Фотон и его характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фотон

Ф.М. Канарёв

kanarevfm@mail.ru

Анонс

фотон носитель энергия движение

Фотон - главный носитель информации и главный носитель энергии. Современной науке известны все детали его структуры, определяющие его поведение во всех процессах и явлениях. Представим в этой статье теорию, описывающую движение фотона и его структуру, следующую из этой теории.

1. Вводная часть

В ХХ веке считалось, что излучения рождаются и распространяются в виде электромагнитных волн Максвелла, состоящих из двух взаимно перпендикулярных синусоид, описывающих изменение напряжённостей электрического Е и магнитного Н полей (рис. 1).

Рис. 1. Схема электромагнитной волны

Однако, обилие новых экспериментальных данных поставили такую структуру излучения под сомнение, так как она не позволяла получать ответы на многие вопросы, формирующие излучение. Поэтому пришлось вернуться к идее индийского учёного Бозе, который предположил в 1924 году, что излучаемое электромагнитное поле представляет собой совокупность фотонов, которую он назвал идеальным фотонным газом [1].

Английский учёный Алан Холден представил совокупность фотонов, формирующих волну, в виде шариков (рис. 2). В результате возникла задача выявления внутренней структуры шариков, формирующих такую волну. Но эта задача оказалась достаточно сложной [1].



Рис. 2. Схема фотонной волны длиною

Тем не менее, она была решена российской наукой и мы проследим последовательность её решения. Математическое содержание теории фотона многократно проще математических теорий электромагнитного излучения, господствовавших в ХХ веке. Однако, образное представление сути, содержащейся в математических символах теории фотона, - сложнее.

2. Корпускулярная теория фотона

Фотон - локализованное (ограниченное) в пространстве образование, которое переносит энергию и информацию. Всё, что мы видим на этой странице, приносят в наши глаза фотоны. Мы хорошо различаем контуры букв, запятые, точки. Это значит, что каждый фотон из их совокупности, несущей в наши глаза образы, например, точек, должен иметь размер значительно меньше точки. Тогда их совокупность передаст чёткую информацию об объекте, от которого они отразились. Установлено, что количество фотонов, посылаемых настольной лампой мощностью 100 Ватт на каждый квадратный сантиметр стола, превышает в секунду.

Известно, что длина волны световых фотонов изменяется в интервале . Это значит, что размер каждого светового фотона, примерно, в 10000 раз меньше миллиметра. Он остаётся пока самым загадочным творением Природы. Долго не удавалось раскрыть структуру фотона путем анализа необозримой экспериментальной информации о его поведении с помощью физических теорий, существовавших в ХХ веке. Главная причина такого состояния, как мы сейчас увидим, заключалась в том, что в реальной действительности фотон ведет себя в рамках аксиомы Единства пространства - материи - времени, а физики пытались анализировать его поведение с помощью теорий, которые работают за рамками этой аксиомы.

Начнем с анализа математических моделей, которые описывают основные характеристики фотонов, установленные экспериментально. Первыми из них являются математические модели, определяющие их энергию. В математическую модель для определения энергии фотона , входят: масса фотона и постоянная скорость его прямолинейного движения в пространстве, равная скорости света - первой константе, описывающей поведение фотонов.

. (1)

В соответствии с законами классической физики, а точнее, классической механики, энергия равна кинетической энергии кольца, которое движется прямолинейно и вращается так, что поступательные и окружные скорости его точек равны (рис. 3).

Рис. 3. Схема качения кольца

Так как в прямолинейном движении кольца с радиусом относительно системы отсчета ХОУ (рис. 3) со скоростью и во вращательном движении относительно геометрического центра с угловой скоростью (частотой) скорость любой точки кольца равна , то сумма кинетических энергий прямолинейного и вращательного движений кольца равна

. (2)

Обращаем внимание на тот факт, что в формуле (2) - момент инерции кольца, а - угловая скорость или угловая частота вращения кольца (рис. 3). Следующее важное уточнение заключается в том, что - момент инерции кольца, не имеющего размера в поперечном сечении. Фактически это момент инерции окружности. Но так как окружность имеет только геометрический размер и не является материальным телом, то окружность, имеющую массу, назвали кольцом. Поэтому, в дальнейшем под понятием материальная окружность мы будем понимать кольцо, не имеющее размера в поперечном сечении, но имеющее массу, и назовём его базовым кольцом [1], [2].

