ЧЕМУ РАВНА МАКСИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА? Канарёв Ф.М. Анонс.
advertisement
ЧЕМУ РАВНА МАКСИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА? Канарёв Ф.М. Анонс. Закон Вина точно определяет радиус фотонов, совокупность которых формирует максимум температуры в закрытой полости абсолютного чёрного тела. Этот же закон точно рассчитывает радиусы фотонов, совокупность которых формирует максимальную температуру Вселенной [1]. Закон излучения чёрного тела (рис. 1, а) открыл Макс Планк. Плотность этого излучения связана с радиусами фотонов, формирующих его, такой зависимостью (рис. 1, b) [1]. 8 2 h . C 3 e h / kT 1 (1) Оказалось, что с уменьшением максимума температуры в полости чёрного тела (рис. 1, а), радиус фотонов, совокупность которых формируют эту температуру, увеличивается. Закон этого увеличения описывает формула Вина. Например, максимум температуры 2000 0 С (рис. 1, b) формирует совокупность фотонов с радиусами r2000 C' 2,898 10 3 1,274877 10 6 м . T1 273,16 2000 (2) Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона и у нас сразу возникает возражение. Опыт подсказывает нам, что температуру 2000 0 С формируют видимые фотоны светового диапазона. Такая точка зрения - яркий пример ошибочности наших интуитивных представлений. Поясним её суть на следующем примере. Рис. 1. Экспериментальные зависимости излучения абсолютно чёрного тела и Вселенной Солнечный морозный зимний день с температурой минус 30 град. Цельсия с хрустящим снегом под ногами. Обилие солнечного света формирует у нас иллюзию максимального количества световых фотонов, окружающих нас, и мы готовы уверенно констатировать, что находимся в среде фотонов со средней длиной волны (точнее теперь со средним радиусом) светового фотона r 5,0 10 7 м (табл. 1). Таблица 1. Диапазоны изменения радиусов r (длин волн ) и масс m фотонных 2 излучений Радиусы (длины волн), r , м 3 10 6...3 10 4 0,7 10 48...0,7 10 46 2. Радио 3 10 4...3 10 1 0,7 10 46...0,7 10 41 3. Микроволновый 3 10 1...3 10 4 0,7 10 41...0,7 10 38 4. Реликтовый r 1 10 3 2,2 10 39 5. Инфракрасный 3 10 4...7,7 10 7 0,7 10 38...0,3 10 35 7,7 10 7...3,8 10 7 0,3 10 35...0,6 10 35 7. Ультрафиолетовый 3,8 10 7...3 10 9 0,6 10 35...0,7 10 33 8. Рентгеновский 9. Гамма диапазон 3 10 9...3 10 12 3 10 12...3 10 18 0,7 10 33...0,7 10 30 Диапазоны 1. Низкочастотный 6. Световой Массы m , кг 0,7 10 30...0,7 10 24 Но закон Вина поправляет нас, доказывая, что мы находимся в среде фотонов, максимальная совокупность которых имеет радиусы (длины волн), равные (табл. 1). r30 C ' 2,898 10 3 1,1918 10 5 ì . T 273,16 30 (3) Как видите, наша интуитивная ошибка более двух порядков. В яркий солнечный зимний день при морозе минус 30 градусов мы находимся в среде с максимальным количеством не световых, а инфракрасных фотонов с длинами волн (или радиусами) 1,2 10 5 м . Температуру 20 град. формирует совокупность фотонов с радиусами r 20 C ' 2,898 10 30 9,885 10 6 ì T 273,16 20 (4) Это также фотоны инфракрасного (невидимого диапазона), но они ближе к световому диапазону (табл. 1). Попутно отметим, что длины волн (радиусы) фотонов изменяются в интервале 18 порядков [1]. Самые большие радиусы ( r 0,056 м ) имеют фотоны реликтового диапазона (табл.1), формирующие минимально возможную температуру вблизи абсолютного нуля, а самые маленькие ( r 1 10 18 м ) - гамма фотоны (табл. 1) вообще не формируют никакую температуру. Представленная информация убеждает нас в справедливости формулы Вина (2, 3) и мы можем найти радиусы фотонов, совокупность которых формирует второй максимум температуры 1500 0 С в полости абсолютно чёрного тела (рис. 1, а и b). r1500 C' 2,898 10 3 1,63437 10 6 м . T1 273,16 1500 (5) Как видно (3 и 4), с уменьшением температуры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, увеличиваются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы, и мы сейчас убедимся в этом. Считалось, что формула Вина справедлива только для замкнутых систем (рис. 1, а). Однако, мы сейчас увидим, что она идеально