В.В.Мантуров

О  РАЗМЕРЕ ФОТОНОВ

      Показано, что говорить о размере фотона резонно только тогда, когда фотон представляют тороидальным (бубликом). О том, как определить размер бублика, дискуссий не наблюдалось.  Оказалось, однако (неожиданным для автора с сентября-октября 2012г), что фотоны, возникающие при сходе волн де Бройля, например, со свободного электрона - их родителя и носителя, по энергоемкости на два-три порядка выше тех фотонов, которые высвечиваются в спектрах в результате излучении электроном возбужденного атома (в частности) водорода. Похоже, так было задумано?

 Ответ на вопрос, каков размер фотона, и прост и не очень. Начнем с того, что для волн радиочастотного диапазона речь о размере фотона бессодержательна.

Во-первых, фотон как электромагнитная по природе волна и такой же природы радиоволна отличаются друг от друга не только длинами и, соответственно, частотами и обретенными ими энергиями, но также и структурой, обусловленной физическим механизмом возникновения [2],[4].

В самом деле, излучения радиоволнового диапазона возникают при разрядах тока между двумя электродами разрядника (линейные молнии относятся к безэлектродным). И распространяются радиально в стороны от оси вибратора Герца, разрядника или осциллятора. Всё множество плоскостей поляризации таких радиоволн определяется направлением оси разрядника, «память» о которой они сохраняют.

Во-вторых, распространяясь в пространстве, они, радиоволны, приобретают как бы сферическую форму. Хотя на самом деле они «рождаются» также бубликами. (Всё это похоже на то, как изменяется форма воздушного шарика от первоначальной, исходной, когда его надувают или накачивают.) В отличие от воздушного шарика, размер радиоволновых бубликов, трансформирующихся в почти сферу, растет со скоростью света, причем безгранично. Поэтому их «теоретически» представляют плоскими монохроматическими.

 Что касается фотонов не более сантиметровых длин волн, то они, и, прежде всего, и навсегда – бублики, тороиды постоянного размера. Так как в размере фотона заложена длина его электромагнитной волны, следовательно, и частоты.  И так как фотон – это волна де Бройля, покинутая электроном (заряженной частицей) или покинувшая его [2],[4]. А волна де Бройля (ВДБ) возникает, рождается с началом движения заряженной частицы. Она, ВДБ, формируется в виде тороида (бублика), в дырке которого находится заряженная частица, электрон - ее родитель и носитель. ВДБ «сидит» на электроне, сопровождая его в движении. И лишь когда ВДБ и ее родитель и носитель покидают друг друга, то их продолжением  становится фотон, который наследует направление движения и электрона и ВДБ. Таким образом, мы видим, что в отличие от радиоволн, в возникновении и ВДБ и фотона никакой, ни простой, ни самый гениально придуманный осциллятор абсолютно никакого участия не принимает. Природа поступила просто, прагматично и рационально: она не стала снабжать осциллятором каждый фотон.  Она ограничилась тем, что  каждая ВДБ и каждый фотон самодостаточны: обладают однозначной длиной волны. Отсюда и однозначный размер фотона.  Поэтому их не надо снабжать осцилляторами. Ведь это только человеку потребовалось знать еще и частоту фотона. Так пусть он ее и вычисляет, поскольку длина и частота волны связаны однозначно через скорость света. Таким образом, второе и существенное отличие ВДБ и фотонов от родственных им по природе радиоволн состоит в том, что фотоны и ВДБ в осцилляторах не нуждаются.

Так думалось до последнего времени и думалось правильно, но не во всех случаях, как оказалось, этим Природа и ограничилась (см. ниже).

В-третьих. Фотоны и ВДБ не только не распространяются радиально, но сохраняют свой размер в течение всего времени преодоления вселенских расстояний. Это обусловлено тем, что в их «устройстве» Природой заложен стягивающий механизм, эффект «обруча». Этот эффект не был известен физикам, как и то, что основой этого стягивающего эффекта является своего рода «стержень» (четвертое отличие) в виде кванта магнитного потока.Магнитное поле в нем исчисляется тысячами Тесла (напомним: П.Л.Капице удалось с помощью взрыва достичь около  50  Тесла).