Итак, первый этап анализа показывает, что фотон представляет собой в первом приближении кольцо. Однако, этого мало, чтобы такую информацию считать соответствующей реальности. Нужны дополнительные доказательства. Они следуют из закона излучения абсолютно-чёрного тела, открытого Максом Планком в 1900г, в который входит его знаменитая константа

, (3)

которую он назвал «квантом наименьшего действия». Она равна произведению массы кванта на квадрат длины его волны и на частоту . Странная получается размерность у кванта наименьшего действия. Она соответствует классическим понятиям: момент импульса или кинетический момент. Это значит, что постоянная Планка (3) описывает вращательный процесс, а присутствующие в ней символы длины волны и линейной частоты , убеждают нас, что она описывает волновой процесс. Данное противоречие является главной преградой в раскрытии структуры фотона и кванта наименьшего действия, проявляющегося при движении фотона [1], [2].

Из закона излучения абсолютно черного тела, открытого Максом Планком, следует, что наименьшая порция энергии равна

. (4)

Из этого автоматически следует связь между кинетической энергией (2) кольца (рис. 3) и наименьшей порцией энергии излучения чёрного тела [1]

, (5)

и у нас появляется возможность раскрыть структуру наименьшей порции энергии - фотона и скрытый в его движении «квант наименьшего действия». Для этого обратим внимание на размерность константы Планка

, (6)

из которой следует формула для расчёта скорости света

. (7)

Размерность константы Планка (6) соответствует моменту импульса или кинетическому моменту, а её постоянством управляет хорошо известный закон классической физики - закон сохранения момента импульса или кинетического момента, описывающего движение пока неизвестной нам модели фотона. Попытаемся выявить её путём анализа размерности константы Планка и её математической структуры (6).

Для этого, вначале изменим физический смысл длины волны синусоидального колебания, присутствующего в константе Планка . Поскольку константа Планка родилась в результате анализа процесса излучения абсолютно-чёрного тела и реализуется только в условиях, когда излучение совершается порциями, то это сразу указывает на локализацию в пространстве носителя излучения, которому давно присвоено название фотон. Отсюда автоматически следует постулат: длина волны фотона должна равняться его радиусу .

. (8)

Тогда константа Планка запишется так

. (9)

и сразу проясняется физический смысл составляющей константы Планка. Величина - момент инерции кольца. Это даёт нам основание представить фотон в первом приближении в виде вращающегося кольца (рис. 4, а). Однако, частота характеризует не вращательный процесс, а процесс прямолинейного распространения синусоидальной волны. Чтобы совместить прямолинейное движение фотона с вращательным, надо предположить, что фотон является не кольцом, а многогранником. Из равенства (8) автоматически следует, что фотон - не кольцо, а шестигранный многоугольник (рис. 4, b) и проясняется физическая суть линейной частоты : вращающийся шестигранник генерирует импульсы моментов инерции в интервале каждой длины волны, которая равна длине стороны шестигранной структуры (рис. 4, b).

Рис. 4. К выявлению структуры фотона

Тут уместно обратить внимание на интересную особенность шестигранной механической модели (рис. 4, b). Если взять несколько шестигранников разных размеров и разместить их на наклонной плоскости, то все они будут скатываться вниз с одной и той же постоянной скоростью , но с разной частотой (табл. 1) [1].

Таблица 1. Кинематические параметры движения тел.

Форма тел	, м	t, с	V, м/с
Цилиндрические	0,008 0,010 0,013	2,43 2,30 2,05	0,83 0,89 0,99	- - -
Шестигранные	0,0065 0,0080 0,0130	5,68 5,67 5,67	0,18 0,18 0,18	27,69 22,50 13,85

Обратим внимание на то, что при увеличении радиуса шестигранника частота его движения уменьшается так же, как и у фотона (9). Конечно, у фотона нет плоскости, по которой он мог бы перемещаться, как тела, представленные в табл. 1. Однако, мы сейчас покажем, что центр масс фотона описывает укороченную циклоиду , (рис. 5) осью симметрии которой является прямолинейная ось ОХ, лежащая в плоскости его поляризации.

Рис. 5. Схема движения центра масс М фотона по укороченной циклоиде

Изложенное даёт нам веские основания считать, что время поворота фотона на угол и его угловая скорость вращения связаны зависимостью (рис, 4, b)

. (10)

Из этого следует, что центр масс М (рис. 5) фотона движется по волновой траектории и совершает одно полное колебание, соответствующее повороту окружности, точка (рис. 5) на радиусе которой, имитирует волновое движение цента масс М фотона, имеющего шестигранную структуру, на угол (рис. 5). Тогда период одного колебания центра масс М фотона запишется так [1]

, (11)

где - угловая скорость вращения центра масс фотона относительно его геометрического центра , который движется прямолинейно со скоростью С (рис. 5). Совмещение вращательного и поступательного движений фотона формируют движение его цента масс М по укороченной циклоиде (рис. 5).

