Чтение онлайн

Мы многое знаем о Комптоне, но, к несчастью, ничего не можем сказать о том Неизвестном Учёном, который, как следует из "Оптики" Ландсберга, предложил классическую трактовку комптон-эффекта. В этом плане учебник Ландсберга, вообще, — весьма примечателен и заслуживает пристального внимания. Сознательно или случайно в него были внесены многие верные идеи, или упоминания о них, пусть и в критическом ключе. Это и изложение сути БТР, и упоминание классической модели атома Ритца, а также ажурной модели атома Ленарда (прообраза ядерной модели Резерфорда), и интересные замечания о нелинейном, селективном фотоэффекте, наконец, — классическая трактовка эффекта Комптона. Будучи тесно связан с оптическими проблемами, Г.С. Ландсберг, по-видимому, имел доступ к закрытым источникам информации, располагал и интересовался многими сокрытыми данными об идеях и личностях, забытых в кванторелятивистской горячке. Но и целой книги не хватит, чтобы всех их перечислить, рассказать об их жизни и заслугах. Сколько было таких безвестных учёных-героев, осмелившихся, вопреки общему мнению и хору глупцов-подпевал неклассической физики, усомниться в кванторелятивистской картине мира и выдвинуть свои альтернативные идеи? Сколько таких великих, порой бесценных идей погибло по вине чьих-то амбиций, злой воли, зависти и корысти? Сколько таких безвестных учёных было замучено в застенках институтов — травлей сворой академиков, террором научной мафии, запретами на публикации в журналах? Сколько их, ищущих и бескорыстно служащих истине, безвестно умерло, не успев донести до нас свои светлые мысли? Но не их имена произносят с уважением, а имена их мучителей и попирателей истины. И не стоит ли, раз существует Могила Неизвестного Солдата, почтить память Неизвестного Учёного, Борца за классическую науку и свободу мысли, подобным памятником? Также, все усилия следует приложить и к тому, чтобы восстановить, реконструировать имена и идеи этих учёных, самозабвенно отдавших жизнь борьбе за истину, против мракобесия в науке. Они достойны памяти и уважения не меньше, чем герои войны.

Итак, энергия не излучается и не поглощается атомом в виде фотонов, квантов света. Нет "квантовых явлений", которые нельзя бы было истолковать в рамках классической физики. Но и внутри атомов энергия электрона не квантуется, не меняется дискретно, вопреки квантовой механике. Дискретное изменение энергии в атоме обычно доказывают дискретным спектром атомов (излучаемый атомом спектр частот создаётся, якобы, переходами между постоянными уровнями энергии) и опытом Франка-Герца. Как помним, дискретный спектр излучения связан, в действительности, не с уровнями энергии, а с наличием у электронов собственных частот колебаний в магнитном поле атома (§ 3.1). Поэтому, и опыт Франка-Герца, видимо, связан с этими резонансными частотами атома. В этом опыте выяснилось, что атомы поглощают энергию порциями [82, 134]. Это следовало из того, что электроны, разгоняемые электрическим полем, при столкновении с атомами, — отдавали им свою энергию E, едва она достигала значения E 1, равного первому резонансному потенциалу атома (минимальной энергии электрона необходимой для возбуждения атома). Уже само упоминание резонанса говорит о том, что потеря электроном энергии вызвана совпадением частот. В самом деле, электрон с энергией E, столкнувшись с атомом, либо отскочит, либо на время с ним соединится, угодив в магнитную ловушку атома и начав обращаться с частотой f=E/h. Повращавшись в обществе атома, он может его покинуть, сохранив свой запас энергии.

Но всё будет иначе, если частота обращения fэтого внешнего электрона совпадёт, войдёт в резонанс с частотой собственных колебаний одного из внутренних электронов, сидящих в узлах атома (Рис. 159). Тогда, внешний электрон, кружась, станет своим периодичным воздействием, при регулярном сближении, сильно раскачивать узловой, и, передав ему свою энергию, покинет атом — с заметно меньшим её запасом. А колеблющийся, внутренний электрон начнёт постепенно терять энергию в виде излучения с частотой fсвоего кружения в узле, пока не замрёт там. Вот почему, едва электроны наберут в ускоряющем поле критическую энергию E 1, они сразу её теряют, вызывая свечение газа на частоте f= E 1/ hпервой резонансной линии [134].

