Коллега, в соответствии с эффектом Сакса – Вольфа, фотон, распространяясь в гравитационном поле по нарастающему потенциалу, теряет свою энергию. Мы уже выяснили, что в итоге фотон исчезает, «конденсируясь» в фонон. Однако, каков итог обратного процесса, когда фотон будет распространяться в поле по убывающему потенциалу?
Сначала, мой друг, давайте вспомним, что будет происходить, если по убывающему потенциалу в гравитационном поле движется фонон.
Справка: Фононом мы называем частицу (полуволну) с неизменной массой (фонон «рождается» с этой массой). Изменение энергии фонона связано только с изменением скорости его движения. Это значит, что полная энергия фонона прирастает только кинетической энергией (энергией движения).
Итак, переходя от большего потенциала к меньшему (движение к центру гравитационного поля), фонон наращивает свою энергию за счёт увеличения скорости движения.
Справка: Гравитационный потенциал на периферии потенциального поля равен нулю (максимально возможное его значение) и убывает до значения минус с^2 (скорость света в квадрате) – это минимально возможное значение потенциала у поверхности сгустка энергии с минимально возможным радиусом. Такой радиус мы называем гравитационным радиусом, а сгусток энергии – ядром.
Приближаясь к рубежу с минимально возможным значением потенциала, фонон «испаряется» в фотон. Взаимодействуя с гравитационным полем, фотон огибает ядро и затем удаляется от него (излучается).
Теперь рассмотрим поток фотонов, которые тоже распространяются по убывающему гравитационному потенциалу.
Справка: Фотон так же, как и фонон, является полуволной, но отличается от последнего тем, что его скорость (скорость света в данной среде) неизменна (фотон с этой скоростью «рождается»). Изменение энергии фотона связано только с изменением его массы. Это значит, что полная энергия фотона прирастает только энергией взаимодействия (потенциальной энергией).
Итак, двигаясь к центру гравитационного поля, фотон наращивает энергию, за счёт увеличения своей массы, ибо скорость его движения неизменна. Но этот процесс не беспредельный, ибо часть своей энергии фотон может потратить на «рождение» электрона. Наиболее эффектно это происходит при энергии фотона, близкой к значению:
E = h*c/l (h – постоянная Планка, с – скорость света, l – комптоновская длина волны электрона).
При малых энергиях фотона (большой длине волны, превышающей комптоновскую длину волны, скажем, в 10 раз), появившийся электрон получает от фотона сравнительно малую часть всей его энергии (примерно на порядок меньше). Поэтому заметное «рождение» электронов можно регистрировать, когда длина волны фотона сопоставима с комптоновской длиной волны электрона. Именно такой эффект наблюдал Комптон в начале двадцатых годов прошлого века.
Коллега, Вы здесь говорите про волны, а ведь известно, что особенности эффекта Комптона можно объяснить, если считать, что излучение имеет чисто корпускулярную основу.
Это, мой друг, не совсем так. Математики действительно пытаются рассматривать этот эффект, как результат соударения фотона со свободным электроном, то есть, как удар упругих шаров. Однако, свои расчёты они начинают с ошибки, предполагая, что электрон до соударения покоился, то есть, его импульс был равен нулю. Но в Природе нет покоя. Нет и покоящихся электронов.
Простое и внятное объяснение данный эффект получает через законы взаимодействия фотонов с гравитационным полем, реальность которого в атоме математики признать не могут. Ведь, по Ньютону гравитационное поле здесь исчезающе мало, а применять законы Кеплера в микромире могут далеко не все. Вот и путаемся между волной и корпускулой. Причину этой традиционной путаницы мы с Вами уже рассматривали в беседе «Корпускулярно-волновой дуализм».
Теперь давайте посмотрим, как волновая теория объясняет эффект Комптона.
Если движение волн (фотонов) происходит вдали от ядра (линия А - см. рис.), то его влияние по законам Кеплера минимально и траектория движения фотонов практически не изменяется.
Если движение фотонов происходит вблизи ядра по поверхности минимально возможного гравитационного потенциала (линия С), то траектория движения может измениться на 180 градусов. При этом, фотоны «сбрасывают» часть своей энергии. В результате «рождаются» электроны, а в составе рассеянного излучения с первоначальной длиной волны появляются более длинные волны со смещёнными спектральными линиями.