Поскольку время поворота фотона на угол и время поворота его центра масс относительно его геометрического центра на угол одно и тоже, то период колебаний фотона запишется так [1]:

. (12)

Отсюда имеем

. (13)

При совмещении поступательного движения такой структуры с вращательным скорости центров масс всех шести полей фотона неизвестной пока структуры будут разные. Например, поступательная скорость центра масс поля (рис. 4, с и 5) будет складываться с его окружной скоростью вращения, а у поля окружная скорость будет вычитаться из поступательной скорости. В результате общая масса фотона будет неравномерно распределена между шестью его полями в каждый данный момент времени, то есть она будет циркулировать между полями, меняя их плотность. Это приведет к несовпадению центра масс фотона с его геометрическим центром (рис. 5).

Сложное получается движение фотона и его центра масс М. Но у нас нет возможности упростить это движение и мы вынуждены доказывать это путём аналитического вывода уже имеющихся математических моделей 1-13 и других, которые будут появляться из анализа движения фотона.

Обратим внимание на то, что в формулах (5 и 6) нет и намёка на вращательный процесс. Величина - длина волны, величина частота колебаний, равная количеству колебаний в секунду. В этих формулах нет параметра, характеризующего вращательный процесс, поэтому у нас нет никаких оснований утверждать, что размерность константы Планка в первозданном виде (5) и структура её математических символов соответствуют моменту импульса или кинетическому моменту. Поэтому у Планка оставалась одна возможность - присвоить своей константе нестандартное название. Что он и сделал, назвав её «квантом наименьшего действия».

Итак, из проведённого анализа следует, что фотон имеет шестигранную структуру, состоящую из неизвестной субстанции, и у нас возникает задача найти физическое содержание этой субстанции. Длительные многолетние исследования показали, что такой субстанцией является вращающееся магнитное поле, подобное тому, что возникает вокруг проводника с током (рис. 6).

Рис. 6. Схема формирования кольцевых магнитных полей, вокруг провода с постоянным током

Обратим внимание на то (рис. 6), что магнитные силовые линии, вокруг проводников сближают их лишь в том случае, если они направлены навстречу друг () другу. Если материальную субстанцию фотона формируют аналогичные магнитные поля, то из рис. 4, с следует такая модель фотона (рис. 7) [1].

Рис. 7. Схема модели фотона

Итак, константа Планка (6) в первозданном виде может описывать лишь синусоидальный процесс и не имеет прямого отношения к вращательному процессу. Тем не менее, как мы уже показали, физический смысл момента импульса и кинетического момента присутствует в формуле (6) косвенно и нам надо увидеть его явное проявление. Это возможно лишь при условии аналитического вывода всех соотношений (1-13) уже описавших движения модели фотона (рис. 7). Представим такой вывод [1].

Для этого мы должны проследить за волновым движением центра масс всего фотона (рис, 4, 7 и 8) и центров масс отдельных его магнитных полей (рис. 4, с). На рис. 8 показана схема перемещения центра масс фотона и центра масс одного его магнитного поля в интервале длины одной волны [1].

Движение центра масс фотона моделирует точка , расположенная на расстоянии от геометрического центра фотона (рис. 8). Движение центра масс одного магнитного поля фотона моделирует точка , расположенная на расстоянии от его центра масс (рис. 8) [1].

Некоторые исследователи отмечали, что фотон имеет скрытые параметры. Если бы удалось найти их, то корпускулярные математические соотношения (1-13), описывающие его поведение, вывелись бы аналитически. Попытаемся установить эти параметры.

Рис. 8. Схема движения центра масс М фотона и центра масс одного его магнитного поля

Конечно, сложность модели фотона (рис. 4, с и 7) затрудняет реализацию описанного плана. Однако если учесть, что фотон имеет плоскость поляризации, то движение его центра масс в этой плоскости и движение центров масс шести его магнитных полей можно сопровождать качением условных окружностей, кинематические и энергетические параметры которых будут эквивалентны соответствующим параметрам фотона [1], [2].

