происходит при любой энергии света а если ν > νmin, то фотоэффект начинается даже при малой энергии»
{7}.
Обычно фотонную кривую фотоэффекта рисуют в виде наклонной прямой, как показано на рис. 4.

Рис. 4. «Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света» {8}

Но процесс не столь прост, как представляется по уравнению Эйнштейна. Прежде всего, о спектральной характеристике: «Спектральная характеристика – зависимость фототока I от частоты света ν при постоянной интенсивности светового потока и постоянном напряжении на фотоэлементе. Спектральная характеристика снимается при тех же напряжениях, что и световая характеристика. По мере увеличения частоты от красной границы ν0 до частоты, соответствующей максимальному квантовому выходу νmax , у фотоэлементов с внешним фотоэффектом число фотоэлектронов растет, так как в фотоэффекте начинают участвовать электроны, имеющие малые энергии в металле (растет квантовый выход). При частотах, больших νmax , фототок уменьшается, так как увеличивается отражение света. Но для большинства металлов νmax очень велики и лишь для щелочных металлов и сложных катодов νmax лежат в видимой или близкой ультрафиолетовой области спектра» {9}.
Получается, что снижение фототока на частотах света выше видимых (т.е. при больших энергиях фотонов), определяется увеличением отражения света. График отражающей способности металлов от частоты света представлен на рис. 5.

Рис. 5. «Спектральные зависимости оптических характеристик металла: n – показатель преломления, κ – показатель поглощения, δ – глубина, на к-рой величина эл--магн. поля уменьшается в е раз (глубина скин-слоя), А по теории нормального скин-эффекта: I - область соотношений Хагена - Рубенса; II- область релаксации (средний и ближний ИК-диапазон); III- область прозрачности (УФ-диапазон). По оси абсцисс – логарифмический масштаб частоты» {10}

«В УФ-области при ω ~ ωp (область III, рис. 5) для всех металлов типичен переход от сильного отражения к прозрачности, вследствие изменения характера поляризуемости среды и знака ε”. При ω » ωp отклик металлов на эл-магнитное воздействие связан с возбуждением излучения внутренних электронных оболочек атомов и аналогичен отклику диэлектриков» {10}. Так что получается, что в реальности наблюдается прозрачность металлов в ультрафиолетовом диапазоне. Именно эта прозрачность, т.е. невзаимодействие электромагнитных волн с материалом катода, обусловливает спад эмиссии, а не отражение от поверхности, которое только удваивало бы энергию, передаваемую корпускулами поверхности. Также это означает, что как рост, так и спад фототока обусловлен не ростом планковской энергии мифических фотонов, а характером и особенностями взаимодействия ЭМ волн с фотоэмиттером, вследствие которого атомы могли бы возбуждаться или не возбуждаться воздействующим излучением.
Это подтверждает и тот факт, что в области ω » ωp характеристика фотоэффекта уже не гладкая, как в видимой части спектра. График сечения фотоэффекта для этой области представлен на рис. 6.