описывает не только излучение абсолют- 3 но черного тела (рис. 1, а), как замкнутой системы, но и Вселенной – абсолютно незамкнутой системы (рис. 1, с). Максимум излучения Вселенной зафиксирован экспериментально при температуре T 2,726 K (рис. 1, с, точка А) и имеет длину волны 2,726 1,063 мм. . Формула Вина даёт такой же результат C ' 2,898 10 3 (6) 2,726 r2,726 1,063 ìì . T 2,726 Это яркое доказательство того, что закон Вина справедлив не только для замкнутых систем, таких, как абсолютно чёрное тело (рис. 1, а), но для абсолютно незамкнутых, таких, как Вселенная (рис. 1, с). Согласно закону Вина радиусы фотонов (длины волн), совокупность которых формирует температуру, обратно пропорциональны величине температуры. Чем больше температура, тем меньше радиусы фотонов, совокупность которых формирует её. Известна теперь и причина существования минимальной температуры, близкой к абсолютному нулю. Она обусловлена предельной, максимально возможной величиной радиусов фотонов, совокупность которых формирует эту температуру. Для формирования температуры меньше абсолютного нуля в Природе нет фотонов [1]. Мы - перед вполне естественным следующим вопросом: чему равна максимально возможная температура и совокупность каких фотонов формирует её? Современная наука не имеет точного ответа на этот вопрос, поэтому попытка найти его - дело не простое. Известно, что спектр излучения Солнца в инфракрасной и видимой областях спектра близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой Т=6000 К. Эти данные позволяют нам вычислить радиусы фотонов, формирующих температуру на поверхности Солнца. Они равны C ' 2,898 10 3 r 4,83 10 7 ì (7) T 6000 Это фотоны середины светового диапазона (зелёные фотоны). Средняя величина температуры на поверхности Солнца, равная 6000 К, свидетельствует о том, что её формируют не самые энергоёмкие световые фотоны, радиусы (длины волн) которых равны r 3,8 10 7 ì и у нас возникает желание знать температуру, которую сформируют эти фотоны. Она равна T C ' / r 2,898 10 3 / 3,80 10 7 7626K . Это не так много, но достаточно чтобы плавился самый тугоплавкий металл вольфрам. Его температура плавления равна Т=3382 С, а кипения – Т=6000 С. Процесс кипения вольфрама легко наблюдать при плазменном электролизе воды в ячейке из оргстекла (рис. 2). При увеличении расхода раствора на острие вольфрамового катода повышается температура и ясно видно, как меняется цвет острия катода, а потом начинают отделяться капли вольфрама от его конца и при максимальной подаче раствора видно, как эти капли кипят, что соответствует температуре Т=6000 С. 4 Рис. 2. Плазмоэлектролитическая ячейка из оргстекла Конечно, если закон Вина работает в реликтовом, инфракрасном и световом диапазонах, то он должен работать в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапазонах (табл. 1). Попытаемся проверить это. Известно, что ультрафиолетовое излучение Солнца с длиной волны 7 7 1 10 ....3,80 10 ì составляет около 9%. Примерно половина оставшейся части спектра – световое излучение с длинами волн 3,80 10 7....7,70 10 7 ì и инфракрасное, которое формируют фотоны с длинами волн 7,70 10 7....5,00 10 6 ì А что если в более глубоких слоях Солнца большинство ультрафиолетовых фотонов с радиусами 10 7 ì ? Какую температуру они формируют там? Закон Вина даёт такой ответ T 2,898 10 3 / 1 10 7 28980 K Так мало! А Франк-Каменецкий утверждает, что в недрах Солнца сжатая плазма имеет температуру свыше 10 7 Ê . При этой температуре, как он полагает, идут термоядерные реакции [2]. Вполне естественно, что температуру 10 7 Ê не могут формировать световые фотоны. Закон Вина позволяет нам определить радиусы (длины волн) фотонов, совокупность которых формируют такую температуру. Они равны r 2,898 10 3 / 10 7 2,898 10 10 ì . Это фотоны средней зоны рентгеновского диапазона (табл. 1). И тут мы сразу вспоминаем рентгеноскопию. Все мы проходили её и никакого тепла не ощущали. Допустим, что нас облучали самыми молоэнергоёмкими ренгеновскими фотонами соответствующими началу рентгеновского