Взаимодействие света с веществом Текст научной статьи по специальности «Физика»

Заключение. Таким образом, решения корректно поставленных граничных задач для любого уравнения эллиптического типа всегда оказываются не менее гладкими, чем определяющие их функции. Это свойство решений граничных задач тесно связано с тем, что к граничным задачам приводит изучение установившихся (стационарных) физических процессов - равновесий, являющихся конечным результатом предшествующего процесса выравнивания.

Список литературы

1. Н.С.Кошляков, Э.Б.Глинер, М.М.Смирнов. Основные дифферен-циальные уравнение математической физики. Москва, Наука, 1962, 768с.

2. В.П.Михайлов. Дифференциальные уравнения в частных производных. Москва, Наука, 1976, 392с.

3. В.С.Владимиров. Уравнения математической физики. Москва, Наука, 1978, 386с.

4. Тихонов А.Н. и Самарский А.А. Уравнения математической физики. Москва, Наука, 1977, 736с.

5. Соболев С.Л. Уравнения математической физики. Москва, Наука, 1966, 318с.

УДК 535.12 /13 /14_

_ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ

Алексеев Николай Васильевич

Канд. техн. наук, нац. исслед. университет МИЭТ, Москва

АННОТАЦИЯ.

Показано, что характер взаимодействия света с веществом не соответствует представлению о свете, как об электромагнитных волнах. С позиции квантовой теории рассмотрены причины уменьшения скорости света в веществе, рассмотрены процессы отражения, преломления и поглощения света.

Ключевые слова: свет, электромагнитные волны, фотоны, эфир, атомы, прозрачная среда, орбиты электронов, отражение, преломление, поглощение.

Попадание света в среду более плотную, чем вакуум, сопровождается уменьшением его скорости. При переходе света из одной среды в другую наблюдаются такие явления, как отражение, преломление и поглощение света. Считая свет упругими поперечными колебаниями эфира, Френель вывел формулы, дающие зависимость амплитуды отраженной и преломленной волн от углов падения и преломления. Его формулы хорошо согласуются с действительностью, но не раскрывают механизма этих явлений.

Классическая волновая теория объясняет эти явления следующим образом. Плоская световая волна вызывает вынужденные колебания атомов на поверхности вещественной среды, которые излучают вторичные сферические волны как в одной, так и в другой среде. Суммируясь, эти волны образуют две новые плоские волны: отраженную и преломленную.

Электромагнитная теория уточняет: на поверхности колеблются не сами атомы, а только их электроны под действием электрической составляющей электромагнитной волны. Они и генерируют вторичные волны. Волны, созданные вынужденными колебаниями электронов одного ряда, практически когерентны, поскольку размеры атомов много меньше длины волны. Такие волны интерферируют и дают суммарную волну точно такой же длины. Интерференция гасит вторичные волны, распространяющиеся во всех направлениях, кроме направлений отражения и преломления. Преломленная волна вызывает колебания электронов в следующем ряду атомов, но там отраженная волна уже не формируется, образуется только проходящая

волна, которая вызывает колебания электронов следующего ряда атомов, и так далее. Так световая волна распространяется в прозрачной среде [5, с.337-338].

Поскольку для смещения электронов требуется некоторое время, каждый ряд атомов создает задержку распространения световой волны, уменьшая ее скорость. Чем плотнее расположены атомы в среде, тем меньше скорость распространения света в ней. Кроме того, поскольку более высокочастотные электромагнитные волны на единицу длины пути совершают больше колебаний, чем низкочастотные, а на каждое ускорение электронов требуется время, высокочастотные волны задерживаются сильнее, чем низкочастотные. Этим и объясняется дисперсия света в веществе.

В случае оптической неоднородности среды в результате наложения несогласованных вторичных волн происходит рассеяние света, которое приводит к снижению интенсивности волны и ее затуханию. Несогласованные колебания электронов, вызванные рассеянными волнами, переходят в тепловые колебания атомов, что и вызывает поглощение света.

В металлах световая волна не распространяется, т.к. свободные электроны не создают вторичных волн, а после поглощения энергии волны приходят в движение, генерируя поверхностные токи, которые вызывают отражение электромагнитной волны. Поэтому коэффициент отражения света металлами много больше, чем диэлектриками.