Рис. 6. «Сечение фотоэффекта» {11}
«Высокоэнергетическое электромагнитное излучение - рентгеновское и γ-излучение - непосредственно ионизации почти не производит (в противовес обоснованию Фетисова – авт.), сначала происходит преобразование их энергии в энергию электронов. В области энергий до 10 МэВ наиболее существенное значение имеют такие процессы преобразования как фотоэффект, комптоновское рассеяние и эффект образования пар... Фотоэффект возможен только на связанном электроне. Для рентгеновского и γ-излучения это электроны внутренних оболочек атомов (K-, L-,... оболочки). Чем меньше связь электрона в атоме по сравнению с энергией кванта, тем менее вероятен фотоэффект. Это обстоятельство определяет основные свойства фотоэффекта: зависимость эффективного сечения от энергии кванта (рис.6) и от заряда ядра. Из рис.6 видно, что при больших энергиях γ-квантов вероятность фотоэффекта мала, она возрастает, пока энергия кванта не сравняется с энергией ионизации εK для К-оболочки атома (hν = εK). Начиная с hν < εKкурсив фотоэффект на К-оболочке не возможен, остаются только L-, M- электроны (с меньшей энергией связи), сечение резко падает. Вероятность фотоэффекта очень сильно зависит от заряда ядра: σфото~ Z^5, поэтому эффект особенно существенен для тяжелых веществ.
Спектр электронов, выбиваемых при фотоэффекте, - линейчатый, так как энергия связи ε меняется дискретно»
{11}. А это означает, что поглощение/излучение кванта-фотона не подчиняется примитивному процессу неупругого соударения в механике, а, опять-таки, определяется свойствами самих атомных структур, которые просто выбрасываются из моделей фотоэффекта, ограничиваясь примитивом поглощения фотонов.
При этом у того же автора читаем: «Таким образом, фотонная теория добавляет новые свойства к обычным свойствам света (дифракции и поляризации). Она не требует отказа от старого представления о свете; она требует лишь сочетания концепции фотонов с концепцией электромагнитных волн» {12}. «С помощью законов сохранения энергии и импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободной частицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллической решетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла» {12}. Но в законе Эйнштейна стоит не энергия ионизации атома, а работа выхода электрона из металла, а это принципиально иное.
Из проведенного рассмотрения особенностей фотоэффекта напрямую следуют те же выводы, с которых была начата эта работа. В исследованиях и моделировании процессов игнорируются базовые противоречия между волной и корпускулой, по удобству используются несовместимые процессы и закономерности и зачастую объяснения ссылаются на эффекты, несовместимые с характером объяснения. Поэтому и неспособны сторонники фотонной концепции ответить на базовые, изначальные вопросы; каков поперечный размер фотона? Ведь корпускулы обязательно трёхмерны. Как происходит поглощение частицы-фотона электроном? Как происходит переизлучение в эффекте Комптона? Каким образом точечный фотон (а он по базовой фотонной концепции точечный) может возбудить весь атом. Да так, что неделимая энергия фотона перераспределяется между электроном и остовом атома? И так далее, далее, далее. Вопросов слишком много и все они безответны, и будут безответны, пока не преодолевают противоречия, а только пытаются наслоить одно на другое безотносительно к логике и смыслу утверждаемого. Вот и получаются обоснования вроде «В нерелятивистском случае Т_е « m_еc² (β « 1) интенсивность фотоэлектронов максимальна в плоскости поляризации векторов E и H фотона, т.е. в плоскости, перпендикулярной направлению движения фотона. При больших энергиях Т_е > m_еc² угол, под которым интенсивность фотоэлектронов максимальна, уменьшается, причем, чем больше энергия электронов, тем меньше угол их вылета по сравнению с направлением движения фотона, угловое распределение получается вытянутым вперед» {13}. Осталось самому автору объяснить: каким образом точечная частица может содержать поперечные векторы электромагнитного поля, да ещё и переменные во времени с заданной для фотона частотой монохроматического излучения? Каким образом электрон вылетает в направлении, перпендикулярном направлению движения частицы? Взаимодействие частиц этот эффект не предусматривает, и т.д.
К описанным противоречивым объяснениям фотоэффекта стоит добавить другую сторону медали, которой игнорируют в моделировании фотоэффекта сторонники фотонной концепции, – реальную вольт-амперную характеристику фотодиода, вид которой представлен на рис. 7.

Рис. 7 Схема измерения (a) и вольт-амперные характеристики (b) вакуумного фотоэлемента при разных освещенностях Ф1 > Ф2 > Ф3 {14}

«Из вольтамперной кривой (рис.7) видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Таким образом, пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Для отсечки тока нужно приложить задерживающее напряжение U0. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему наибольшей при вылете скоростью vm, не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Измерив задерживающее напряжение U0, по формуле
(3)
можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов»
{14}.
Однако ту же самую вольт-амперную характеристику, как и ту же схему измерения, имеет процесс термоэлектронной эмиссии (см. рис. 8).

Рис. 8. Схема измерения (a) и вольт-амперная характеристика (b) термоэлектронной эмиссии {15}

