О чём говорит это изображение?

О том, что электрон создаёт вокруг себя именно в этом направлении магнитное поле?

А в рентгеновской трубке попадающие в мишень анода разогнанные до большой скорости электроны создают вокруг себя, получается, этакое взрывное «магнитное поле»? Причём с совершенно жуткой напряжённостью? Так?

Нет, не так!

Помните, я писал ранее: «Никто, почему-то, даже не допускает мысли, что в так называемом «открытом колебательном контуре», которым является «вибратор Герца», эти два поля (электрическое и магнитное), вызывая в стержнях излучателя «скин-эффект» (поверхностные скоростные электростатические токи), порождают ещё одну форму электромагнитного поля, имеющую продольное смещение, (какое имеет звуковая или ударная волна, распространяющаяся в воздухе).

Эта третья форма электромагнитного поля с продольной компонентой, порождаемая быстрыми электронами, собственно и есть излучаемая РАДИО-ВОЛНА, которую средства контроля ЭМП различают и фиксируют на фоне двух других полей обычно на некотором удалении от поверхности «диполя Герца»! Поэтому и принято говорить, что РАДИОВОЛНА ФОРМИРУЕТСЯ на расстоянии нескольких длин волн от тела «полуволнового вибратора»!

Ребята, где логика?! Радиоволна формируется сразу, непосредственно в антенне, её порождают непосред-ственно электроны, просто она маскируется двумя другими формами электромагнитного поля, очень сильными именно вблизи антенны!»

Весь фокус в том, что разработчики радиопередающих и радиоприёмных устройств видят в их работе только электрические и магнитные поля, связанные между собой в единую колебательную систему принципом электромагнитной индукции.

Причём они видят их лишь в той форме и в тех качествах, которые досконально изучены при исследовании работы любого закрытого колебательного контура или трансформатора переменного тока.

На основе расчётов этого хорошо изученного колебательного процесса собственно и строятся все радиопередатчики. И это правильно, потому что эти переменные поля (магнитное и электрическое) действи-тельно честно трудятся в любой радиопередающей антенне.

Вот только никто почему-то не понимает, что они трудятся в радиопередающей антенне особой конструкции как «мама» и «папа», желающие зачать дитя! А «дитя» в нашем случае — это радиоволна, волновой процесс, который рождается и стартует с места своего рождения только благодаря труду «мамы» и «папы», которые оба остаются на месте, то есть в антенне!

Таким образом, все расчёты учёных, разрабаты-вающих радиопередающие устройства, оказываются верны касательно работы известных полей (электричес-кого и магнитного), порождаемых в радиопередающих антеннах токами высокой частоты, поступающими в антенну из специального генератора.

Слепота же всех наших ученых-физиков состоит только в том, что они не до конца понимают, что же происходит в антенне! Они не понимают самого механизма рождения радиоволны в антенне! Они даже не осознают принципиальных различий между «закрытым колебательным контуром» и «открытым колебательным контуром»! Оттого они видят там только работу «магнитного и электрического полей», и не видят, что эти поля при посредстве электронов порождают в том же самом «электромагнитном поле» своё законо-рожденное «дитя» — радиоволну, распространяющуюся в свободном пространстве со скоростью света.

 

Упомяну сейчас известный парадокс: в передающей и приёмной антеннах происходят ассиметричные процес-сы! В передающей антенне электрическое поле и магнитное сдвинуты на 90 градусов (на четверть периода) относительно друг друга:

 

 

В приёмной антенне электрическое поле и магнитное поле синфазны друг другу:

Именно поэтому принято говорить, что при излучении радиоволна ФОРМИРУЕТСЯ на некотором отдалении от тела «полуволнового вибратора», и там колебания векторов электрического и магнитного полей у неё становятся синфазными!

Между тем этот парадокс легко объясним тем, что нельзя отождествлять то «вихревое магнитное поле», которое наблюдается вокруг замкнутых электрических цепей с постоянным или переменным током, тому переменному «магнитному полю», которое порождается в «незамкнутых цепях» электростатическими токами смещений и которое распространяется в пространстве как радиоволна, свет или как рентгеновское излучение!