Центр масс фотона совершает полное колебание в интервале длины его волны (рис. 5 и 8), поэтому радиус (первый скрытый параметр, показанный на рис. 8) условной окружности, описывающей движение этого центра в интервале длины одной волны, определится по формуле (рис. 8) [1]

. (14)

Кинематическим эквивалентом группового движения центров масс шести электромагнитных полей фотона будет вторая условная окружность. Её радиус (второй скрытый параметр) определяется из условия поворота центра масс каждого магнитного поля фотона на угол в интервале каждой длины его волны (рис. 8) [1].

(15)

Особо отметим, что время, в течение которого эти две условные окружности поворачиваются на разные углы и , одно и то же, что соответствует Аксиоме Единства.

Мы уже обозначили угловую скорость условной окружности, описывающей движение центра масс фотона относительно его геометрического центра символом (это - третий скрытый параметр), а угловую скорость условной окружности, описывающей движение центра масс каждого магнитного поля , - через (четвертый скрытый параметр), и линейную частоту - через , поэтому период колебаний центра масс фотона определится по формулам (рис. 8) [1]:

, (1612)

которые полностью совпадают с формулами (10 и 11). Из соотношений (16) имеем:

(1712)

(1810)

 Соотношение связи между длиной волны , которую описывает центр масс фотона, и радиусом имеет простой вид (рис. 5 и 8)

(1912)

Кинематическая эквивалентность между движением сложной магнитной структуры фотона и движением условных окружностей с радиусами и позволяет вывести постулированные раннее математические соотношения, описывающие его поведение. Сейчас мы увидим, как скрытые, ненаблюдаемые параметры фотона участвуют лишь в промежуточных математических преобразованиях и исчезают в конечных формулах [1].

Поскольку малая условная окружность радиуса перемещается в плоскости вращения фотона (рис. 8) без скольжения, то скорость любой её точки будет равна скорости её центра и групповой скорости фотона. Используя соотношения (14) и (16), получим

(207)

что соответствует соотношению (7).

Аналогичный результат дают и соотношения (15) и (16) второй условной окружности радиуса .

(217)

Теперь видно, что вывод соотношений (7) и (21) не только согласуется с моделью фотона (рис. 7) и механикой её движения (рис. 5 и 8), но и объясняет корпускулярные и волновые свойства фотона.

При выводе соотношения (2) обратим внимание на то, что кинетическая энергия движения фотона с массой эквивалентна кинетической энергии качения условной окружности с той же массой , равномерно распределенной по её длине. Общая кинетическая энергия условной окружности будет равна сумме кинетической энергии её поступательного движения и энергии вращения относительно геометрического центра [1].

. (222)

Тот же самый результат получится и при использовании второй условной окружности радиуса (15).

. (232)

Приведем уравнение (23) к виду (5)

(245)

здесь

. (259)

Вот теперь у нас есть полное право утверждать, что постоянством константы (6, 9) Планка управляет закон сохранения момента импульса, который формулируется так: если сумма моментов внешних сил, действующих на вращающееся тело, равна нулю, то его момент импульса остаётся постоянным по величине и направлению, то есть постоянная Планка величина векторная .

Механика движения фотона (рис. 5 и табл. 1) ярко демонстрирует действие момента импульса на фотон при повороте его на каждые . За один оборот фотона совершается 6 импульсов. С учетом соотношения (13) получаем

. (26)

Так как , то из автоматически следует ещё одна константа [1]

(27)

Из размерности константы (27) следует физический закон: произведение масс фотонов на длины их волн или радиусы - величина постоянная. В системе СИ нет названия константе с такой размерностью, поэтому назовем её константой локализации фотонов [1].

Легко представить реализацию константы локализации (27), если фотон - кольцо или шестигранник (рис. 5, а и 7) и невозможно это сделать, если фотон - волна.

Таким образом, мы вернули истинный смысл размерности константы Планка - момент импульса или кинетический момент. Линейная частота имеет четкую связь с угловой частотой вращения фотона (12). Если угол альфа выразить через радианы, то эта связь получает численную величину в виде следующей константы

. (28)

Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения момента импульса , то с увеличением массы фотона растет плотность его магнитных полей (рис. 7) и за счет этого увеличиваются магнитные силы, сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробежными силами инерции, действующими на центры масс этих полей. Это приводит к уменьшению радиуса вращения фотона, который всегда равен длине его волны . Но поскольку радиус в выражении постоянной Планка возводится в квадрат, то для сохранения постоянства постоянной Планка (9) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого незначительное изменение массы фотона автоматически изменяет его радиус вращения 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 момента импульса [1].