Объяснение вида кривой значительно более соответствует процессу, в основу которого заложены и эффект Шоттки, и автоэлектронная эмиссия, и электронное облако, препятствующее достижению электронами анода и предопределяющего форму характеристики: «Такую характеристику можно снять экспериментально, поддерживая напряжение накала постоянным и изменяя напряжение Ua (рис. 8). На этой вольт- амперной характеристике можно выделить три области. Область I соответствует тому случаю, когда к электродам прикладывается задерживающая разность потенциалов (к аноду подключается отрицательный полюс батареи), т.е. поле Е тормозит электроны. Однако ток в цепи все же идет потому, что часть электронов, вылетающих из раскаленной нити, имеет энергию, достаточную для преодоления задерживающей разности потенциалов. Эта часть вольт-амперной характеристики называется «кривой задержки». Помимо электрического поля Евн, создаваемого анодной батареей, между катодом и анодом существует поле, обязанное своему возникновению летящими электронами. Электроны, движущиеся от катода к аноду, создают определенный объемный заряд, который вызывает электрическое поле. Еоб будет тормозить электроны при их вылете из катода и ускорять при подлете к аноду. При увеличении разности потенциалов Ua поле Еоб будет уменьшаться. Поэтому все большее количество электронов станет долетать до анода и сила тока будет расти (область II).
При некотором значении разности потенциалов Ua = U0 суммарное поле Евн + Еоб у катода сделается равным нулю. При этом все вылетающие при данной температуре из катода электроны будут достигать анода. Поэтому дальнейшее повышение напряжения Ua не приведет к увеличению анодного тока I. Сила тока станет постоянной (область III). Такой ток называется током насыщения. Сила тока насыщения при прочих равных условиях зависит от температуры эмиттера. Зависимость плотности тока насыщения j_H от абсолютной температуры Т удовлетворительно описывается формулой Ричардсона – Дэшмена…»
{15}.
Между тем, тот же эффект Шоттки, обеспечивающий рост электронного тока под действием ускоряющего внешнего электрического поля, также способен существенно повлиять на ход зависимости эмиссионного тока, изменяя работу выхода как с термо-, так и с фотокатода: «При отсутствии электрич. поля распределение потенциала U у поверхности металла имеет форму гиперболы (кривая 1 на рис.9), что связано с действием сил электрич. притяжения, называемых также силами зеркального изображения, поскольку, когда электрон покидает эмиттер, он индуцирует в твёрдом теле заряд, являющийся его зеркальным изображением. При наложении внешнего однородного электрич. поля напряжённостью E потенц. барьер приобретает вид кривой 2; в результате работа выхода уменьшается на
(4)


Рис. 9. «Распределение потенциала у поверхности металла при отсутствии (1) и наличии (2) внешнего ускоряющего электрического поля; F-полная работа выхода; z - расстояние от имитирующей поверхности» {16}

где е - заряд электрона; последнее выражение для металлов применимо лишь для E < 1·E5 В/см (когда начинается автоэлектронная эмиссия). Если источником электронного тока служит накалённый катод, то за счёт Ш. э. сила тока возрастает от I0 до
(5)
где T – темп-pa катода; в случае фотокатода происходят сдвиг порога фотоэффекта в сторону больших длин волн и соответствующий рост фотоэлектронного тока при освещении катода»
{16}.
Причём в зависимости от тока и условий охлаждения катода, максимум спектра термоизлучения, как видим, пропорционален температуре, от которой зависит также и темновой ток, т.е. ток в отсутствие облучения светом катода.
«Зависимость плотности тока насыщения j_H от абсолютной температуры Т удовлетворительно описывается формулой Ричардсона – Дэшмена.
(6) где r – средний коэффициент отражения электронов от границы эмиттер-вакуум, В – постоянная, зависящая от материала катода, А – работа выхода электрона, k – постоянная Больцмана»
{15}.
«При снижении температуры темновой ток всех приёмников излучения снижается, поэтому высокочувствительные приёмники обычно охлаждают до низких температур, как правило, жидким азотом. Темновой ток — один из главных источников шума в таких светочувствительных приборах как ПЗС-матрица» {17}.
Таким образом, если учитывать темновой ток, термоэлектронную эмиссию, осуществляемую как прямым, так и косвенным накалом, а значит, инфракрасными лучами, частота которых ниже красной границы, если учесть сдвиг фотоэлектронного тока в область больших длин волн, эффект экранирования катода, влияние температуры и самого внешнего поля на преодоление электронами двойного электрического слоя в металле и т.д., то формула Эйнштейна (2) будет принципиально неспособна описывать процесс во всём его многообразии с учётом ещё и того, что при термоэлектронной эмиссии нет фотонного воздействия. В этом процессе эмиссия электронов, как и одновременное с этим излучение света, обеспечивается взаимодействием электронов тока в металле с решёткой металла.
Тут важен иной вопрос. Сам характер возбуждения атомов и как следствие рост температуры уже сам по себе обеспечивает смещение частоты спектра, излучаемого атомами. А значит, спектральная зависимость обусловлена не некими мифическими квантовыми эффектами, а реальным возбуждением атома и его электронных орбит, обеспечивающим смещение этого спектра излучения/поглощения в зависимости от локальной температуры воздействия, как и от кинетической температуры самих атомов.
Причём электронная эмиссия не ограничивается некой красной границей. Эмиссия идёт вплоть до сверхнизких температур и свидетельством этого является темновой ток.
Сторонники же фотонной концепции, выхолостив физику процесса и ограничившись постановкой некоего эрзаца решения волнового уравнения в уравнение для стационарных процессов, свели процессы в атоме к примитиву механического воздействия некоего мифического энергетического сгустка-корпускулы, при этом обвиняя классическую физику в неспособности описывать реальные эффекты фотоэмиссии электронов: «откуда берётся красная граница фотоэффекта? Чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растёт и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества — когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения… Выглядит опять-таки логично, но опыт — единственный критерий истины в физике! — этим доводам противоречит.
Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта»
{8}.
Но понять весь примитивизм подходов, фривольно трактующих те самые законы классической физики, объединяя несовместимые свойства волны и частица, игнорируя как раз экспериментальные закономерности ради приверженности фотонной концепции, – ревизионисты принципиально неспособны.