Отметим, что в случае, если энергия захваченного электрона больше резонансного потенциала, он уже не сможет возбудить колебания внутреннего электрона, поскольку будет вращаться с большей частотой. Усовершенствованный опыт Франка-Герца, действительно, показал, что если электрон влетает в газ уже с энергией, большей резонансного потенциала, он эту энергию не теряет, и ток электронов не снижается [134]. Это ещё раз доказывает резонансный характер явления: атом не может забрать энергию у электронов не только с энергией, меньшей критической, равной резонансному потенциалу, но и с большей. В противоположность этому, ионизацию атома, отрыв от него электрона, как показали опыты, способны производить и электроны с энергией, большей потенциала ионизации E и. Это соответствует классической теории, поскольку в отличие от возбуждения излучения, ионизация атома вызывается чисто механическим ударом электрона по атому. Но это явление ударной ионизации — в корне противоречит квантовой теории атома Бора, по которой атом, с его дискретной системой уровней, способен поглощать только строго определённые порции энергии, как при возбуждении, так и при ионизации.

Впрочем, кванторелятивисты выдумали следующую уловку. Если электрон имеет энергию E, большую потенциала ионизации E и, то его энергия может быть поглощена атомом, независимо от значения E, поскольку выше E испектр энергий атома становится из дискретного — сплошным, так как энергия электрона вне атома может быть произвольной [134]. Это якобы подтверждает и то, что линейчатый спектр излучения атома становится сплошным — после достижения границы серии f (так, у водорода это частота f = Rc(1/ n 2–1/ m 2)= Rc/ n 2, для которой m= [74]). Но это, именно, — уловка, ибо она противоречит постулату Бора о порционном захвате энергии атомом. Ведь электроны вне атома уже не имеют отношения к его энергетическому спектру, и надо отдельно рассматривать дискретные скачки энергии электрона внутри атома и непрерывные её вариации уже после ионизации и поглощения энергии E и. То есть, квантовая трактовка не проходит, зато классическая легко объясняет как ионизацию, так и сплошной спектр, примыкающий к границе серии. Сплошной спектр генерируют электроны, захваченные магнитным полем атома, когда крутятся в нём с частотой f= E/ hи излучают на этой частоте (§ 3.1). От излучения их энергия Eубывает, и плавно снижается частота fизлучения электрона, по мере расширения витков его орбиты. Так атом генерирует сплошной спектр. Но, едва частота вращения fснизится до значения f (до предельной частоты излучения в спектральной серии), как внешний электрон, за счёт резонанса, станет быстро отдавать свою энергию внутренним, узловым электронам (с собственными частотами ~ f ), как в опыте Франка-Герца. Поэтому, внешний электрон, отдав им энергию и потеряв скорость, уже не удерживается силой Лоренца. Он отрывается от атома, перестав вращаться и излучать, а генерируемый им сплошной спектр обрывается на границе серии f .

Тем самым, ещё один фундаментальный опыт, доказывающий будто бы, что энергия излучения и электрона в атоме квантуется, принимая лишь дискретный ряд значений, как оказалось, можно легко истолковать с классических позиций, если принять магнитную модель атома Ритца. Энергия электрона в атоме меняется непрерывно, а мнимая дискретность вызвана связью частоты колебаний электрона и его энергии, а, также, — дискретным рядом частот, которые может излучать атом из-за дискретного распределения в нём узловых электронов. Возможно, поэтому многие учебники избегают упоминаний о резонансных потенциалах, наводящих на мысль о резонансе частот, и говорят о них как о критических потенциалах или потенциалах возбуждения.

Лазеры стали важнейшей составляющей современной науки, техники и быта. Поэтому особенно обидно, что эти генераторы света, вопреки идеям их создателей, называют квантовыми генераторами, а саму лазерную физику — квантовой электроникой. На деле, лазерное излучение, как видели (§ 4.5), не стоит связывать с квантами и фотонами, ведь лазер — это просто высокодобротный оптический резонатор и усилитель, который избирательно усиливает одни волны и гасит другие, подобно акустическому, выделяя заданные частоты и фазы колебаний. Происходит, по сути, такая же, как в опыте Франка-Герца, перекачка энергии, запасённой во внешних электронах атома, частота колебаний которых не фиксирована и превышает основную частоту f, — к узловым, внутренним электронам, колеблющимся и излучающим на этой стандартной частоте f. Именно это и позволяет трансформировать разные виды энергий накачки — в когерентный свет, с его жёстко заданной фазой и частотой. А стандарт этой частоты задан отнюдь не квантами и дискретными значениями энергии атома, а кристально чёткой пространственной структурой атома, с твёрдым масштабом расстояний и констант радиуса r 0, магнитного момента и заряда eэлектрона (§ 3.1).