Помните, когда мы рассматривали явление самоиндукции, мы пришли к выводу, что хорошо известное нам «вихревое магнитное поле», образуемое гальваническим током, представляет собой буквально истечение «промежуточной материи» из провода. И это истечение «промежуточной материи» из провода имеет форму вихря, как это верно заметил в 1820 году Ханс Эрстед, первым открывший «магнетизм электрических токов».

 

Второй важный момент: при создании в замкнутых электрических цепях «вихревого магнитного поля» так называемые «свободные электроны» движутся по проводам с очень медленной поступательной скоростью, которая составляет для постоянного тока всего несколько миллиметров в секунду. При переменном токе скорость электронов в проводах, включённых в замкнутую электрическую цепь, столь же мала, а линейное перемещение электронов вперёд-назад вдоль проводов ещё меньше — доли миллиметра. Поэтому можно считать, что, начиная своё упорядоченное движение и потом тормозясь, электроны, участвующие в образовании постоянного или переменного тока в замкнутых цепях, не испытывают больших сил инерции (по причине наличия у них массы) и потому не меняют своей геометрии (т.е. не подвергаются механической деформации).

И совсем другая картина наблюдается в том случае, когда электроны движутся с высокой скоро-стью, к примеру, от катода к аноду в рентгеновской трубке.

Во-первых, обладая массой а также вращением вокруг своей оси (спином[23]), они испытывают мощное ускорение под действием разгонного электрического напряжения в десятки киловольт. Величина скорости, которую приобретает электрон при движении в ускоряющем электрическом поле, зависит только от пройденной им разности потенциалов. Известная формула: показывает, что скорость электронов даже при сравнительно небольшой разности потенциалов получается весьма значительной, а при U = 50 киловольт, применяемом в рентгеновских аппаратах, она и вовсе достигает величины 134000 км/с. Это составляет более чем 1/3 от скорости света!

Во-вторых, в рентгеновских трубках разогнанные до огромных скоростей электроны в конце пути встречаются с мишенью анода в виде вольфрамовой или медной пластины и за миллиардные доли секунды «плющатся» о неё. Примите это как образ!

Для крохотного электрона вся поверхность металла разделена на почти прозрачные «соты» — атомы, в центре которых находятся крохотные «атомные ядра». Если электрон точно попадает в ядро атома, вот тогда он буквально превращается в «пыль», порождая при этом огромной силы так называемое «электромагнитное излучение», а если электрон задевает ядро атома по касательной, и теряет скорость за большее по продолжительности время, он порождает электро-магнитное излучение с меньшей энергией и с меньшей частотой (с большей длиной волны).

Поясню вышесказанное так. Учитывая тот факт, что у электронов есть реальная масса, следует предположить, что у электронов также имеется какой-то не равный нулю объём, который они занимают в пространстве, а их телам присуща какая-то упругость. Тогда при торможении, какой бы малой частицей электрон ни был,из-за возникающей  инерции его не равная нулю длина сокращается, а его не равная нулю ширина увеличи-вается, причём пропорционально силе торможения. Надо полагать, что особенно сильно сокращается длина электрона, а его геометрическая ширина наоборот увеличивается при его столкновении с ядром атома.

Чтобы представить, как это происходит, посмотрите, как плющится о стену и увеличивается в ширину быстро движущийся резиновый мяч для гольфа.

 

 

Надо полагать, такое расширение электронов в поперечнике (при торможении) сопровождается выходом большого количества кинетической энергии в направлении поперечного расширения электронов. Благодаря этому электрон и может порождать в рентгеновской трубке ударную электромагнитную волну с круговым фронтом, которая распространяется в направлении, перпендикулярном траектории движения электрона.

