Взаимодействие фотонов с силовыми полями Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 359.12 ББК 22.38

В. И. Переверзев, И. В. Переверзев ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНОВ С СИЛОВЫМИ ПОЛЯМИ

Аннотация. Цель статьи - рассмотреть строение и свойство фотона и его взаимодействия с силовыми полями в процессе распространения в них.

Ключевые слова: фотон, фот, электрический момент, диполь частота, силовые поля.

V. I. Pereverzev, I. V. Pereverzev PHOTON INTERATION WITH FORCE FIELDS

Abstract. The aim of the article is to consider photonic structure and photon properties and its interaction with force fields in the process of photon propagation in these fields.

Key words.photon, phot, electric moment, dipole, frequency, force fields.

§1. Свойства уединённого фотона

Согласно квантовой теории, базирующейся на экспериментальных исследованиях теплового излучения вещества и внешнего фотоэлектрического эффекта, свет - это поток частиц - фотонов, обладающих и корпускулярными и волновыми свойствами. О корпускулярных свойствах свидетельствует наличие у фотонов, наряду с энергией, импульса и массы, проявляющихся при взаимодействии с веществом, а о волновых - явления дифракции и интерференции. По квантовой теории энергия E уединённого фотона определяется соотношением

Е = hv,

где h - постоянная Планка, v - частота фотона. При этом четкого физического определения понятия «частота фотона» не даётся. Дело в том, что фотон есть локализованный в пространстве объект и рассматривать его излучением атомного осциллятора неправомерно. Понятия - «масса и импульс фотона» - вводятся на основе положений теории относительности.

Рассмотрение проявления силовых полей элементарных частиц приводит к выводу, что они состоят из бесконечно малых элементарных частиц (МЭЧ), имеющих одинаковые массы и равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды. При этом изменение полей происходит порциями, представляющими собой фотоны теплового излучения. Как порция силового поля элементарной частицы, тепловой фотон состоит из МЭЧ и имеет определённые размер и массу. Электронейтральность, прямолинейность распространения и постоянство частоты v уединённого фотона наводит на мысль, что он состоит из двух частей, имеющих равное число МЭЧ, которые условимся называть фотами. Фоты имеют равные массы m и одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды q. Масса и заряд каждого фота фотона тем больше, чем больше число МЭЧ в них. Расстояние l между фотами определяется размерами материальной

частицы, излучающей фотон. Обладая в момент выброса электрическим моментом р = ql, направленным от отрицательного к положительному фоту, уединённый фотон - диполь, двигаясь вдоль прямой линии со скоростью с, должен вращаться вокруг оси, проходящей через центр масс и перпендикулярной вектору j и прямой распространения с угловой скоростью ¿у = 2лу, чтобы,

из-за гравитационного и электрического притяжения, фоты не сблизились и не исчезли, перейдя в обычное состояние силового поля. Величина v определяет собой число оборотов фотона вокруг оси вращения в единицу времени. Именно в этом состоит физический смысл понятия «частота фотона».

Согласно второму закону Ньютона

2 2 ™ 1 Я _227 v — + k-h- = 2ж v ml

Г 12 /2

где у = 6,672 -10 11--— - гравитационная, к = 9 ■ \ ()''--— - электрическая постоянная.

кг Кл

2 2 т кЧ

Силы гравитационного У ^ и электрического ^ р притяжения стремятся сблизить фоты. Неизменность расстояния между ними обеспечивает сила 17Г2у2т1 • обусловленная вращением фо-

тона - диполя вокруг оси, проходящей через его центр масс. Эти силы тем больше, чем больше число МЭЧ в фотах. Единственной экспериментально измеряемой величиной в них, позволяющей судить о количестве МЭЧ, является частота v фотона.