На самом деле этот механизм распространения света в веществе работать не может. Скорость света в стекле в 1,5 раза меньше, чем в воздухе. Для того, чтобы вторичные волны, были когерентны и могли

суммироваться в единую волну, они должны излучаться только электронами, которые находятся в очень узком слое стекла. Электроны этого слоя должны полностью поглотить энергию волны и через некоторую задержку синхронно излучить вторичную волну практически такой же амплитуды, которую так же полностью должен поглотить следующий слой электронов, и так далее. Если же в упомянутом тонком слое энергия волны не будет полностью поглощена и частично пройдет в следующие слои, то когерентность вторичных волн нарушится. Частично ослабленная после поглощения первым слоем электронов электромагнитная волна не получит задержку в распространении и со скоростью света в вакууме достигнет второго и последующих слоев электронов. Возбужденные ими вторичные волны будут опережать по фазе вторичную волну первого слоя электронов. Когерентность волн нарушится. Однако известно, что когерентное излучение после прохождения через прозрачную плотную среду остается когерентным.

Световая волна не может полностью поглощаться в тонком слое вещества. Длина световой волны много больше размера атомов и тем более электронов. Также как обычная волна на воде будет качать маленькие по сравнению с ее длиной поплавки, передавая им малую долю своей энергии и распространяясь дальше, изменяющееся электрическое поле электромагнитной волны должно только качать электроны, почти не теряя своей энергии. Это значит, что электромагнитная волна должна свободно проникать вглубь вещества не испытывая никакой задержки, лишь немного ослабляясь. Экспериментально подтверждено, что электрическое поле ослабляется диэлектриками незначительно, а прозрачные среды в основном являются диэлектриками.

Даже при полном поглощении энергии волны электронами одного ряда они не могли бы создать вторичную волну достаточной интенсивности. Частота колебаний световой волны так велика, что амплитуда отклонений электронов должна быть ничтожно мала. Изменение потенциала электрического поля, вызываемое их колебаниями, будет на много порядков меньше, чем потенциал поля, вызвавшего их первоначальные отклонения. Вторичные волны будут слишком слабы, чтобы вызвать колебания следующего слоя электронов. Распространения задержанной вторичной волны в плотной среде не будет.

Не соответствует волновой теории и явление отражения света прозрачными пленками [3, с. 2831]. Интерференцией волн оно не объясняется.

В действительности световых электромагнитных волн не существует. Свет переносится незаряженными частицами фотонами. А волновые свойства свет приобретает благодаря тому, что в монохроматическом луче фотоны движутся упорядоченно на расстояниях друг от друга, кратных длине волны, создаваемой ими в эфире. Колебания фотонов создают в эфире упругие волны, с которыми и взаимодействуют движущиеся позади фотоны, подстраиваясь под них. Скорость этих

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) #3 (60), 2019 волн равна скорости фотонов, поэтому распространяться они могут только в поперечном движению фотонов направлении. Первым механизм взаимодействия частиц света с эфирными волнами предложил Ньютон. Он изложил его перед членами Королевского научного общества, но эта его идея не была воспринята. После его смерти все еще долго пользовались его первоначальной чисто корпускулярной теорией света.

Квантовая теория света является обновленной корпускулярной теорией. Но с официальных позиций она не может объяснить, почему фотоны уменьшают свою скорость в прозрачной плотной среде. Известно, что фотоны не отклоняются электрическими и магнитными полями, а потому не могут тормозиться ими. Они не могут взаимодействовать с атомами прозрачной среды, их ядрами и электронами. Результатом любого взаимодействия частиц является изменение их энергии или импульса, а они у фотонов на выходе из прозрачной среды точно такие же, какими были при входе в нее.

В некоторых источниках, например [4, с. 337338], высказывается предположение, что фотоны слегка взаимодействуют с ядрами атомов, отклоняясь на небольшие углы, а потому в плотной среде движутся не по прямой, а по ломаной линии. В результате этого их средняя скорость и становится меньше. Это могло бы быть объяснением уменьшения скорости фотонов, если бы их размеры были меньше размеров атомов. Но это не так.