Если задаться вопросом: почему фотоны всех частот движутся в вакууме с одинаковой скоростью? То получается следующий ответ [1].

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. 7) изменяется в интервале длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной (рис. 9).



Рис. 9. График скорости центра масс фотона

Таким образом, постоянством постоянной Планка управляет один из самых фундаментальных законов классической физики (а точнее - классической механики) - закон сохранения момента импульса или кинетического момента [1]. Это - чистый классический механический закон, а не какое - то мистическое механическое квантовое действие, как считалось до сих пор. Поэтому появление постоянной Планка в математической модели излучения абсолютно черного тела не даёт никаких оснований утверждать о неспособности классической физики описать процесс излучения этого тела. Наоборот, самый фундаментальный закон классической физики - закон сохранения момента импульса как раз и участвует в описании этого процесса [1]. Таким образом, планковский закон излучения абсолютно черного тела является законом классической физики и отпадает необходимость в названии «Квантовая физика».

Как видно, скрытые параметры позволяют вывести основные математические соотношения бывшей Квантовой механики, описывающие поведение фотона, из законов Классической механики [1]. Вполне естественно, что продолжение описания выявленной модели фотона должно привести нас к волновым уравнениям, описывающим движение его центра масс.

Известно, что длина волны электромагнитного излучения изменяется в диапазоне (табл. 2). Наименьшая длина волны , соответствует гамма диапазону и её можно считать равной радиусу гамма фотона. Наибольшая длина волны неприемлема для отождествления с радиусом фотона.

Таблица 2. Параметры различных участков спектра фотонных излучений

Область спектра	Частота, Гц	Длина волны, м	Масса, кг	Энергия, эВ
1. Низкочастотн.	101…104	3•107…3•104	0,7·10-48…0,7·10-46	4·10-13…4•10-11
2. Радио	104…109	3•104…3•10-1	0,7•10-46…0,7•10-41	4•10-11…4•10-6
3. Реликт (макс.)	3•1011	1•10-3	2,2•10-39	1,2•10-3
4. Инфракрасные	1012…3,9•1014	3•10-4 …7,7•10-7	0,7•10-38…0,3•10-35	4•10-1…1,60
5. Видимый свет	3,9•1014…7,9•1014	7,7•10-7…3,8•10-7	0,3•10-35…0,6•10-35	1,60…3,27
6. Ультрафиолет	7,9•1014…1•1017	3,8•10-7…3•10-9	0,6•10-35…0,7•10-33	3,27…4•102
7. R-излучение	1017…1020	3•10-9…3•10-12	0,7•10-33…0,7•10-30	4•102…4•105
8. г-излучение	1020…1024	3•10-12…3•10-18	0,7•10-30…0,7•10-24	4•105…1011

Как видно (табл. 2), с увеличением массы фотона длина его волны уменьшается. Эта закономерность однозначно следует и из константы локализации фотона . Это же следует и из закона сохранения момента импульса

Таким образом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру, меняют массу, частоту и радиус вращения так, чтобы , то есть принципом этого изменения управляют законы: сохранения момента импульса и локализации фотонов.

Так как принцип неопределённости Гейзенберга реализуется в ряде экспериментов с фотонами то, неравенство, определяющее этот принцип, должно следовать из теории фотона. Чтобы выявить это, запишем:

соотношение импульса

; (29)

и неравенство Гейзенберга

. (30)

Разделив - (6) на - (7), имеем

(3127)

Как видно, скрытые параметры позволяют вывести основные математические соотношения квантовой механики, описывающие поведение фотона, из законов классической физики, а точнее - классической механики. Условные окружности позволяют определить и импульс фотона.

, (3229)

или

. (3329)

Из этого легко получить корпускулярное соотношение Луи Де Бройля

. (33)

Перепишем это так

. (34)

В левой части уравнения (34) представлено произведение импульса фотона на длину его волны , а в правой - постоянная Планка . Из этого следует соотношение неопределенности Гейзенберга.

. (3530)

Перепишем это неравенство в развернутом виде

. (36)

Так как фотон проявляет свой импульс в интервале каждой длины волны и так как его размер более двух длинн волн (рис. 7), то величины и в неравенстве (36) всегда будут более 2 каждая. Принимая и и, подставляя эти значения в неравенство (36), получим

. (37)

Таким образом, модель фотона действительно ограничивает точность экспериментальной информации, получаемой с его помощью. Объясняется это тем, что размеры фотона несколько больше двух длин его волн. Следовательно, фотон не может передать размер геометрической информации, меньший двух длин его волны или двух радиусов вращения, как это и следует из неравенства Гейзенберга.