Массы и заряды фотов уединённого фотона примерно такие, как электрона и позитрона. Об этом свидетельствуют экспериментально наблюдаемые процессы превращения у-фотонов в электроны и позитроны и возникновения двух у-фотонов при аннигиляции электронов и позитронов. Сопоставимость величин зарядов и масс фотов и электронов (позитронов), позволяет установить, что электрическое взаимодействие фотов примерно в 1042 раз превосходит гравитационное.

Как материальная частица, состоящая из МЭЧ, фотон обладает энергией. Величина полной энергии E уединённого фотона равна убыли энергии, излучившего его атома, так как в момент выброса они представляют собой замкнутую систему. Полная энергия складывается из кинетических энергий поступательного yyic2 и вращательного тл2у212 движения, составляющих его фо-

2 2 т , а

тов, и их взаимных потенциальных энергии гравитационного 7~j~ и электрического к -у- взаимодействия, т. е.

2 2

т^ 2 22 72 ^ 1 Я

Е = тс +тл у г + у — + к — .

7 / /

Второй закон Ньютона позволяет выражение для полной энергии уединённого фотона представить так:

Е = тс2 +Ъл2у2т12.

Полагая т = 9,1 10~31кг, q = 1,6-1СГ19Кл и / = 1,5 -Ю^ж, находим, что слагаемое

YYIC2 превосходит слагаемое 3Я2у2т12 в 1 (Г 1 ()' раз. А это значит, что основной величиной, характеризующей фотон в процессе его движения и взаимодействия с встретившимся атомом, является масса (количество МЭЧ в фотах). Об этом свидетельствует и зависимость от массы частоты его вращения.

Как было установлено, единственной экспериментально измеряемой величиной, позволяющей судить о количестве МЭЧ фотов, является частота v вращения фотона вокруг центра масс. Это значит, что зависимость полной энергии уединённого фотона от количества МЭЧ можно аппроксимировать функцией частоты. Наиболее рационально положить ß — fo у, где постоянную h рассматривать равной постоянной Планка. О целесообразности такой аппроксимации свидетельствуют экспериментальные данные Милликена, выражающие зависимость задерживающего потенциала для фотоэлектронов от частоты. При такой аппроксимации выражение для полной энергии уединённого фотона можно представить формулой

hy = тс2 + Ъп2у2т12.

Из этой формулы находим, что зависимость массы фота от частоты определяется соотношением

hy

ш — ■

2..2/2 '

сг+3жгуг1

Зависимость т (V) позволяет установить, что массы фотов имеют максимальные значения

И

ш =-

тах 2л/зж1

у фотонов, частоты вращения которых

Гтах= Тзл/'

Знание частоты Утзх вращения фотона позволяет оценить расстояние между фотами и их массы на основе соотношений

I = ° _

4ълу т™х-—2-

V >- тах

На основе последних формул и табличных данных [4, 5] для максимальных частот находим, что расстояния между фотами и их максимальные массы у тепловых фотонов

/ = 5,513289-Ю10^ и ™шах =3,681111 -Ю-34кг, у рентгеновских фотонов / = 1,837763 • м и 1,104333 -Ю-30кг, а у гамма-фотонов / = 1,837763-КГ15 л* и тшах = 1,104333-10"27 кг. Следовательно, у тепловых фотонов расстояния между фотами равны радиусам излучивших их атомов, у рентгеновских они значительно меньше радиусов атомов, но значительно больше радиусов ядер атомов, а у гамма-фотонов равны радиусам ядер атомов. Из найденных значений mmax следует, что массы фотов рентгеновских и гамма-фотонов больше массы электрона (позитрона), но меньше массы протона. Рассчитанные массы фотонов (равные удвоенным массам фотов) и табличные практически одинаковые. Знание массы и расстояния 1 позволяет установить, что сила гравитационного взаимодействия между фотами фотонов тепловых ^ = 19.64• \() Н. рентгеновских F = 16,363-10~45Я, гамма /■' = 25.46 ■ 10 ' Я. Величина 2лщ2у2т1 этих фотонов имеет

значение 1,734 -10 8Н у тепловых, 3,13-10 Н у рентгеновских, \\]-[ у гамма. Это значит, что во взаимодействии фотов фотона основную роль играет сила кулоновского взаимодействия и для него второй закон Ньютона приближённо можно записать так:

^¿ = 2 л2у2т1. 12

Из этого соотношения следует, что по модулю электрический заряд фота

, ¡2т/ а = лу1Л-.