 Именно этими особенностями (есть и другие) фотон и похож на корпускулу, как бы на частицу. Выходит, что такое образование электромагнитной волны в виде бублика с таким квантом магнитного потока – это ни что иное, как частица. И все-таки это не частица, а волна в виде тороидального солитона, в основе которого всегда содержится один квант магнитного потока, заключенный (стянутый) множеством поверхностных циркуляций векторного потенциала. Поэтому и магнитное, и электрическое поле и ВДБ, и фотона всегда перпендикулярны друг другу что подтверждает электродинамику Максвелла.Более полно различия между ВДБ и фотонами, с одной стороны, и волнами радиодиапазона, с другой стороны, показаны в [2],[4].  

 Все солитоны в большей или меньшей (цунами) степени похожи на корпускулы. Среда, из которой они изваяны, не истекает из их объема, а сохраняется. Это еще одно отличие. Посмотрите на кольца дыма, выдыхаемых искусным курильщиком, или исторгаемых из ящика Вуда, или из жерла вулкана Этна.

 Отступление. И может быть, только в «теле» цунами, распространяющемся радиально от места возникновения [7],  масса (объем) обретенной воды, хотя теоретически и сохраняется, но зато вследствие изменения  размера (2πR, где R – расстояние от источника образования цунами) уменьшается, худеет толщина «бублика». Цунами в декабре 2004 года был рожден длинным (больше 100 км) линейным разломом и потому обрушил свою, не успевшую «похудеть» толщину линейной части «бублика», а, следовательно, и всю почти первоначальную разрушительную мощь на густо населенные берега Индонезии. Оно, цунами, и двигалось в виде почти прямого отрезка «бублика», и не теряло своей энергии, распространяясь на километры вглубь берега, суши, и наносило разрушающие удары, как жесткий и упругий резиновый вал, сохраняющий в значительной степени в силу линейности диаметр-толщину бублика.

Фотон движется или распространяется плашмя (перпендикулярно) к вектору своей скорости, т.е. вдоль оси тороида. А радиоволны, напомним, - радиально от оси разрядника. Фотон – квант энергии и квант магнитного потока, стянутого множеством циркуляций векторного потенциала к виду тороида-бублика, - это корпускулярный соленоид с четко сформированной геометрией, а, следовательно, и размером. Сразу же заявим, размер тороидального фотона представляет собою сумму двух поперечных толщин тела бублика плюс диаметр дырки, оставшейся от электрона. ВДБ не может быть без дырки и электрона в ней, так как сначала был электрон (заряженная частица). Который (заряд) начал двигаться или уже двигался.

Согласно установленному автором этих строк соотношению (корпускулярно-волновой связи) [2],[4],

                                                   A = (mc/e) v        (1)

 и ранее де Бройлем полученной длины волны его имени,

                                                λ = (h/mv),             (2)

 имеем (ниже формулы пишутся без символов векторов)

                                                λA = (hc/e)           (3)

или

                                               λ = (hc/eA),            (4)

 но в [2],[4]  установлено из (1) и соотношение   mcv = eA = E = hν

                                                eA = hν,                (5)

поэтому

                                               λ  =  hc/(hν),             (6)

 где (hν) –квант энергии фотона. Раскрывать скобки в (6) не следует: здесь заложен необходимый для вычислений критерий - квант энергии фотона или ВДБ. Ведь речь идет о том, каков размер фотона, энергия которого задана (hν).  Осталось чистая арифметика.  Размер  Z  фотона и ВДБ  равен

                                Z  =  4(λ/2π) + диаметр дырки    (6Z)

Приведем несколько примеров.

Пример № 1.  Какова длина волны де Бройля и фотона гамма-кванта величиной 511000 эВ? Такие два гамма-кванта излучаются при так называемой аннигиляции электрона и позитрона.  На самом деле происходит самая настоящая рекомбинация двух разноименных зарядов-ионов причем с сохранением самих материальных частиц, как и в рекомбинациях атомарных и молекулярных ионов. От того, что они в единственном числе и по размеру и по массе на пять и более порядков меньше, они не лишаются ионного статуса.  Он не утрачивается, он сохраняется.

Теперь воспользуемся полученной нами формулой (6). Но чтобы не мучиться с числовыми вычислениями, учтем, что по Эйнштейну вся масса электрона (позитрона) при аннигиляции якобы «превращается» в энергию, в заданный нами гамма-квант 0,511 МэВ, т.е.  0,511 МэВ = m_ec². Подставим в знаменатель (6) именно правую часть (m_ec²)  этого числового значения.  Получим  комптоновскую длину волны электрона [1]

                               λ_e = h/m_еc = 2,426 310 58* 10^-10см       (7)

 Но это ведь и есть волна де БРОЙЛЯ, а, значит, и фотона. А заодно и их размер (6Z).