диапазона и имеющими радиусы (длины волн) r 10 9 ì (табл. 1). В соответствии с законом Вина совокупность этих фотонов должна формировать температуру T 2,898 10 3 / 10 9 2,898 10 6 Ê . Да, в рентгенкабинетах нас облучают фотонами, которые формируют температуру более миллиона градусов, а мы не ощущаем её. Почему?????? Этот вопрос должны были задать физики тогда, когда начали использовать рентгеновские фотоны для диагностики заболеваний. Но они его не задали. В результате, мы до сих пор не знаем границу на шкале фотонных излучений, где заканчиваются фотоны, формирующие тепло и температуру и начинаются фотоны, совокупность которых не генерирует тепло и температуру в привычном для нас понимании. Да, самые мало энергоёмкие рентгеновские фотоны способны сформировать температуру около миллиона градусов, но мы никак не ощущаем этот миллион, проходя рентгеновское обследование. Это значит, что рентгеновские фотоны не являются тепловыми фотонами. Их совокупность не формирует температуру в давно установившемся нашем понимании. Изложенное показывает, что температуру на поверхности Солнца формируют процессы синтеза атомов, при которых излучаются фотоны в основном светового диапазона. Это даёт нам основание использовать самые энергоёмкие световые фотоны, которые, как нам хорошо известно, излучаются электронами атомов при синтезе атомов и молекул. Мы уже анализировали энергетический баланс ядерного реактора атомной электростанции и показали, что температуру, которая нагревает теплоноситель этой электростанции, формирует совокупность фотонов, которые излучаются электронами при синтезе новых атомов нептуния Np, плутония Pu, америция Am и кюрия Cm, но не при синтезе ядер этих химических элементов [1]. Как быть? Где искать ответ на вопрос: чему равна максимально возможная температура? Уважаемые физики, почему Вы до сих пор не обратили внимание на описанные факты? Они ставят перед нами задачу: разобраться с понятиями тепло и температура. Закон излучения абсолютно черного тела и закон Вина дают нам чёткие ответы на процесс формирования температуры. Спектр излучения Вселенной (рис. 1, с) с одной стороны ограничен фотонами, формирующими температуру от абсолютного нуля, а с другой сто- 5 роны фотонами ультрафиолетового диапазона. Следовательно, существует граница фотонов, формирующих такую температуру среды, которую мы отождествляем с теплом. Все фотоны, имеющие радиусы вращения (длины волн) меньшие, чем на этой границе, не формируют тепло в принятом нами понимании. Как же найти эту границу? Пока нам известно, что самый энергоёмкий световой фотон способен сформировать температуру 7626 К. Это не так много. Возможна ли большая температура? Из спектроскопии известно, что электроны взаимодействуют с протонами ядер атомов линейно и энергии их связи, примерно, одинаковые. С учетом этого мы можем взять энергию ионизации атома водорода. Она равна E=13,60 eV. Радиусы фотонов, имеющих такую энергию, равны hC 6,626 10 34 2,898 108 (8) r 9,120 10 8 ì . 19 E 13,60 1,602 10 Это фотоны невидимого ультрафиолетового диапазона. Совокупность этих фотонов формирует температуру T 2,898 10 3 / 0,912 10 7 31780K . Эта величина температуры больше той, что формируют самые энергоёмкие световые фотоны и у нас есть основания полагать, что она может существовать в Природе. Итак, граница между фотонами, которые формируют привычную для нас температуру, находится между ультрафиолетовым и рентгеновским диапазонами. Как найти точные параметры фотонов, которые определяют эту границу? На нашем пути преграда. Суть её в том, что при последовательном удалении электронов из атомов энергии связи остающихся электронов с протонами ядер оказываются пропорциональны энергии ионизации атома водорода умноженной на квадрат количества электронов, удалённых из атома. Обусловлено это тем, что освободившийся протон ядра начинает взаимодействовать с соседним электроном и таким образом увеличивает его энергию связи с ядром, которая оказывается равной энергии фотонов излученных при этом. Возникает вопрос: с каким количеством протонов может взаимодействовать один электрон, уменьшая свою массу и не теряя устойчивость? Нам известно, что наиболее энергоёмкие фотоны излучаются электронами водородободобных атомов. Это такие атомы, у которых остаётся один электрон на все протоны ядра. Электрон водородоподобного атома гелия имеет энергию ионизации, равную 54,41 eV. Фотоны с такой энергией находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Они имеют радиусы hC 6,626 10 34 2,898 108 (9) r 2,280 10 8 ì . 