^ V к

Подставляя сюда выражение для Ушах и ттах , получаем формулу

к

7з V л/злек

справедливую для фотонов любого излучения, и на основе последней находим, что по модулю заряд фота = 11,63186 -10 19 Кл. Это обстоятельство наводит на мысль, что по модулю заряд фота фотона и теплового, и рентгеновского, и гамма излучения любой частоты имеет такое же значение. Он превосходит заряд электрона (протона) в 7,259976 раза. Следовательно, во столько раз отличается избыток МЭЧ с определённым зарядом фота и частицы (электрона или протона).

Важными величинами, характеризующими движение фотона, являются импульс р = тс

и момент импульса £ = л\т12 ■ обусловленные его вращением вокруг центра масс. Фотон, обладающий частотой , имеет импульс

к

Р =

2у[3л1'

а его момент импульса

6 л

На основе этих формул находим, что максимальное значение импульса фотона теплового

1,1043312-Ю"25^ рентгеновского 3,3129996-Ю"22-^-^, гамма 2,02950292-Ю"20-^-^, а с > с с

кг м2

максимальный момент импульсау каждого из них имеет значение 3,51520217 -10~35-.

с

Линейная скорость фота в его движении относительно центра масс фотона V = 71 \( . По мере движения фотона скорость фота относительно излучившей частицы вещества периодически

меняется в пределах от с + \ до с — у. При частоте фотона 1/тах линейная скорость фота имеет

значение V = . Поэтому относительно вещества скорость фота может иметь значения с' в прел/3

/

делах от с 1 -

V

можно предположить, что они просто распадаются на фоты, движущиеся как самостоятельные

заряженные частицы со скоростями с', как правило, не параллельными С .

§2. Отталкивание фотонов распространяющегося пучка

В момент времени tфотоны излучаются атомами вещества, расстояния между которыми, как правило, значительно больше их диаметров. Всефотоны, излучаемые в этот момент в одном направлении, распространяются в вакууме со скоростью с от источника света. Расстояния между параллельными прямыми распространения фотонов равны проекциям расстояний между излучившими их атомами на нормальную плоскость. Площадь нормальной плоскости, пересекаемой всеми прямыми распространения фотонов, имеет значение S0. Совокупность фотонов, излучаемых в течение времени dt и находящихся в момент времени t+dt в элементе объёма dV=S0cdt пространства, образует параллельный пучок лучей.

Вся совокупность фотонов элемента объёма dV, как электрических диполей, вращающихся вокруг осей, перпендикулярных к их центрам и прямым распространения, в момент времени представляет собой нечто в виде объёмного диполя. Будем считать, что совокупность фотонов, находящихся в момент времени / + с// в элементе объёма с/У (объёмный диполь), затем распространяется в пространстве, в котором нет силовых полей. Из-за всевозможных ориентаций плоскостей вращения суммарная напряжённость электрических полей фотонов-диполей отличается от нуля лишь вблизи боковой поверхности пучка (с внешней стороны). Отличие от нуля напряжённости электрического поля приводит к тому, что одинаково направленные, параллельно расположенные фотоны-диполи боковой поверхности пучка начинают отталкиваться друг от друга в направлении, перпендикулярном к ней. Первыми отталкивание испытывают фотоны, расположенные на самой боковой поверхности пучка, а затем всё более и более удалённые от неё. В результате, по мере распространения пучка, площадь его нормального сечения увеличивается. Это приводит к тому, что плотность фотонов, пронизывающих нормальное сечение, уменьшается от центральной части к периферии. Траектории движения фотонов становятся кривыми линиями (с большей кривизной у поверхности пучка).