 Мы пришли к противоречию.В самом деле, известно [2],[3],[4] ведь, что при т.н. аннигиляции электрон и позитрон сталкиваются и образуют диполь-гантельку (е+е-), размер которой известен  в виде удвоенного классического радиуса электрона [1]

                                                                       r_e = e²/mc²          (8)

 И это - наименьшее расстояние, до которого сближаются при столкновении (рекомбинации) и остаются в этом прижатом состоянии электрон и позитрон [2],[3],[4]. Они как бы прильнули друг к другу.

                                          r_e = α²a_o = 2,817 940 92 *10^-13см,     (9)

 где а₀ =0,529 177 249*10^-8 см – Боровский радиус, это радиус ближайшей к ядру орбиты.

Сравнение (7) и (9) показывает, что они различаются на три порядка. А ведь в обоих случаях речь идет о рекомбинации электрона и позитрона.  

В чем дело? Дело в том, что электрон и позитрон при столкновении (аннигиляции) не превращаются в энергию в виде двух гамма-квантов по 0,511 МэВ, которые при этом действительно излучаются, а образуют дипольку в виде гантельки (е+е-) с зарядами, разъединенными расстоянием (8) и (9). И она «ныряет» в море Дирака и становится одним из узлов бесконечной решетки «темной материи»[2],[3].  Для того чтобы массы электрона и позитрона не превращались в энергию, у этой пары (в «бесконечном» удалении друг от друга) достаточно (точно столько, сколько нужно) кулоновской энергии, о чем и свидетельствует (8). 

А в (7) приведена длина волн де Бройля и фотонов, превратившихся в гамма-кванты по 0,511МэВ. Таким образом, (9) – это размер частиц, электрона и позитрона, и дырки, которую они образуют в ВДБ и оставляют, покидая её, а (7) – длина их волн де Бройля и, соответственно, фотонов.

 Интересно, а какова скорость электрона в момент столкновения с позитроном,т.е. в момент их, так называемой аннигиляции?  Как известно, импульс фотона, гамма-кванта определяется по формуле

                                                       m_ev = E/c           (*)

Энергия нам известна:  Е = 0,511 МэВ = m_ec²    Подставим в (*) и получим   v = c. Подчеркнем:  V = C.   Электрон достиг скорости света, и его масса никак не возросла. И это подтверждается излучениями именно таких (точно 0,511 МэВ) по величине гамма-квантов  многими вселенскими светилами в галактиках. Без отклонений.

 Пример № 2. Известно ведь, что заряд протона таков же, как и позитрона.  Возникает мысль, что комптоновская длина электрона(а это размер ВДБ) как бы соответствует такому энергетическому уровню орбитального электрона, как если бы он, падая на ядро водорода, обрел орбиту радиуса (7). Поставим ей в соответствие  n = 0.

Сейчас принято считать, что главное квантовое число представляет собою последовательность целых чисел  n = 1,2.3,4,5,. Мы, следовательно, и не подразумевали, что теоретически  существует и  n = 0. И это очень важно!!! Для  сторонников идеи о гидрино.

  Но электрон в атоме водорода не падает на ядро, на протон, не происходит захват электрона ядром. Почему? Да потому что Природа не могла позволить атомам водорода «аннигилировать» так же, как в выше рассмотренном случае. Атомы водорода, точнее, их ядра-протоны – строительный материал, кирпичики, из которых Природа соорудила и сооружает всё более и более сложные элементы периодической системы Менделеева. Протоны не имеют права превращаться в (p  +  e-) = n.   Иначе не помогли бы ни Большой взрыв, ни бозоны Хиггса и ничто другое. Вселенная не  возникла бы. Вселенная существует вследствие невозможности такого исхода. Предполагается, что, видимо, по этой же причине специалисты по спектропии  так и не обнаружили в спектре водорода  линий в диапазоне от n =1 до введенной нами n = 0. Гидрино не возникает.