Очевидно, что невозможно сделать мозаичную картину с деталями изображения меньшими размеров элементов, из которых создается мозаика. Точно также невозможно создать изображение с помощью фотонов с деталями, которые меньше размеров фотонов. Из опытов с монохроматическими лучами известно, что две яркие точки на темном фоне видны раздельно только до тех пор, пока расстояние между ними не станет меньше 1/3 длины волны. Следовательно, это и есть приблизительный радиус фотонов. И он в несколько тысяч раз больше размеров атомов.

Истинной причиной уменьшения скорости фотонов в плотной среде является то, что там они движутся в условиях повышенной плотности эфира. В эфире повышенной плотности предельная скорость движения любых частиц и волн меньше, поэтому фотоны и вынуждены уменьшать свою скорость. А повышенная плотность эфира там вызвана большим скоплением атомов.

Согласно этому механизму движения фотонов в плотной среде их скорость не должна зависеть от частоты их колебаний. Фотоны любых частот распространяются в оптически плотной среде с одинаковыми скоростями. Это значит, что механизм дисперсии современная наука объясняет неверно. Дисперсия является лишь результатом разного отклонения фотонов разных размеров на границе раздела сред при наклонном падении луча [1, с. 14-19]. Похожий взгляд на причину дисперсии был и у Ньютона.

С точки зрения квантовой теории отражение света происходит в два этапа. Сначала фотон поглощается электроном атома, расположенного на поверхности любого тела, а потом излучается им в направлении отражения. Для прозрачной диэлектрической среды это происходит только в одном слое атомов, расположенных на поверхности. Для

металлов и полупроводников отражение может происходить и из более глубоких слоев.

При поглощении фотона электрон практически мгновенно увеличивает свою энергию и скорость. При этом он переходит на более удаленную от своего ядра орбиту (рис. 1).

Рис. 1. Отражение света от поверхности

Там он начинает взаимодействовать с электронными оболочками соседних атомов, которые вытесняют его на его прежнюю орбиту, переводя его избыточную потенциальную и кинетическую энергию, полученные при поглощении фотона, в его внутреннюю энергию. Только оказавшись на своей прежней орбите, электрон излучает фотон, точно такой же, как поглощенный ранее, передавая ему всю свою избыточную внутреннюю энергию. Благодаря тому, что атомы внутри твердого тела или жидкости, симметрично расположены относительно атома, поглотившего фотон, это происходит в точке орбиты, которая симметрична точке поглощения фотона относительно перпендикуляра к поверхности, проходящего через ядро этого атома. Этим и объясняется равенство угла отражения углу падения.

Для поглощения фотона электроном есть два необходимых условия, обусловленных законом сохранения энергии. Первое: электрон может поглотить только тот фотон, который в момент взаимодействия имеет одинаковое с электроном направление движения. Если бы, например, электрон мог поглотить встречный фотон, его энергия и скорость уменьшились бы, а они должны увеличиться, причем точно на величину энергии поглощенного фотона. Это возможно только при точном совпадении направлений движения. Несмотря на то, что фотон накрывает собой огромное количество атомов на поверхности тела, вероятность встретить там электрон, движущийся в том же направлении, не велика. Всего лишь несколько процентов фотонов падающего на поверхность луча отражается от любой поверхности. Остальные фотоны оказываются в проходящем луче.

Второе условие: электрон должен иметь возможность выйти на орбиту, соответствующую его новой энергии. Для атомов, расположенных на поверхности оно выполняется всегда. Как видно на приведенном рисунке, какое-то время электрон движется вне электронной оболочки соседнего

атома. Для атомов, находящихся глубже, оно не выполняется. Там электрон, получивший дополнительную энергию, сразу оказывается внутри электронной оболочки соседнего атома, где его потенциальная энергия меньше, чем была в своем атоме. Поэтому внутри прозрачной среды взаимодействия фотонов с электронами не происходит.