Каждый фотон, излучаемый атомом вещества, обладает энергией

где V - частота вращения фотона-диполя, 1 - расстояние между его фотами, т - масса фота фотона. Фотоны, излучаемые им в разные моменты времени, в общем случае, имеют разные частоты, массы, и расстояния между фотами. Это свидетельствует о том, что изменение энергии любого фотона возможно в результате одновременного изменения и массы, и частоты вращения, и взаимного расстояния между фотами, и определяется соотношением

Следовательно, и в положительно, и в отрицательно заряженном фоте одновременно число МЭЧ испытывает одинаковое изменение (и величина заряда по модулю). Поэтому величина hdv определяет собой энергию движения, гравитационного и электрического взаимодействия МЭЧ, отделившихся от фотона.

Суммарная энергия фотонов пучка, ограниченных двумя поверхностями, нормальными к направлению распространения, и боковой поверхностью, в процессе их движения изменяется на величину

Это изменение обусловлено совершением работы отталкивания фотонов в направлениях, нормальных к поверхности пучка. Частоты vi вращения фотонов и массы т1 их фотов уменьшаются (в большей мере у поверхности пучка). Этим обусловлено постепенное «покраснение» распространяющегося пучка (чем ближе к боковой поверхности, тем сильнее). При распространении фотонов пучка на значительное расстояние покраснение становится значительным даже в центральной части его нормального сечения.

§3. Распространение фотонов в гравитационном, электрическом и магнитном полях Рассмотрим распространение фотонов, излучаемых частицами поверхности звезды, масса которой М и радиус К Являясь электрическим диполем, состоящим из двух фотов равных масс т0 и одинаковых по величине, но противоположных по знаку электрических зарядов q0, расположенных на расстоянии 10 друг от друга и вращающихся вокруг центра масс с частотой V в плоско-

к V = тс2 + Зя2у2т12,

Ыу - с2<1т + Ълг Ст у12йу + у212йт + 2у2тШ .

\hdv- = с2\ йт. +Зл2Т €тп.12у4у. +у212(1т. +2ум.1сИ. ^^ 1 ^^ 1 ^^ ~ 1 1 1 1 11 1 111 1

сти, содержащей прямую распространения, в системе отсчёта, связанной с центром масс звезды, в момент излучения фотон обладает энергией

2. .2 ^т0М

Е = т0с + Зл т010 у -20

Я

где с - скорость движения его центра масс. Слагаемое тос определяет собой кинетическую

о 2 72 2

энергию поступательного движения фотона, слагаемое то'о ^ - сумму кинетической энергии вращательного движения фотов вокруг центра масс и их взаимных потенциальных энергий

гравитационного и электрического взаимодействия, а слагаемое ^ - энергию гравитационного взаимодействия фотона со звездой. Из-за гравитационного взаимодействия с излучившей звездой, сразу же после излучения кинетическая энергия поступательного движения фотона начинает изменяться (уменьшаться), а кинетическая энергия вращательного движения фотов и их взаимные потенциальные энергии гравитационного и электрического взаимодействия сохраняются.

ч2

Сохранение последних обусловлено тем, что электрическая сила = притяжения фотов фо-

'о

_ тЛ4 10 20

тона превосходит силу г р = О—гравитационного притяжения к звезде в 10 -НО раз.