Темная материя  [2],[3]  выполняет свои электродинамические функции и не только. И очень возможно, что темная материя служит тоже своего рода строительным материалом для нуклонов и ядер. Из водорода с гелием состоят чуть ли не все сто процентов Вселенной. И все кружится в вихрях, горит звездными ядерными котлами, взрывается, черными дырами поглощается и вновь возрождается. И даже жизнь неведомо как возникает, эволюционирует, распространяется, достигает высоких интеллектуальных взлетов и вершин и тем самым поддерживается.  Благодаря тому, похоже, что оптический диапазон света (и сказал БОГ: ДА БУДЕТ СВЕТ!!!)  ограничен Ридбергоскими 13.6 эВ.

 Пример №3. Определим величину кванта энергии волны де Бройля электрона на основной стационарной орбите атома водорода, т.е. при n = 1. Для этого воспользуемся  формулами (4) или (5). Пусть будет (5)

                                                            hν = eA           (5a)

Без найденной нами [2],[4] формулы (1) не обойтись. Заменим в (1)  v  на  v = c/137 = αс

                                                hν = mc²/137 = αmc²     (10)

А так как числитель  справа в (10) соответствует  кванту энергии 511 000 эВ, то получим

                                                hν = (511000 /137)эВ     (10а)

Это будет (по логарифмической линейке) примерно 3730эВ.  А так как [2], [4]

                                                           A = (emc/ ћn),        (11)

То при  n = 2 уровень энергии электрона и его ВДБ понизится до примерно 1865эВ. Но тогда получается абсурд, полный абсурд!!!???  И повторимся.  В спектре излучений атома водорода нет таких энергий. Весь спектральный диапазон атома водорода, т.е. вся энергия его  ионизации составляет 

                                                       R∞ = 13,605 6981 эВ.       (12)

В чем дело?  А давайте сравним это в частотах.

Выразим  частоты (что равносильно их квантам энергии) фотонов и волн де Бройля, возникающих при сходе (покидании) ВДБ с электрона как свободно двигавшегося, так и орбитального при  n = 1. Обозначим их так: ν_λ.

                                          ν_λ = (с/λ) = (mce²/hћ) = c/2πr      (13)

Легко усмотреть, что частота равна числу оборотов электрона в секунду.

Представим таким же путем и Ридберговские частоты  ν∞

                                   ν_∞ = cR = c(me²/4πћ³c) = e²/4πћr      (14)

Отношение (13) к (14) показывает нам, что в их основах  заложены принципиально различные по величине  энергетические арсеналы

                                               (ν_λ / ν_∞) = 2.137 = 2/α          (15)

А теперь разделим (10а) на (15) и получим энергию ионизации атома водорода 13,6 эВ.

В голове это не укладывается. 

И все-таки, первый вывод таков: частоты и фотонов и ВДБ, обусловленных сходом ВДБ со свободного и находившегося в основном состоянии электрона, ее родителя и носителя (ВДБ, покинутая электроном или покинувшая его), в принципе базируются на энергетическом  арсенале, который  в  2.137 = 2/α  раз превышает энергетику фотонов спектрального диапазона атомов водорода.

Примечание. Заглянув в Интернет на страницу «Что такое фотон?» (именно оттуда и узнал, что физиков волнует вопрос, каков размер фотона), как-то наткнулся и на статью Ф.М.Конарева  «Заблуждения Нильса Бора» [5].

Ф.Конарев, как оказалось, столкнулся с этой несуразицей еще в 1993 году. Но не стал копать глубже, и поэтому не сумел, по-видимому, определить величину энергетической связи электрона, находящегося на нижней орбите   (n = 1): «Энергия связи Е₁ электрона (c ядром - ВМ, см. ниже) в момент пребывания его на первом энергетическом уровне этого атома равна энергии ионизации Е_J атома водорода, то есть Е₁ =Еj = 13,60 еV. Когда электрон поглощает фотон энергией 10,20 еV и переходит на второй энергетический уровень, энергия связи его с ядром уменьшается и становится равной 3,40 eV. Естественно, что при поглощении фотона электроном их энергии складываются, и мы обязаны записать…: 13,60 + 10,20 = 23,80 (28)».

А спектр дает 3,40 eV.  Как видим, не смог он, Конарев, справиться с алогичными балансами энергий при воздействии внешнего фотона на электрон основного энергетического уровня, и пришел в «ярость».