Заметьте, идёт процесс не «раскачивания» электронов электромагнитным полем падающей волны, а их «рождение» при резком изменении траектории движения фотонов. И не «соударение» фотона с «покоящимся» электроном является здесь причиной, а именно взаимодействие фотонов с ядрами атомов (точнее – с потенциальным полем, которое окружает это ядро).
Из рисунка ясно, что угол рассеяния зависит от удалённости фотонов от ядра. Ближе к ядру – больше и угол рассеяния. Причём, при увеличении этого угла растёт значение «сбрасываемой» фотонами части своей энергии, то есть, величина смещения в сторону более длинных волн возрастает. Более того, при увеличении угла рассеяния растёт и количество фотонов, «сбрасывающих» часть своей энергии. Значит, интенсивность несмещённой линии падает, а интенсивность смещённой линии возрастает.
Коллега, а как всё это зависит от размера ядра? Ведь, ядра все разные.
Понятно, что с увеличением атомного номера растут и размеры ядер. Значит, будет увеличиваться и радиус кривизны траектории, изменение которой будет уже не таким резким и количество фотонов, «сбрасывающих» часть своей энергии должно уменьшаться. Значит, с увеличением размеров ядра интенсивность смещённой линии должна снижаться, а интенсивность несмещённой линии должна нарастать. Кстати, именно эту зависимость Комптон и обнаружил при рассеянии фотонов под одним и тем же углом, но различными веществами (от лития до меди, гравитационные радиусы у которых отличаются более, чем в три раза).
Справка: Электрон так же, как и фонон, является полуволной, но отличается от последнего тем, что имеет электрический заряд. Это значит, что объёмная плотность сгустка энергии под названием «электрон» превышает давление окружающего поля (электрон имеет отрицательный заряд). Изменение энергии электрона (как и фонона) связано только с изменением скорости его движения (масса и электрический заряд электрона неизменны – электрон с ними «рождается»).
И получается, коллега, что гарантом корпускулярной теории света теперь остаётся только фотоэффект?
И это, мой друг, совсем не так. Исследуя фотоэффект, Столетов (1839–1896) установил ряд важных закономерностей:
- сущность этого явления заключается в освобождении отрицательного электричества (электронов) с поверхности металла под действием ультрафиолетового света;
- число освобождённых электронов пропорционально числу поглощённых фотонов, то есть, пропорционально интенсивности света;
- энергия электронов зависит только от энергии или частоты (длины волны) поглощённых фотонов.
Кстати, есть ещё и термоэлектронная эмиссия, которая заключается в испускании электронов нагретыми телами (твёрдыми, реже – жидкостями). Это явление исследовано Ричардсоном, который установил, что для выхода за пределы тела (эмиттера) электронам нужно преодолеть потенциальный барьер у границы тела. При низких температурах тела количество электронов, обладающих достаточной для этого энергией, очень мало, а с увеличением температуры их число растёт и термоэлектронная эмиссия возрастает.
Подобный барьер имеется и в фотоэффекте. Он равен работе выхода электрона за пределы поверхности тела.
Итак, все рассмотренные процессы объединяет то, что электроны «рождаются» из энергии фотонов в результате их интерференции. Однако, в эффекте Комптона энергия фотонов настолько велика, что они «сбрасывают» только часть своей энергии, а в фотоэффекте и в явлении термоэлектронной эмиссии фотоны практически поглощаются полностью. Фотоэффект отличается ещё и тем, что имеет чисто поверхностное значение.
Но главная особенность этих процессов заключена в том, что происходят они в результате квантовых переходов, ибо каждая полуволна имеет собственный размер, энергию, импульс, а для электрона ещё и электрический заряд.
Из того факта, что фотон обладает импульсом, следует, что поток фотонов должен оказывать давление на макроскопические тела. И Пётр Лебедев (1866–1912) установил, что при резонансе для всех видов волн (заметьте, для всех видов волн: звуковых, гидравлических, электромагнитных) наблюдается максимальное отталкивание резонаторов. Он создал тончайшую установку, с помощью которой впервые получил миллиметровые электромагнитные волны, а затем установил их отражение, двойное лучепреломление и интерференцию.
Предпринимая свои опыты, Лебедев руководствовался не корпускулярной теорией света, но электромагнитной теорией Максвелла, ибо связь между импульсом и энергией фотона идентична связи между импульсом и энергией электромагнитного поля: p = E/c.
Справка: Интерференция волн в данном случае представляет собой сложение в пространстве двух (или нескольких) гармонических волн одинаковой частоты, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.