Если мы исследуем объект с помощью фотона с заданной длиной волны, то мы не можем получить геометрическую информацию об объекте, которая была бы равна длине волны используемого фотона или была меньше её. Однако если для получения той же информации использовать фотон с меньшей длиной волны, то точность геометрической информации возрастет. Это значительно ограничивает физический смысл неравенства Гейзенберга. Если это неравенство относить к экспериментальной информации, получаемой с помощью фотона, то оно справедливо только в рамках одной длины его волны или одного радиуса.

3. Волновая теория фотона

Начнем с вывода уравнений движения центра масс фотона. Поскольку центр масс фотона движется в плоскости поляризации и в рамках аксиомы Единства пространства - материи - времени, то для описания его движения по волновой траектории необходимо иметь два параметрических уравнения (рис. 7).

Так как центр масс фотона движется относительно наблюдателя и относительно геометрического центра , который движется прямолинейно со скоростью , то для полного описания такого движения необходимо иметь две системы отсчета (рис. 5 и 8): неподвижную и подвижную .

Амплитуда колебаний центра масс фотона (рис. 8) будет равна радиусу его вращения относительно геометрического центра фотона. Из рис. 8 имеем

. (38)

Обратим внимание на небольшую величину амплитуды колебаний центра масс фотона в долях длины его волны или радиуса вращения. Уравнения движения центра масс фотона относительно подвижной системы имеют вид параметрических уравнений окружности (рис. 5 и 8):

; (39)

. (40)

Если фотон движется относительно неподвижной системы отсчета ХОУ со скоростью , то уравнения такого движения становятся уравнениями циклоиды:

; (41)

. (42)

Обратим внимание на то, что в уравнениях (41) и (42) и . Это значит, что они описывают движение центра масс фотона по волновой траектории в рамках аксиомы Единства пространства - материи - времени. Отметим, что уравнения Луи Де Бройля и Шредингера этим свойством не обладают. Учитывая соотношения (16) и (38), получим:

(43)

(44)

где .

На рис. 10 представлены траектории точек , показанные на (рис. 1). Обратим внимание на важные особенности. Радиус кольца равен и точка , лежащая на кольце (рис. 1), описывает обыкновенную циклоиду М (рис. 10).



Рис. 10. Траектории движения точек , представленных на рис. 4: М - обыкновенная циклоида; N - удлинённая циклоида; К - укороченная циклоида

Радиус окружности, описываемой точкой (рис. 1 и 10), - и эта точка описывает удлинённую циклоиду (рис. 10).

Радиус окружности, описываемой точкой (рис. 1 и 10), , и она описывает укороченную циклоиду (рис. 10).

Так как у модели фотона амплитуда , то его центр масс движется по укороченной циклоиде (43), (44).

Результаты табл. 1 требуют, чтобы математическая модель, описывающая скорость центра масс шестигранника, а значит и фотона, не зависела бы от его радиуса вращения. Уравнения (42) и (43) автоматически дают такой результат

(45)

Если считать, что движение фотона эквивалентно движению шестигранника, то и получаем закономерность изменения скорости центра масс фотона

(46)

График изменения скорости (46) центра масс фотона показан на рис. 9. Как видно, скорость центра масс фотона действительно изменяется в интервале длины волны или периода колебаний таким образом, что её средняя величина остается постоянной и равной .

Поскольку сила инерции направлена противоположно ускорению, то касательная сила инерции , действующая на центр масс фотона, запишется так

. (47)

Несмотря на сложность переменной составляющей математической модели (47), касательная сила инерции, действующая на центр масс фотона, изменяется синусоидально (рис 11). Это значит, что она и генерирует прямолинейное движение фотона.

Рис. 11. Зависимость изменения касательной силы инерции, действующей на центр масс М светового фотона в интервале одного колебания

Нормальная составляющая силы инерции, действующей на центр масс фотона (центробежная сила инерции) определиться по формуле

. (48)

Результирующая сила инерции , действующая на центр масс фотона, будет равна

(49)

Таким же образом определяются силы, действующие на центры масс каждого из шести магнитных полей фотона. Уравнения движения центра масс одного из магнитных полей фотона относительно подвижной системы отсчета будут иметь вид (рис. 8):

; (50)

. (51)

Уравнения абсолютного движения центра масс одного электромагнитного поля фотона, то есть движения относительно неподвижной системы отсчета принимают вид:

; (52)

. (53)

Это - уравнения волнистой циклоиды. Они позволяют легко определить все кинематические характеристики центров масс магнитных полей фотона.