Лазер — это чисто классический прибор, в котором происходит нелинейное взаимодействие электромагнитных волн и колебаний атомных электронов. За счёт этого, энергия электронов, вибрирующих с разными частотами и фазами, и преобразуется в энергию колебаний электронов на стандартной частоте fлазерного излучения. Этот процесс уже давно описан в классической, хоть и нелинейной теории колебаний [103], а фотонами и квантами здесь, как говорится, "и не пахло". Сначала оптическое излучение накачки (скажем, от лампы-вспышки) возбуждает колебания внешних и внутренних электронов атома на множестве собственных частот, причём на некоторой частоте fколебания возбуждаются особенно эффективно. Электроны, вибрирующие с частотой f, теряют энергию медленней, чем получают её от взаимодействия с другими электронами и излучёнными ими волнами. Поэтому, при некоторой интенсивности излучения, превышающей пороговую, колебания электронов на частоте fбудут усиливаться, за счёт энергии всех прочих колебаний, переходящей в энергию колебаний и излучения на основной частоте f.

Как следует из соотношений Мэнли-Роу [103], такая перекачка энергии эффективна лишь в случае, если высокочастотное излучение преобразуется в низкочастотное. Вот почему, излучение накачки обязательно должно иметь частоту f p— большую, чем частота fизлучения лазера, хотя здесь играет роль и постепенное расширение витков орбиты внешних электронов, передающих свою энергию узловому электрону, при снижении частоты их колебаний с f pдо f. То есть, здесь ни при чём обычное объяснение, по которому энергия кванта излучения лазера E=hfне может быть больше энергии кванта накачки E p=hf p. Совершенно излишне здесь и представление об инверсии населённостей уровней атома, ибо порог генерации задаётся балансом скорости притока и оттока энергии основных колебаний электронов на частоте f. Так что, "квантовые" генераторы и усилители работают исключительно по классическим принципам теории колебаний и волн, не требуя квантовых. В некоторых типах лазеров, например в полупроводниковых, газовых и некоторых других, механизм перекачки энергии может иметь и более сложный, но, всё равно, — классический характер. В этих случаях, генерация лазерного излучения может идти примерно так. При накачке (скажем электрическим разрядом) атомы, а, точнее, — их внешние электроны, набирают энергию. Одновременно возбуждаются и внутренние электроны в узлах, которые генерируют пока ещё некогерентное, но уже имеющее стандартную частоту fизлучение (могут присутствовать и другие частоты спектра, которые усиливаются и излучаются гораздо хуже).

Это излучение, проходя сквозь атомы, заставляет их, по спусковому механизму фотоэффекта, выбрасывать те внешние электроны, что крутятся с той же частотой f(в отличие от внутренних электронов, они излучают очень слабо, поскольку имеют гораздо меньшие значения скоростей и ускорений, § 3.2). Тогда, атом испытывает отдачу, отчего происходит взбалтывание его узловых электронов, особенно электронов с частотой собственных колебаний f, так же как в опыте Франка-Герца. Поэтому, они сами начинают генерировать излучение f, причём, — в той же фазе, что и падающий свет, поскольку их колебания запущены синхронным с падающей волной внешним электроном (Рис. 160). Его рывок-отдача не только запускает колебания внутреннего электрона, но и синхронизует их с падающим светом.

Таким образом, запальное излучение будет лавинно нарастать, за счёт энергии внешних электронов. Спустя время те восполнят утерянную при вылете энергию, за счёт устройства накачки, затем поглотятся атомами и снова будут испущены при падении волны. Итак, каждый акт усиления начального излучения связан с выбросом и захватом электрона. Недаром, наибольшим КПД и распространением обладают разработанные отечественными физиками Г. Алфёровым и Н.Г. Басовым полупроводниковые лазеры (те, что стоят в СD- и DVD-устройствах), где инжекционная генерация света напрямую связана с внутренним фотоэффектом. Это доказывает тесную связь лазерного излучения с прямым и обратным фотоэффектом — с элементарными актами испускания-поглощения электронов и света атомами среды. Не зря, и сам фотоэффект Планк уподоблял взрывному, лавинному процессу, где свет лишь высвобождает запасённую энергию, служа спусковым механизмом лавины (§ 4.3). Вообще, лазер стали применять в качестве оружия отчасти потому, что его работу издавна иллюстрируют с помощью баллистической аналогии. В лазере атомы сначала запасают энергию, как запасает её тетива лука, арбалета, баллисты, или заряд пороха в ружье, а после энергия взрывообразно высвобождается спусковым крючком, которым в лазере служит сам свет.