Так как же в свете вышеописанного воздействует мифический фотон на электрон? Если он всё же волна, то воздействие его обязано быть поперечным направлению распространения волны. Если он корпускула, то он обязан воздействовать по направлению своего движения. Последнее как раз и проявляется в схеме эффекта Комптона.
С этой точки зрения посмотрим на модельный опыт по комптоновскому рассеянию. Схема имеет вид, представленный на рис. 10.

Рис. 10. Стандартная схема взаимодействия фотона с медленным электроном, по которой рассчитывается эффект Комптона

Стандартное описание этого эффекта исходит из того, что поскольку «фотон обладает определённым импульсом, следует, что, встречая какое-нибудь препятствие, поток фотонов должен оказывать давление на это препятствие подобно тому, как бомбардировка стенок сосуда молекулами газа в среднем складывается в давление газа… Положим теперь, что электрон до соударения покоился, т.е. импульс его до соударения с фотоном был равен нулю; начальный импульс фотона
(7)
После соударения электрон приобретёт импульс
(8)
а импульс фотона станет равным
(9)
Применяя теперь законы сохранения энергии и количества движения, т.е. рассчитывая это соударение как удар упругих шаров, получим два уравнения. Из закона сохранения энергии имеем
(10)
Закон сохранения количества движения даёт
(11)
Из уравнений (10) и (11) первое – скалярное, а второе – векторное. Для расчёта следовало бы векторное уравнение заменить двумя скалярными уравнениями в проекциях на оси координат, но мы поступим следующим образом…»
{18, с. 393-394}.
Остановимся, чтобы проанализировать преобразования. В данном выводе обращают на себя внимание два момента. Во-первых, явно прослеживается стремление квантовиков вслед релятивистам использовать решения классической физики, но отрицая её способность решать данный тип задач и одновременно до неузнаваемости с этим искажать эти решения. Так, записанное выражение (10) не соответствует концепции сохранения энергии при ударе классической механики. Это несложно доказать, рассматривая не взаимодействие фотона с неподвижным электроном, а взаимодействие релятивистской частицы с неподвижной. Как мы показали в {19}, именно зависимость массы от скорости движения тела не позволяет выполняться данному закону сохранения. Причём, как было показано, закон сохранения импульса и закон сохранения энергии связаны между собой. Если не выполняется хотя бы один из них, то не выполняются оба. В релятивистском же подходе даже в предельном случае малых скоростей закон сохранения энергии выполняется с точностью до следующего члена разложения релятивистского корня, в то время как в классической физике эти законы выполняются строго. Поскольку же данное нарушение закона сохранения в релятивизме присуще всем без исключения релятивистским скоростям, то он должен не выполняться и в предельном случае движения фотона со скоростью света.
Второй важный момент касается уравнения сохранения импульса (11). Это уравнение действительно векторное, но в границах классической векторной алгебры, в которой действуют законы сложения векторов классической физики. В релятивизме, как известно, данный векторный закон нарушается. Различным образом трансформируются углы до и после разлёта, сумма векторов уже не определяется по правилу треугольника. Всё искажается преобразованиями Лоренца. Поэтому записывать закон для классического удара с искажениями релятивистского импульса просто некорректно. Но фотонщики вслед за релятивистами отбрасывают вполне очевидную и здравую логику вывода, привязываясь к тому, что сами же отрицают своей базовой парадигмой. И далее в выводе эта некорректная привязка просматривается ещё более откровенно.
Шпольский пишет: «Векторное уравнение (11) фиксирует треугольник OAB. По формуле элементарной тригонометрии из этого треугольника определяем квадрат стороны AB, равной по величине mv
(12)
{18, с. 394}. Как видим, в (12) впрямую применяют искажённые законы классической физики без оглядки на несовместимые с нею изменения, которые они сами же ввели. Результат, который они считают удовлетворительным, в действительности оказывается банальной подгонкой под него, учитывая и то, что любое точечное тело будет воздействовать на другое точечное тело вдоль направления своего движения, а не под углом к нему, как рассчитали релятивисты-фотонщики. Если же учесть, что в качестве неподвижного электрона в эксперименте использовался орбитальный электрон – «для лёгких атомов и для периферических, слабо связанных электронов такое предположение вполне оправдано» {18, с. 396}, – то факт подгонки под ответ станет ещё более явным. И дело не в том, с какой скоростью движется электрон до соударения. Главное – в каком направлении он движется, а это направление для орбитального электрона может быть самым разным, включая встречное. В зависимости от этого и схема на рис. 10 будет принципиально иной. С учётом принципа Гейзнберга, вероятность того, что фотон переизлучится на электроне именно в том положении, которое удобно авторам этой «концепции», будет равновероятна с другими положениями электрона на орбите. Таким образом, на основании релятивистско-фотонной концепции не должно быть никакого выделенного направления переизлучённого фотона, как и эмитировавшего электрона. Это направление может возникнуть только в случае воздействия ЭМ поля, при котором, как было сказано выше, направленность эмиссии электронов под действием ЭМ излучения наклонное к направлению падения волны на атом. Также и изменение частоты будет обусловлено тем, что взаимодействие внешнего поля атома осуществляется в суперпозиции с динамическим полем ядра. Разность этих взаимодействий и обусловливает изменение частоты переизлучённого света.
Чтобы исследовать характер возбуждения орбитального электрона, нами было проведено моделирование воздействия внешнего переменного Е-поля на орбитальный электрон {20}. На рис. 11 представлен характер возбуждения основной частоты обращения электрона в атоме.