Л

Так как силы гравитационного взаимодействия фотона со звездой потенциальные, то на момент времени t после излучения изменение его кинетической энергии имеет значение

тЛ = 2От^М

'1

г Я

где V - скорость поступательного движения фотона, г - расстояние между центрами масс звезды и фотона. Оно достигает максимального значения, когда скорость V обращается в нуль. В этом случае величина

2 ОМ

г 1 п

VЯ~~г)С

Скорость V может обратиться в нуль, как на конечном, так и на бесконечном расстоянии от звезды. Однако, она может иметь отличное от нуля значение v0 и на бесконечном расстоянии от звезды. В этом случае фотон продолжает двигаться прямолинейно со скоростью у0, обладая энергией

ЕФ = т%20+3л2т0120у2 _

Предположим, что скорость фотона обращается в нуль при удалении от звезды на бесконечное расстояние. При таком удалении имеет место равенство

1 9

2 ОМ- = с2 Я

Отсюда следует, что при заданном значении Яданное равенство имеет место, если

М = ——, а при заданном значении М, если Я = —;—. Например, при Я, равном радиусу Солнца, 2 О с

масса звезды должна иметь значение М = 1,565 • 1035/сг = 0,7825 • 10'М ©. а при М, равной массе

Солнца, радиус звезды должен иметь значение Л = 8.9-10'/а/ После остановки фотон станет приближаться к излучившей его звезде, если расстояние г, на котором скорость V обращается в нуль, имеет конечное значение. Скорость фотона на поверхности звезды вновь станет равной с.

Пусть направление движения фотона, удалившегося от излучившей его звезды на бесконечное расстояние и имеющего скорость у0, проходит через центр масс другой звезды, имеющей массу М1 и радиус Я1. С момента достижения фотоном гравитационного поля этой звезды он станет приближаться к ней со всё возрастающей скоростью. Гравитационное взаимодействие приведёт к тому, что на поверхности звезды скорость его движения примет значение с'. При этом воз, М1 М , , М1 м можны три случая: а) с = с, если и ~; б) с < с , если ^ < ^ ; в) с > с, если > ~.

Если направление распространения фотона не проходит через центр масс другой звезды, то с мо-

мента достижения гравитационного поля, он станет приближаться к ней вдоль кривой второго порядка (гиперболы параболы или эллипса). На движущийся фотон действует сила гравитационного притяжения со стороны любого материального объекта. Так как с момента излучения звездой фотоны оказываются в гравитационных полях многих материальных объектов, то они двигаются с переменными скоростями вдоль пространственных траекторий.

Взаимодействует фотон и с внешним электрическим полем, порождаемым системой неподвижных электрических зарядов, в которое он попадает. Результат взаимодействия зависит от взаимной ориентации плоскости вращения фотона и плоскости, содержащей направление его

движения и линии напряжённости вектора Е электрического поля, численного значения скорости движения фотона и напряжённости электрического поля и продолжительности движения в электрическом поле (проходимого пути S). Наличие зарядов у фотов, составляющих фотон (электрического момента Р ), приводит к тому, что при распространении во внешнем поле на него, в общем

дЕ

— ол

случае, действуют момент сил М = ЬЕ и сила ¡' = р—cosa, обусловленная градиентом на-

дх

пряжённости поля. Момент сил M стремится повернуть фотон так, чтобы плоскость его вращения содержала линию напряжённости E поля. Угол ф поворота плоскости вращения фотона находится в прямой зависимости от численного значения напряжённости Е поля и времени движения его в электрическом

поле (проходимого пути S), т.е. <P = *P(S,E) При заданном значении пути S угол поворота можно представить зависимостью: <Р — Sf (Е) Сила F стремится переместить фотон в

направлении большего значения напряжённости E электрического поля. Величина действия момента сил M и силы F находится в прямой зависимости от численного значения напряжённости E поля. Если плоскость вращения фотона содержит линию напряжённости E электрического поля, то расстояние l между фотами изменяется с частотой v

(при Р ^^ E увеличивается, а при Р ^^ E - уменьшается).

Момент импульса фотона, обусловленный вращением фотов вокруг центра масс, противодействует повороту плоскости его вращения. Поворот плоскости вращения фотона прекратится

либо когда линия напряжённости E поля окажется в ней, либо когда он покинет электрическое поле. Из-за действия силы F, перемещающей фотон в направлении большего значения напряжённости E поля, линия его движения станет плоской кривой. При этом скорость движения фотона изменится.