Если в среде есть неоднородности, дающие электронам возможность выйти на более высокие орбиты, фотоны могут быть поглощены и излучены или не излучены внутри этой среды. Так наличие небольшого количества атомов хрома в бесцветном кристалле корунда окрашивает его в красный цвет, образуя рубин, наличие атомов железа окрашивает корунд в голубой, титана - в синий цвет. Сине-голубой сапфир - это корунд, содержащий оба вида атомов примеси. Атомы примеси имеют другие размеры и энергии связи, что уменьшает плотность упаковки атомов в кристалле, создавая увеличенные промежутки между ними. В этих промежутках может разместиться участок орбиты электрона с увеличенной при поглощении фотона энергией. Но поскольку атом иного размера нарушает симметричность расположения соседних атомов, электроны с одним количеством избыточной энергии могут оказаться на своей прежней орбите и излучить фотон, а электроны с другим количеством энергии не могут. Тогда они постепенно передают свою энергию электронам соседних атомов, расталкивая их и увеличивая температуру тела.

Похожей причиной объясняется окрашивание кристаллов медного купороса Си804 ^Н20. В безводном состоянии Си804 - бесцветный кристаллический порошок, но при насыщении его водой он приобретает яркий голубой цвет, который сохраняется и при растворении его в воде. В кристаллическом безводном состоянии расстояния между атомами этого вещества не позволяют электронам переходить на орбиты, соответствующие энергии, которую они получили бы при поглощении оптических фотонов, поэтому такие фотоны не поглоща-

ются. Молекулы воды, расположенные вокруг молекулы Си804, оттягивают на себя отдельные атомы сульфата меди за счет взаимодействия ди-польных моментов. Между атомами появляются промежутки достаточные для размещения в них участков орбит электронов с повышенной энергией. Электроны внутри такой среды начинают поглощаться, но из-за несимметричного окружения не все они могут оказаться на своей прежней орбите. Это удается только электронам, поглотившим фотоны голубого участка спектра.

Значительная разница межатомных расстояний по разным направлениям тоже может приводить к поглощению фотонов. Из-за разных расстояний между атомами углерода в кристаллах графита он становится непрозрачным, тогда как одинаковые расстояния между такими же атомами в кристалле алмаза делают его прозрачным. При больших расстояниях между атомами выше вероятность размещения орбит для электронов с увеличенной энергией. В кристаллах графита электроны поглощают фотоны, но вернуться на свои орбиты они не могут из-за сильного нарушения симметрии в расположении атомов. А вот в кристалле кремния, имеющем такую же, как у алмаза, кристаллическую решетку, из-за больших расстояний между атомами электроны имеют некоторую возможность поглощать и излучать фотоны. Это делает кремний практически непрозрачным, но повышает его коэффициент отражения.

Прозрачными могут быть не только кристаллы, но и диэлектрические материалы, состоящие из разных атомов, а также материалы, не имеющие кристаллической структуры. Для этого их атомы и молекулы должны плотно примыкать друг к другу, чтобы не было возможности для размещения дополнительных орбит для электронов с увеличенной энергией.

Тонкие слои металлов полупрозрачны. У них мало электронов на внешних оболочках, поэтому велика вероятность, что внутри металла электрон, поглотивший фотон, пересечет внешнюю электронную оболочку соседнего атома, когда у того внешние электроны находятся по другую сторону ядра. В этом случае за счет большого дипольного момента электрическое поле соседнего атома со стороны залетевшего в его оболочку электрона усилится, что приведет не к уменьшению, а к увеличению потенциальной энергии этого электрона, т.е. сделает возможным его поглощение. Потом этот электрон с большой вероятностью может излучить фотон, если ситуация окажется такой же благоприятной, или перевести свою избыточную энергию в колебания соседних атомов, т.е. в тепло. Поэтому отражение света происходит не только от поверхности металла, но и из более глубоких слоев, что сильно увеличивает коэффициент отражения металлов по сравнению с диэлектриками. На рис. 2 приведен график зависимости коэффициента отражения света от толщины пленки хрома, напыленного на стекло, при нулевом угле падения.

Рис. 2 - Зависимость коэффициента отражения пленки хрома от толщины для оранжевого (1), зеленого (2) и красного (3) лучей

Полупроводники имеют схожий с металлами характер взаимодействия с фотонами. У них внешние электронные оболочки наполовину заполнены электронами, поэтому вероятность поглощения фотонов меньше. Это делает их более прозрачными и менее отражающими свет, чем металлы. В них световые фотоны могут проникать на глубину до 2 мкм и отражаться с разной глубины. Это увеличивает их коэффициент отражения примерно до 30% и придает им металлический блеск.