Таким образом, выведены, постулированные раннее математические модели квантовой механики (1-28), описывающие поведение фотона. Далее, при анализе других физических явлений, в которых явно проявляется поведение фотонов, мы получим аналитически остальные и многие другие, в том числе и новые математические модели.

Итак, мы оставляем в покое почти все математические формулы, которые давно применяют для описания поведения фотона в различных экспериментах. В этом смысле у нас нет ничего нового, мы только подтвердили достоверность этих формул и дополнили их уравнениями (43) и (44), описывающими движение центра масс фотона в рамках аксиомы Единства пространства - материи - времени. Теперь у нас есть основания утверждать, что гипотезы индийского физика Бозе и английского Алана Холдена уверенно идут к пьедесталу научных постулатов.

Поскольку основные математические модели, описывающие главные характеристики фотона, выведены аналитически из анализа движения его модели, то это является веским основанием для использования этой модели при интерпретации результатов всех экспериментов, в которых участвуют фотоны. Количество таких экспериментов неисчислимо, поэтому мы будем рассматривать лишь те из них, которые носят обобщающий характер. Самая большая совокупность экспериментальных данных, в которых зафиксировано поведение фотонов - шкала электромагнитных излучений, которая теперь называется шкалой фотонных излучений (рис. 12), главные характеристики которой представлены в таблице 2. Мы будем обращаться к этой таблице при интерпретации почти всей совокупности экспериментов с участием фотонов, а сейчас определим лишь интервал изменения длины волны фотонов.

Длина волны электромагнитного излучения изменяется в интервале (табл. 2). Минимальная величина этого интервала принадлежит гамма-фотону, а максимальная - низкочастотному диапазону излучения. Величины эти установлены экспериментально и у нас нет оснований сомневаться в их достоверности. Но, как мы уже отметили, у нас есть основания сомневаться в том, что самый большой фотон имеет длину волны .

Материальная плотность базового кольца фотона, соответствующего минимальной длине волны (табл. 2), равна

(54)

Материальная плотность базового кольца фотона, соответствующего максимальной длине волны электромагнитного излучения , равна

(55)

Трудно представить фотон (с базовым радиусом ), движущийся со скоростью света, имея материальную плотность кольца (55).

Вряд ли возможно формирование ньютоновских и магнитных сил при такой небольшой материальной плотности базового кольца фотона (54). Поэтому должен существовать предел максимальной длины волны или максимального радиуса и минимальной массы фотона.

Поскольку температура Вселенной близка к абсолютному нулю, то её формирует максимальная совокупность фотонов с максимальной длиной волны. Мы убедимся в этом при анализе спектра Вселенной. А сейчас отметим ещё раз, поскольку тепловую энергию и температуру формируют фотоны, то соответствует самой низкой температуре, существующей в Природе, экспериментальное значение которой равно, примерно, . Длина волны совокупности фотонов, формирующих эту температуру, определяется по формуле Вина.

 . (56)

Фотоны с такой длиной волны соответствуют реликтовому диапазону (табл. 2). Их масса равна

. (57)

Плотность материального кольца такого фотона будет равна

. (58)

Таким образом, в Природе нет фотонов с длиной волны или радиусом, намного большим 0,029м. Конечно, эта величина будет ещё уточняться, но в любом случае она будет иметь значения, близкие к 0,029м.

Итак, фотонная шкала электромагнитных излучений (табл. 2) начинается с реликтового диапазона. Минимальную энергию , минимальную массу и минимальную частоту , но максимальную длину волны (или радиус ) имеет инфракрасный фотон в реликтовом диапазоне:

; (59)

; (60)

(61)

(62)

Максимальную энергию , максимальную массу и максимальную частоту , но минимальную длину волны (или радиус ), имеет гамма-фотон:

; (63)

; (64)

(65)

(66)

Как видно, самый маленький фотон - гамма-фотон, а самый большой фотон - инфракрасный фотон реликтового диапазона.

Таким образом, максимальная длина волны единичных фотонов соответствует реликтовому диапазону, а минимальная - гамма диапазону (табл. 2). От реликтового диапазона до гамма диапазона длина волны фотона уменьшается, примерно, на 15 порядков, а частота увеличивается на столько же.