Рис. 11. Орбиты возбуждённого электрона при ωE = ωe ; а) E0 = 4,02·E(-9) B/м; б) E0 = 3,25·E(-8) B/м {20. с. 12}

Как мы видим, на основной орбитальной частоте электрона, рост амплитуды внешнего поля E0 приводит только к росту размера орбиты электрона. Но картина изменяется при превышении частоты внешнего поля над орбитальной частоте электрона. Картина при удвоенной частоте внешнего поля представлена на рис. 12.

Рис. 12. Орбиты возбуждённого электрона при ωE = 2ωe ; а) E0 = 3,33·E(-4) B/м; б) E0 = 2,64·E(-3) B/м {20. с. 12}

Как видим, при возрастании амплитуды внешнего поля в орбите электрона формируется петля на единицу меньшей кратности частот полей. Она символизирует создание условий для ионизации атома. Причём с ростом частоты внешнего поля число петель будет возрастать, как будет возрастать и напряжённость внешнего поля, приводящая к этому явлению. Для примера, на рис. 13 представлена картина орбиты электрона при шестикратном соотношении между частотой внешнего поля и орбитальной частотой электрона.

Рис. 13. Орбиты возбуждённого электрона при ωE = 6ωe ; а) E0 = 2,8·E(-3) B/м; б) E0 = 2,27·E(-2) B/м {20. с. 12}

На рис. 13 мы видим, что петель уже пять, т.е. опять на единицу меньше кратности частот. Также возросла и напряжённость поля ионизации атома.
Данная картина образования петель будет наблюдаться и не при кратных частотах, хотя сама картина будет значительно сложнее. На рис. 14 представлена картина орбиты при кратности полей, равной 7/3.

Рис. 14. Орбиты возбуждённого электрона при ωE = (7/3)ωe ; а) E0 = 5,6·(-4) B/м; б) E0 = 3,97·E(-3) B/м {20. с. 13}

Если мы теперь построим кривую зависимости напряжённости внешнего поля, приводящего к ионизации атома от кратности частоты возбуждения, то получим график, представленный на рис. 15.