19 E 54,41 1,602 10 Это фотоны середины ультрафиолетового диапазона (табл. 1). Совокупность таких фотонов формирует температуру T 2,898 10 3 / 2,20 10 8 127200K Физический смысл этой температуры означает, что она соответствует началу формирования атома гелия. Итак, перед нами проблема определения максимально возможной температуры и мы пока не знаем, как её решить. Есть ещё одно направление поиска. Если фотоны излучает электрон, то он не может излучить фотон больший своей массы или полной энергии, которая равна энергии такого фотона, который образуется при превращении электрона в фотон. Она известна и равна 5,11 10 5 eV . Радиус фотона с такой энергией равен r тонов hC 6,626 10 34 2,898 108 2,427 10 12 ì . E 5,11 10 5 1,602 10 19 (10) Это рентгеновский фотон пико диапазона (табл. 1) [3]. Совокупность таких фов соответствии с законом Вина формирует температуру 6 T 2,898 10 3 / 2,427 10 12 1,195 10 9 K . Это миллиард градусов. Вряд ли это возможно, так как мы уже показали, что рентгеновские фотоны не формируют температуру, которая соответствует нашим представлениям о тепле. Это значит, что максимально возможную температуру в сложившемся у нас понимании, надо искать в процессах синтеза атомов. Возьмём для примера сотый химический элемент – Фермий. Если атом фермия станет водородоподобным, с одним электроном, то этот электрон, устанавливая связь со всеми 100 протонами ядра излучит фотон с энергией, равной произведению энергии ионизации атома водорода на квадрат номера химического элемента. E 13,60 100 100 136000eV . Радиус этого фотона будет равен hC 6,626 10 34 2,898 108 r 9,10 10 10 ì . 4 19 E 13,60 10 1,602 10 (11) Это фотон рентгеновского диапазона (табл. 1), который, как мы уже установили, не генерирует тепло в принятом у нас понимании. А что если электрон излучит фотон, масса которого будет равна его массе. Такое явление зафиксировано. При взаимодействии электрона с позитроном рождаются два фотона. Энергия такого фотона известна и равна 5,11 10 5 eV , а его радиус r hC 6,626 10 34 2,898 108 2,346 10 12 ì . E 5,11 10 5 1,602 10 19 (12) . Этот фотон на границе между рентгеновским диапазоном и гамма диапазоном (табл. 1). Вполне естественно, что описанное событие не может произойти, так как существует предел уменьшения массы электрона, после которого он должен терять устойчивость и растворятся в эфире. Существует возможность найти эту величину экспериментально. Она следует из максимально возможного номера атома химического элемента, способного превратиться в водородоподобный атом. Астрофизики считают, что звёзды спектрального класса W имеют температуру 80000К. В соответствии с законом Вина, её формирует совокупность фотонов с радиусами r C ' 2,898 10 3 3,622 10 8 ì T 80000 (13) Это фотоны середины ультрафиолетового диапазона (табл. 1). Они – главные кандидаты на формирование максимальной температуры, формирующей тепло в нашем понимании. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изложенная информация показывает, что максимальную температуру формирует совокупность фотонов ультрафиолетового диапазона, но точный радиус фотонов, совокупность которых формирует максимальную температуру, генерирующую тепло в установившемся у нас понимании, ещё не найден. ЛИТЕРАТУРА 1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. 15-е издание. http://www.micro-world.su/ 2. Франк - Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества. 4-е издание. М. «Атомиздат». 1975. 157с. 3. Рамнуэль П.Р. Небо в рентгеновских лучах. М. «Наука». 1984. 221 с.