При взаимодействии фотонов с газами нет соседних атомов, которые вытеснили бы электрон с избыточной энергией на прежнюю орбиту, поэтому механизм увеличения внутренней энергии электрона такой, как описано в [2, с. 7-10]. После поглощения фотона электрон переходит на эллиптиче-

скую орбиту и может совершить много витков, постепенно приближаясь к своей прежней орбите, где и излучает фотон. Из-за эллиптичности орбиты это может произойти только в точке поглощения фотона или в симметричной ей точке относительно ядра атома, т.е. электрон может излучить фотон только в том же, что и у поглощенного фотона, или обратном направлении. Но по причине низкой плотности газов коэффициент отражения у них мал.

Электроны с избыточной энергией, точно равной разности энергетических уровней атома, могут излучать фотоны в произвольных направлениях. Это происходит из-за того, что электрон, получивший энергию, достаточную для перехода на другую стационарную орбиту, может находиться на ней дольше, чем на нестационарных орбитах. Он может

начать перевод избыточной энергии во внутреннюю в произвольной точке своей новой орбиты и оказаться на своей прежней орбите в ее произвольной точке, излучив фотон в произвольном направлении. Поэтому количество прошедших через газ фотонов с такой энергией уменьшается, что и создает спектральные линии поглощения. В случае, когда электрон находится на нестационарной орбите, начало перевода избыточной энергии во внутреннюю, всегда определяется ориентацией эллипса его орбиты относительно направления движения его ядра в пространстве.

Литература

1. Алексеев Н.В. Измерение фазовой скорости света в тонких пленках. Эвенсис. Новшества в области естественных и математических наук, вып. II. Тюмень. 2017. - 26 с.

2. Алексеев Н.В. Механизм орбитальных переходов электронов. Аэтерна. Современный взгляд на будущее науки, часть 3. Пермь. 2016. - 285 с.

3. Алексеев Н.В. Отражение света прозрачными пленками с позиции квантовой теории. ЕСУ №8 (53). 2018. - 68 с.

4. Беляев А.С. Теоретические основы взаимодействия вакуума с веществом. Монография. М: ОГИ. 2011. - 384 с.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М: Наука. 1981. - 507 с.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГИДРОПРИВОДА КРАНОВОГО МЕХАНИЗМА.

Бирюкова Ольга Андреевна

студент, КФ МГТУ им.Н.Э.Баумана

Калуга

Заярный Сергей Леонидович

доцент, к.т.н., КФ МГТУ им.Н.Э.Баумана ,

Калуга

АННОТАЦИЯ.

Рассмотрены типовые гидравлические приводы и способы их регулирования в крановых механизмах. Определены математические модели приводов и возможность их структурирования, в виде многомерных гидравлических многополюсников, для использования в различных имитационных системах.

ANNOTATION.

Typical hydraulic systems and methods of their regulation in crane mechanisms are considered. Determined mathematical models and their structuring in the form of multidimensional hydraulic multiprobe, for use in different simulation systems.

Ключевые слова: гидравлическая система, математическая модель, имитационная система, многополюсник

Keywords: hydraulic systems, mathematical models, simulation systems, multiprobe

Создание имитационной системы предполагает рассмотрение исследуемого объектам с определением его состояний, структуры, определения взаимодействия его элементов, установления характерных физических эффектов и их математических моделей [2]. Рассмотрим гидропривод кранового механизма, в котором могут использоваться различные виды управления: машинное, дроссельное, машинно-дроссельное [1]. Используя эти виды управлении можно получить практически любую

требуемую характеристику установившегося режима работы механизма крана рис. 1.

Бесступенчатое регулировании привода в первом случае, обеспечивается изменением рабочих объемов гидронасоса и гидромотора (кривые 1 и 2), а во втором случае различными уровнями дросселирования потока рабочей жидкости (кривые 3), что обеспечивает достаточно "жесткое" поддержание постоянного значения частоты на всем диапазоне изменения нагрузочного момента.

Рис. 1. Характеристики регулирования гидропривода

В гидроприводы крановых механизмах с дроссельным управлением используются схемы с разомкнутым или с замкнутым потоками рис.2.