ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ В ПРИРОДЕ

Полный текст - http://osh9.narod.ru/gl/opt/iz.htm 

§ 43. Излучение и передача энергии атомами

    В классической атомной физике излучение атома принято рассматривать на основе электрической дипольной модели [7]. Однако следует учесть, что дипольной моделью в теории Максвелла-Герца обычно пользуются для описания излучения макроскопических антенн, когда в процессе участвует огромное количество электронов.

   Для анализа процесса излучения отдельного электрона в атоме более корректным является вычисление векторов Е и Н   с использованием запаздывающих потенциалов Льенара-Вихерта. В этом случае можно избежать тех ошибок, которые обычно возникают при вычислении электромагнитных полей для электронов, движущихся по сложным траекториям.

   Учитывая то обстоятельство, что существует множество различных способов высвобождения электромагнитной энергии, накопленной атомами, процесс излучения электромагнитных волн как отдельными атомами, так и большим количеством атомов (или веществом) было бы ошибочно считать некоторой совокупностью элементарных актов в виде излучения гипотетических фотонов. Вспомним лишь некоторые из этих механизмов.

   Можно привести массу примеров, когда электромагнитная энергия, поглощенная в условиях резонанса, т.е. при наличии явных переходов между уровнями энергии примесных атомов в веществе или центров окраски, затем безызлучательно преобразуется в тепловые колебания атомов вещества, т.е. в обычную механическую энергию.

   В металлах в видимой области спектра электромагнитная энергия, как правило, полностью переходит в тепловые колебания атомов.

   И лишь в хороших люминофорах, синтезированных из химически чистых веществ, при наличии подходящих каналов передачи энергии от поглощающих центров к излучающим, энергия возбуждения центров окраски может быть с высокой эффективностью преобразована в электромагнитное излучение.

   Энергия от возбужденного атома к атому, находящемуся в основном состоянии, может быть передана безызлучательным путем, т.е. посредством обычных локальных электромагнитных полей в результате так называемых столкновений второго рода в газах [8], что широко используется в лазере, работающем на смеси углекислого газа, азота и гелия, а также в гелий-неоновом лазере. При этом процесс передачи энергии возбуждения от одного атома к другому может происходить как при наличии резонанса между уровнями энергии атомов, так и при отсутствии резонанса. Процессы нерезонансной передачи возбуждения при столкновении атомов используются также для создания инверсной заселенности в ряде лазеров непрерывного действия, работающих на переходах ионов металлов.

   Довольно интересным является процесс передачи энергии безызлучательным путем от одного электрона к другому внутри одного и того же атома при оже-эффекте [9]. Этот процесс включает в себя заполнение одним из электронов оболочки атома вакансии, образованной на одном из внутренних уровней энергии атома, с безызлучательной передачей выделенной при этом энергии электрону другого (вышележащего) уровня и переводом его в возбужденное состояние. Если переданная энергия достаточна, то возбужденный электрон покидает атом (оже-электрон). Первичная вакансия может быть образована, например, при облучении атома рентгеновским излучением, электронами или ионами с достаточной энергией.

   Из рассмотренных способов передачи энергии от возбужденных атомов к другим объектам можно сделать вывод, что излучение электромагнитной энергии в виде поперечных электромагнитных волн атомами возможно в тех случаях, когда данный процесс не будет подавлен (потушен) другими каналами утечки энергии возбуждения, которые очень часто бывают значительно более эффективными, как это происходит, например, в случае тушения люминесценции в кристаллах посторонними примесями.

   Попытаемся проанализировать механизм излучения электромагнитных волн атомами, который бы не противоречил ни законам сохранения, ни принципу причинности, ни всем известным в настоящее время экспериментальным данным. Поскольку эксперименты проводятся, как правило, с веществами, а не с отдельными атомами, то в качестве примера рассмотрим систему, состоящую из множества атомов.

   Допустим, что подавляющая часть атомов находится в основном состоянии с энергией   Е_o и некоторая часть атомов - в возбужденном состоянии с энергией   Е₁. При этом среднестатистические частоты движения электронов равны  w₀  = Е₀ / ћ  и   w₁  = Е₁ / ћ, соответственно.

   Каждое из этих движений в отдельности является стационарным и может быть описано комплексными амплитудами функций распределения   Ф₀ = R₀(x,y,z)exp(-iw₀ t) и Ф₁ = R₁(x,y,z)exp(-iw₁ t). Функции   Ф₀ и Ф₁ являются собственными функциями уравнения Шредингера (35.9). В силу линейности уравнения Шредингера функция   Ф = С₀Ф₀ + С₁Ф₁ , являющаяся суперпозицией двух различных амплитуд, также является решением данного уравнения. При этом коэффициенты  С₀ и С₁ отражают парциальный  вклад каждого состояния в общую систему атомов.

   Вычислим общую функцию распределения рассматриваемой системы   w = |Ф| ²

w = |C₀Ф₀ + С₁Ф₁| ² = |C₀R₀(cos w₀ t - i sin w₀ t) + C₁R₁(cos w₁ t -

i sin w₁ t)| ² = |C₀ R₀| ² + |C₁R_1| ² + 2|C₀R₀C₁R₁|cos (w₀ - w₁ )t.          (43.1)

   Мы видим, что данное выражение имеет интерференционный член, который описывает гармонические колебания с частотой биений между двумя боровскими частотами    w₀   и   w₁ .

   Формула (43.1) показывает результат сложения двух гармоник в комплексной форме. Колебания электронной плотности означают колебания среднего электрического заряда с разностной частотой или частотой биений  w₀ - w₁. Следовательно, на разностной боровской частоте возможно дипольное излучение поперечных электромагнитных волн при выполнении всех законов сохранения. Другими словами, к электронной системе, совершающей колебания, должна быть подведена дополнительная энергия возбуждения, которую предстоит излучить, а также обеспечить обмен механическими моментами орбитальных электронов с соседними атомами. В противном случае излучение будет отсутствовать даже при наличии разностных частот движения электронов в одном и том же атоме.

   Факт излучения электромагнитных волн атомами на разностных боровских частотах составляет так называемый комбинационный принцип Ритца, установленный им чисто эмпирически еще задолго до создания теории Бора [10].

   Таким образом, мы установили, что разностная частота, на которой происходит излучение поперечных электромагнитных волн, непосредственно связана с реальными средними частотами статистического движения электронов в атомах в полном соответствии с законами электродинамики и классической физики.

   Шредингер был одним из первых, кто разгадал этот механизм [11]: а именно, рассматривая атомы как систему колеблющихся электронов, он предложил связать условие частот Бора с появлением биений, так что боровская формула для частоты излучения   n  =  E₁ / h - E₂ / h   выражала просто тот факт, хорошо известный из акустики или волновой электромагнитной теории, что частота биений - гетеродинная частота - равна разности двух одновременных характеристических частот излучателя.

   В результате рассмотренного механизма излучения система атомов, имеющая в своем составе различные возбужденные орбиты электронов с разными средними частотами движения, становится своеобразным электронным преобразователем энергии возбуждения атомов в частоту излучения поперечных электромагнитных волн. При этом, судя по спектроскопическим данным, можно отметить, что пропорциональная связь энергии с частотой выполняется с очень высокой точностью.

   Проведенный детальный анализ механизма излучения электромагнитных волн атомами открывает тайну знаменитой квантовой формулы для фотонов:    E = hn,   подчеркивая то обстоятельство, что фотонов и так называемых квантов как элементарных частиц в природе не существует. А имеется самое обычное взаимодействие электронных оболочек атомов и молекул с электромагнитными полями в полном соответствии с законами классической электродинамики.