В силу того, что электрон разгоняется в рентгеновской трубке электрическим полем до около-световых скоростей, при резком торможении об анод он порождает ударную волну с гигантской энергией, сосредоточенной в малом объёме пространства, глубина которого определяется временем торможения электронов и конечной скоростью распространения в пространстве круговой ударной волны. Эта конечная скорость известна нам как «скорость света».

Поскольку эта скорость — природная константа (около 300000 км/сек, и она неизменна для «свободного пространства»), то величина энергии ударной электромагнитной волны, сосредоточенной в объёме занимаемого ей пространства, обратно пропорциональна времени торможения электронов, а с этим временем напрямую связано такое понятие как «частота излучения», даже если это всего один-единственный импульс!

Вот теперь после такой долгой вводной лекции давайте опять вернёмся к немецкому учёному Максу Планку. Он не ставил своей целью создать новую науку. «Планк решал вполне конкретную, частную задачу: теоретически исследовал излучение абсолютно чёрного тела (модели твёрдого вещества, которое в холодном виде поглощает всё падающее на него излучение, а будучи нагрето, излучает во всём диапазоне длин волн).

Теорию «чёрного» излучения пытались построить неоднократно, но все попытки оканчивались безуспешно. Уравнения, верно описывающие коротковолновую часть излучения (например, формула Вина), давала большую ошибку в области длинных волн. А формула Рэлея-Джинса, прекрасно работающая в длинноволновой области, совершенно не годилась для коротковолновой.

Пытаясь вывести общее уравнение, Планк пошёл эмпирическим путём, связывая измеренную с большой точностью зависимость величины энергии излучения от длины волны для ряда конкретных температур в одну формулу. Такую формулу ему удалось получить, но только при условии, что излучение чёрного тела происходит не непрерывно, а дискретно, порция-ми. Планк вычислил единичную порцию излучения и назвал её квантом действия, он обозначается буквой h. (В переводе с латинского «quantum» — сколько).

Свою идею Планк докладывал коллегам с ощущением, что совершает «акт отчаяния» — настолько она противоречила всем принципам классической физики. Идею кванта он рассматривал только как математи-ческий приём. Он так и писал известному американскому физику Роберту Вуду: «Это была чисто формальная гипотеза...чтобы любой ценой получился положительный результат». И даже спустя десять лет Планк призывал своего молодого российского ученика А. Ф. Иоффе «не посягать на самый свет» и «не идти дальше, чем это крайне необходимо».

Однако уже в 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею Планка для объяснения фотоэффекта. В начале XX века была обнаружена странная законо-мерность: скорость вырываемых из вещества электронов определяется только частотой падающего света и не зависит от его интенсивности. С точки зрения классической электродинамики объяснить это было трудно, но с квантовой позиции явление становилось совершенно понятным. Эйнштейн предположил, что не только испускание и поглощение света происходят порциями, но и само излучение существует только в виде отдельных объектов — квантов света …» (Статья «Квантовой механике — 100 лет»[24]).

 

Итак, проводя свои исследования, Планк прежде всего обнаружил зависимость: излучаемая нагретым телом электромагнитная энергия увеличивается пропорционально частоте излучения (или пропорцио-нально укорочению длины волны излучения).

То есть, с укорочением длины волны «электро-магнитного излучения» его энергия пропорционально увеличивается! Почему так, мы уже рассмотрели на примере работы рентгеновской трубки.

 

Давайте рассмотрим это ещё раз, но попробуем представить зависимость между энергией излучения и частотой наглядно.

Посмотрите на эти окружности с радиусами R1 и R2.

Представьте, что это две только что зародившихся волны с круговым фронтом, похожие на те, что возникают на поверхности воды, когда идёт дождь.

 

 

Наши две волны (верхний рисунок) образовались оттого, что два электрона двигались поступательно, параллельно друг другу, с одной скоростью и в одной фазе, а потом они резко затормозились. Сами электроны здесь — маленькие точки в центре каждой окружности. У меня не получилось показать графически само движение электронов, поэтому я объясню словами: оба электрона двигались в направлении от нас перпендикулярно листу бумаги, затем затормозились. В результате торможения они породили две одиночные волны с круговым фронтом. Левый малый круг с R1 (волна λ1) — указывает на то, что левый электрон затормозился быстрее правого, ну а правый круг большего размера с R2 (волна λ2) — указывает на то, что правый электрон затормозился медленнее, чем левый.