Силовое действие электрического поля приводит к изменению энергии фотона: кинетических энергий поступательного и вращательного движения и взаимных потенциальных энергий гравитационного и электрического взаимодействия фотов. Последнее может быть обусловлено изменением любой из физических величин, характеризующих его состояние. Величина изменения

энергии фотона находится в прямой зависимости от численного значения напряжённости E электрического поля и продолжительности движения в нём (проходимого пути). При очень больших

значениях E и проходимого пути возможен полный распад фотов на МЭЧ и образование из них частиц мирового эфира.

Взаимодействует фотон и с внешним магнитным полем, порождаемым системой упорядо-ченно, направленно движущихся электрических зарядов, в которое он попадает. На фоты фотона,

двигающегося в магнитном поле с магнитной индукцией Е действуют силы Лоренца

где V+ и V- - скорости движения, соответственно, положительного и отрицательного фота. В любой момент времени v+ — С + 11-. а V- —C + U-. Модули скоростей и+ и U- движения фотов фотона вокруг центра масс в 102 ^-103 раз меньше модуля скорости С. В процессе движения фо-

тона направления скоростей у+ и V- непрерывно меняются. Испытывают непрерывные изменения и их численные значения в пределах от 106 до 1010 метра в секунду. С вектором Е напряжённости результирующего электрического поля зарядов, движущихся со средней скоростью а , в той точке, где оказывается фотон, вектор В магнитной индукции связан соотношением

в=Л aE

v

a

где V = , ^ - скорость распространения взаимодействия между МЭЧ этих зарядов. у1££0ММо

Однако необходимости в использовании этого соотношения нет, так как способы определения

значения и направления В просты. тр тр

Силы г + и г ~ можно записать в виде соотношений:

F+ ~ Чо Р + {B + l-B

= Ч0

Численное значение момента сил и Е- , поворачивающих фотон-диполь находится в прямой зависимости от значений векторов У+ V- и В и угла между направлениями векторов С и В . Силы Е+ и

стремятся повернуть плоскость вращения фотов фотона даже в случае, когда векторы С и В параллельны. Причиной тому является постоянное, незначительное расхождение направлений векторов У+ и V-, обусловленное вращением фотов. Первым поворот плоскости вращения фотов фотона при его распространении параллельно вектору В магнитной индукции наблюдал М. Фарадей (1846 г.). Угол ф поворота плоскости вращения фотона находится в

прямой зависимости от численного значения вектора В , пути S его движения в магнитном поле и угла между направлениями векторов С и В .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Яворский, Б. М. Справочник по физике / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. - М.: ФМЛ., Наука, 1977. - 942 с.

2. Енохович, А. С. Справочник по физике / А. С. Енохович. - М.: Просвещение, 1978. - 416 с.

3. Енохович, А. С. Справочник по физике и технике / А. С. Енохович. - М.: Просвещение, 1983. - 255 с.

УДК 551.5 ББК 26.233

В. Ф. Сокуров, З. Л. Шершунов

ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИОННОГО СЛЕДА ЧАСТИЦ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ В АТМОСФЕРЕ ОТ ПЕРВИЧНОЙ ЭНЕРГИИ (ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)

Аннотация. В статье рассмотрена зависимость сопротивления ионного следа частиц сверхвысоких энергий в атмосфере от первичной энергии. Значительное внимание уделяется численному эксперименту.

Ключевые слова: сопротивление, частицы сверхвысоких энергий, первичная энергия.

V. F. Sokurov, Z. L. Shershunov

DEPENDENCE OF RESISTANCE OF THE ION TRACK OF THE PARTICLES WITH ULTRAHIGH ENERGY IN THE ATMOSPHERE FROM FUNDAMENTAL ENERGY (NUMERICAL EXPERIMENT)