Рис. 15. Зависимость амплитуды возбуждающего поля E0 от соотношения между частотой возбуждения и собственной частотой электрона при равных амплитудах возбуждения электрона

Как видим, это практически линейная зависимость, начинающаяся от кратности, равной единице, которую фотонщики и приняли за красную границу фотоэффекта. Но на данном графике ниже этой «красной границы» существует и максимум в инфракрасной области, который соответствует термоэлектронной эмиссии.
Понятно, что в представленном моделировании учтены далеко не все вышеописанные эффекты, а потому результаты более качественные, чем сравнимые с реальными значениями эксперимента. Тем не менее, в рамках классического формализма представлена зависимость, которая объясняет весь объём вопросов, неразрешимых в рамках фотонной концепции, включая сам процесс излучения/поглощения мифического кванта энергии, рост напряжённости поля, требуемого для ионизации атома с частотой (а значит, и энергии эмитированных фотонов), направленность излучения поперёк воздействующего внешнего поля (для поперечной волны), как показывает и причину возникновения красной границы фотоэффекта.
Также проявляются и физические условия возбуждения атома при ионизации электрона. С появлением петель появляется в спектре низкочастотная составляющая, поскольку в градиентном поле спиральной волны атома это означает переход к нелинейным процессам. Именно этот процесс перехода определяет нагрев тела, возбуждая ядро атома и тем самым изменяя частоту его спиральной волны. Вот вкратце физика реального процесса, которая не ограничивается «раскачиванием» электрона, но которая полностью находится в соответствии со свойствами света, в отличие от модели корпускулярного взаимодействия.

Таким образом, как видим, корпускулярная модель содержит широкий набор афизичных посылок, а подгонять экспериментальные данные в подтверждение абстрактных положений научились давно. Во всяком случае, из 10 000 снимков по методу Скобелицына можно найти 300, которые косвенно показывали что-то похожее, как и редкое синхронное срабатывание счётчиков можно принять за результат в опыте Боте и Гейгера. Но сама афизичность посылки закрывает путь дальше. Без строгого соответствия физике процесса дальнейшее развитие будет направлено по ложному пути. С этим можно, безусловно, мириться, но тогда не стоит рассчитывать на продвижение реального познания. Этот путь просто будет закрыт, как и в случае релятивизма в попытке искать не истину, не согласующиеся с совокупностью свойств процессы, а подтверждения абстрактных предположений, не имеющих ничего общего с физикой как таковой.

Литература:
1. Электричество Древнего мира. Мотор-колёса, №1.
2. Г.В. Фетисов. Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ.– М., Физматлит, 2007, 672 с.
3. С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина. Может ли тело одновременно обладать корпускулярными и волновыми свойствами? – // Блог «Classical Science».
4. Практическое применение преобразования Фурье для анализа сигналов.
5. В.С. Машкевич. Кинетическая теория лазеров. – М., Наука, 1971, 472 с.
6. С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина. О структуре света – // Блог «Classical Science».
7. 24. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике – // Физ/Мат
8. Фотоэффект
9. З.С. Бондарева, В.Г. Иванов, Г.Е. Коровина, В.Д. Лебедева, Н.А. Петрова, В.Е. Удальцов. Характеристики фотоэлементов с внешним фотоэлементом. – // Квантовая оптика: Сборник лабораторных работ по общему курсу физики, НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2006.
10. Металлооптика. Энциклопедия физики и техники.
11. К.А. Дергобузов. Взаимодействие излучений с веществом.
12. К.А. Дергобузов. Фотоэффект.
13. Е.А. Мурзина. Глава 3. Взаимодействие фотонов с веществом, в кн. Взаимодействие излучения высокой энергии с веществом.
14. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
15. Работа выхода из металла. Термоэлектронная эмиссия, Лекции по физике.
16. Шоттки эффект. Энциклопедия физики и техники.
17. Темновой ток – Википедия.
18. Э.В. Шпольский. Атомная физика, т. 1. – М., Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, 576 с.
19. С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина. Законы сохранения – // Блог «Classical Science».
20. С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина. К вопросу о возбуждённом состоянии орбитального электрона. // Труды СЕЛФ, т. 6.1, с. 1-15.

Комментарии

Комментарии не найдены ...
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2017, создание портала - Vinchi Group & MySites