Сразу возникает вопрос: какое электромагнитное образование формирует электромагнитное излучение с длиной волны, больше длины волны реликтового диапазона? Ответ на этот вопрос следует из гипотез индийского ученого Бозе и английского физика Алана Холдена, представленных на рис. 2.

Как видно (рис. 2), фотоны могут двигаться в виде отделённых друг от друга совокупностей, которые проявляют свойства, присущие волнам. Поэтому у нас есть основания назвать импульсы совокупностей фотонов фотонными волнами (рис. 2). Шарики - это фотоны. Расстояние между импульсами фотонов (шариков) равно длине волны , так называемого, электромагнитного излучения, а длина волны каждого отдельного фотона значительно меньше. Она, как мы уже показали, определяет область его локализации в пространстве.

Так как фотоны всех диапазонов движутся с одной и той же скоростью и так как они же формируют и волны, правильно называемого фотонного излучения (рис. 2), то скорость фотонного излучения всех диапазонов одна и та же. Сразу обратим внимание на то, что понятие «шкала электромагнитных излучений» не соответствует физическому содержанию её структуры (рис. 2), поэтому у нас есть все основания заменить название «шкала электромагнитных излучений» названием «шкала фотонных излучений» или просто «фотонная шкала» (рис. 12).

Полученная информация делит фотонную шкалу на два класса: фотонный и волновой. Фотоны - единичные электромагнитные образования, излучаются электронами атомов и протонами ядер. Совокупность фотонов, излученных электронами атомов или протонами ядер, формирует фотонное поле. Оно может быть непрерывным или импульсным, то есть волновым (рис. 2). Мы живём в этом поле, как рыбы в воде и не замечаем этого.

Информация о фотоне проясняет причину сходимости результатов решений уравнений Максвелла с рядом экспериментальных данных. Дело в том, что электроны любой антенны возбуждаются фотонами среды непрерывно, формируя её температуру и фоновый шум. Управляемое воздействие на этот процесс заставляет эти же электроны излучать импульсы фотонов с другими радиусами в виде волн (рис. 2), которые возбуждают у антенны приемника импульсы тока, такие же, какие ошибочно приписываются действию максвелловской электромагнитной волны (рис. 1). Если волна, излученная антенной или любым другим источником, состоит из фотонов (рис. 2), то величина генерируемого тока будет зависеть от количества фотонов, попавших на неё, и от их индивидуальной энергии, но не от напряженности, выдуманного для этого случая электрического и магнитного полей. Это доказывает прибор ИГА-1 (рис. 13). Имея чувствительность 100 пико вольт, он принимает естественные излучения с частотой 5 кГц и длиной волны на антенну диаметром 30 мм. Уравнения Максвелла работают лишь в условиях, когда длина волны излучения соизмерима с размером антенны приёмника. Это - убедительное доказательство того, что электромагнитные волны Максвелла (рис. 1) не являются носителями излучений.

Рис. 12. Шкала фотонных и фотонно-волновых излучений

Рис. 13. Прибор ИГА - 1. Разработчик: Кравченко Ю. П.

При поиске ответа на вопрос: почему уравнения Максвелла в ряде случаев дают результат, близкий к экспериментальному, надо учесть, что при численном решении этих уравнений используется процедура разложения в ряд Фурье. Однако, если учесть, что уравнения Максвелла описывают процессы, близкие к синусоидальным, то их можно заменить уравнением синусоиды с соответствующими параметрами и привести результат эксперимента, разложенный в ряд Фурье, к результату, описываемому синусоидой с такими же параметрами, какие дают уравнения Максвелла.

Таким образом, сходимость результатов решения уравнений Максвелла с экспериментальными данными - следствие синусоидального характера фотонной волны (рис. 2). Туманный физический смысл уравнений Максвелла надёжно прикрывал ошибочную интерпретацию структуры, так называемого, электромагнитного излучения более 100 лет. Теперь этот туман рассеян и появилась шкала фотонных излучений (рис. 12).

Заключение

Приведённая теория фотона и обоснование его структуры уже находятся в состоянии готовом к включению в учебный процесс. Следующая статья будет посвящена дифракции фотонов

Литература

1. Канарёв Ф.М. Монография микромира.

http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/663-2012-08-19-17-07-36

2. Канарёв Ф.М. Ответы на вопросы о микромире.

http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/260-------iii-

Размещено на Allbest.ru

...