Представим, что до начала торможения электронов они двигались параллельно друг другу, а их энергии (и их поступательные скорости, соответственно) были в обоих случаях одинаковыми.

Если бы мы могли измерить плотность энергии в этих электромагнитных плоских волнах с круговым фронтом, то мы бы обнаружили, что в волне λ1 с радиусом R1 плотность энергии больше, а в волне λ2 с радиусом R2, плотность энергии меньше.

 

Давайте вникать, почему так.

Вот реальная (слева) и схематично изображённая (в центре) рентгеновская трубка, а справа от них — три разных фазы движения резинового мячика, ударяющегося о преграду. Считайте это моделью поведения электрона при торможении, который обладает массой, распределён-ной в объёме, не равном нулю.

 

 

На рисунке ниже график ускорения электронов в рентгеновской трубке на мерном отрезке (между катодом и анодом) — это длинная медленно восходящая вверх прямая линия. Нисходящая вниз прямая линия справа — это график торможения разогнанных электронов телом анода.

Чем короче время t торможения электрона, тем большую перегрузку он испытывает как «материальное тело», тем больше его деформация (укорочение в длину и расширение в поперечнике), тем меньший путь λ проходит в пространстве со скоростью света фронт ударной круговой как бы «электромагнитной волны», соответс-твенно, тем большая плотность энергии в волне W, и тем больший импульс P имеют материальные частицы, её составляющие.

Если время t торможения электрона будет больше, то, соответственно, он испытывает меньшую перегрузку как «материальное тело», его деформация (укорочение в длину и расширение в поперечнике) будет меньше, фронт ударной круговой как бы «электромагнитной волны» пройдёт в пространстве со скоростью света большее расстояние λ, ну и как результат, плотность энергии W в ударной волне будет меньше, и меньший импульс P будут иметь материальные частицы, участвующие в образовании волны.

То есть, когда мы говорим, что «энергия излучения» напрямую зависит от «частоты» v, то, прежде всего, мы должны понимать, что частота v — это обратная функция времени t действия силы (тока, напряжения, давления, напряжённости магнитного поля или чего угодно другого. Чем время t действия силы короче, тем частота v — выше.

Из вышесказанного следует простой вывод, что обнаруженная Максом Планком зависимость: «энергия излучения прямо пропорциональна частоте излучения» — это, прежде всего, характеристика излучающих свойств электрона, который, когда испытывает сначала ускорение, а потом торможение, испытывает деформацию (как в направлении движения, так и в направлении, перпенди-кулярном движению) и тем самым он порождает в окружающем его материальном пространстве волну, которую мы называем «электромагнитной» по своему неведению. (Хотя по своему происхождению она, да, электромагнитная!). И только потом уже обнаруженная Максом Планком зависимость между энергией излучения и частотой излучения является характеристикой самой «электромагнитной волны», порождённой электроном!

На примере работы всё той же рентгеновской трубки это очень наглядно видно!

Это спектр тормозного рентгеновского излучения. Ф — поток излучения, λ — длина волны.

Прочтём для начала, как описывается работа рентгеновской трубки в учебниках физики:

«Со стороны длинных волн спектр ограничен длиной волны 100 нм, которая является условной границей рентгеновского излучения. Со стороны коротких волн спектр ограничен длиной волны λ min. Согласно формуле (представлена ниже) минимальной длине волны соответствует случай Q = 0 (кинетическая энергия электрона полностью переходит в энергию кванта):

­­

Расчёты показывают, что поток (Φ) тормозного рентгеновского излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода.