Опустим еще ряд его теоретических выкладок и услышим гневное: 

«Удивительный факт. Почти сто лет мы полагали, что электрон в атоме вращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Но закон формул спектра атома водорода  …(которые он вывел, а мы их опустили, так как не согласны с исходными аспектами - ВМ ) отрицает орбитальное движение  электрона. Нет в этом законе энергии, соответствующей орбитальному движению электрона, а значит, и нет у него такого движения».

Поэтому Ф.Канарев и  решил, что Нильс Бор заблуждался и тем самым причинил науке и человечеству ущерб. Что ж, видимо, за эти два десятилетия (с 1992г) многие читали его претензии к основателям  и определенных достижений науки и мировоззрения. И также удивлялись. И автор этих строк тоже, грешным делом, попал в эту ловушку. Пока иначе ее не назовешь.

В самом деле, действуя на атом основного состояния фотоном, мы действительно полагали, что энергия этого фотона добавляется к энергии электрона, находящегося в первом, основном, состоянии. А оказалось, что это не так [5]. Объяснить это можно: на этот энергетический уровень электрон попал не благодаря  энергетическим манипуляциям в зоне спектров, не только благодаря спектральным излучениям ранее возбужденного атома водорода. Он попадает туда примерно таким же путем, как попадают планеты в логово Солнца, звезд. Допустим, планета  сначала была независимой со своей кинетической энергией, а когда попала в сферу гравитации Солнца, то оказывалось, что ее, планеты, кинетической энергии недостаточно, чтобы преодолеть захватническую силу светила. И была захвачена, возможно, с некоторым избытком энергии. Так и в данном рассматриваемом случае с атомом водорода. Избыток кинетической энергии есть, но он на два порядка ниже критического.

А вот дальше одни сплошные вопросы.

Но как бы там не было, но аналогия здесь присутствует: атом водорода образуется из независимых друг от друга [2],[4] протона-ядра и электрона с сопровождающей и сидящей на нем волной де Бройля. Причем это пара, электрон и его ВДБ, уже обладали кинетической энергией, равной

 α.0,511 МэВ = ~3730 эВ

Это энергетическое состояние (уровень) электрона на орбите n = 1 недаром называют основным.  Он, основной, служит почти непреодолимой границей, разделяющей зоны с уровнями  n = 0,1  от зоны с уровнями  n = 2,3,4,…В этих зонах  принципиально различны законы формирования и существования ВДБ и фотонов. Вне спектральной зоны атома водорода кинетическая энергия электрона подчиняется закону (11), умноженному на   е.

                                                   eA = (hν) = mc(e²/ ћn) = mcv,         (16)

т.е. уменьшаются обратно пропорционально главному квантовому числу, а в спектральной зоне (n = 2,3,4,…) - по закону Ридберга, т.е. (1/n²).

 Выше было показано, насколько различны   арсеналы энергии, на основе которых  в них происходят физические процессы образования ВДБ и фотонов (в первой зоне) и образования спектров (во второй зоне). Природа как бы отделила арсенал энергетики, предназначенный для возникновения жизни и её процветания, от арсенала энергетики неживой её части.

И дальше сплошные загадки.

Если ВДБ и фотоны в основной (назовем её так для краткости) зоне  формируются в виде тороида (бублика) еще до захвата свободного электрона протоном, то о форме ВДБ и фотонов в спектральной зоне - нет оснований ни настаивать на этой аналогии, ни отрицать её. Ведь получается, что по энергиям они в  2.137 раз (15) меньше, но это значит  также, что их размеры по формуле (2) де Бройля и нашей (6) во столько раз обширнее.  Это значит, что мы достоверно не знаем, каковы формы фотонов спектрального диапазона.  Не знаем и, как в атоме происходит деление энергии и первоначального кванта магнитного потока.  Физический механизм этих метаморфоз нам не известен.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. АЛЕНИЦИН А.Г., БУТИКОВ Е.И., КОНДРАТЬЕВ А.С. Краткий физико-математический СПРАВОЧНИК, М, «Наука», 1990;

2. Мантуров В.В. От кристаллических нуклонов и ядер к разгадке распределения простых чисел  М, 2007; 

3. Мантуров В.В. Ядерные силы. Предложение разгадки,  Техника молодежи, 02, 2006;

4. Мантуров В.В. О векторном потенциале замолвим слово  http://www.vmanturov.ru/;

5. Мантуров В.В.  Парадоксы Мантурова http://www.vmanturov.ru/;

6. Канарев Ф.М.  Заблуждения Нильса Бор

03.09.12-19.04.2013