Спектры тормозного рентгеновского излучения при различных напряжениях, различных температурах катода и различных веществах анода показаны ниже:

Спектр тормозного рентгеновского излучения (Φλ)

а - при различном напряжении U в трубке;

б - при различной температуре T катода;

в - при различных веществах анода отличающихся параметром Z.

При увеличении анодного напряжения (на это очень важно обратить внимание. Комментарий — А.Б.) значение λ min смещается в сторону коротких длин волн (потому что увеличивается скорость электронов и увеличивается их кинетическая энергия. Комментарий — А.Б.) Одновременно с увеличением анодного напряжения возрастает и высота спектральной кривой.

При увеличении температуры катода возрастает эмиссия электронов. Соответственно увеличивается и ток I в трубке. Высота спектральной кривой увеличи-вается, но спектральный состав излучения не изменяется.

При изменении материала анода высота спектраль-ной кривой изменяется пропорционально атомному номеру Z...» Источник [25].

 

Теперь обратите внимание на то, что все кривые, которые представлены выше и которые характеризуют работу рентгеновской трубки, ну очень похожи на кривую излучения сильно нагретого чёрного тела.

В обоих случаях мы видим, что со стороны коротких волн (слева) спектр излучений ограничен длиной волны λ min.

Исследованием излучения сильно нагретого чёрного тела, как мы знаем, успешно занимался Макс Планк, сделавший в итоге вывод, что вещество не может испускать энергию излучения иначе как конечными порциями (квантами).

Давайте выясним сейчас, чем обусловлен непрерыв-ный спектр рентгеновского излучения в широком диа-пазоне энергий на частотах от λ min до λ max?

Как мы прочли ранее, «λ min — самая короткая длина волны, излучаемая рентгеновской трубкой. Она соответствует случаю Q = 0, когда кинетическая энергия электрона полностью переходит в «энергию кванта». (То есть, разогнанный до большой скорости электрон при столкновении с непреодолимой преградой расшибается буквально в «пыль», и вся материя, из которой он состоял, вместе с запасённой в ней кинетической энергией переходит в ударную как бы «электро-магнитную волну» с круговым фронтом, распростра-няющуюся в направлении, перпендикулярном траектории движении электрона).

Случай, когда электрон превращается в «ничто», возможен только тогда, когда он попадает точно в центр ядра атома (на аноде), при этом он взрывается за миллиардные доли секунды. Этот случай и соответствует точке на графике — λ min.

В процентном отношении таких точных попаданий совсем немного, поэтому максимум потока рентгеновского излучения приходится на более длинные волны, что хорошо видно на графике выше (энергетический горб). Излучения с ещё более длинными волнами рентгеновского диапазона возникают, когда электрон, попадая в анод рентгеновской трубки, задевает ядро атома по касательной.

Сравните этот график с мишенью в тире. Среднестатистическая кучность стрельбы из нарезного ствола по мишени такая же. Горб на графике с надписью «Спектр рентгеновского излучения» соответствует области наибольшей кучности попаданий пуль в мишень (круги 5-8).

Аналог λ min на мишени тоже есть — одно попадание почти точно в десятку!

 

Примечательно, что в 99% случаев электроны не попадают в ядра атомов, летят, как говорят снайперы, «в молоко», поэтому «в молоке» анода они тормозятся гораздо медленнее, чем если бы попали в ядро атома, и соответственно, они излучают энергию не в рентгеновском диапазоне, а уже в инфракрасном диапазоне, что вызывает сильный нагрев анода рентгеновской трубки. В этой связи мощные рентгеновские трубки изготавливают с водяным охлаждением анода.

Итак, электрон, разогнанный электрическим полем до большой скорости, близкой к скорости света, при точном попадании в ядро атома химического элемента превраща-ется в «ничто», при этом материя, из которой он состоит и накопленная в ней кинетическая энергия полностью переходят в энергию «электромагнитного» излучения.

Релятивисты в этом случае говорят, что кинетическая энергия электрона полностью переходит в энергию «фотона» (эйнштейновского «кванта»), я же говорю, что энергия электрона полностью переходит в энергию ударной волны с круговым фронтом!