Итак, ясно видны очень серьёзные различия между волнами и квантами, самые главные из которых я выделил цветом. Если свойства электромагнитных волн — это классические свойства волн (правда, неизвестно в какой среде) и никаких заметных корпускулярных свойств такие волны не проявляют, то кванты — это именно частицы-волны, специально для которых был придуман тот самый знаменитый «корпускулярно-волновой дуализм», никак не укладывающийся в наш повседневный опыт.

Впрочем, нечто подобное этому дуализму может иметь место, если предположить, что кванты представляют собой замкнутые вихревые или солитонные возмущения электромагнитной среды — это может объяснить и их «безмассовость» при наличии механического импульса, и сочетание волновых и корпускулярных свойств, и строгую зависимость «энергетической ёмкости» кванта от его длины волны, а также то, как «маленькие» атомы могут порождать «большие» кванты (диаметр водоворотов, возникающих после гребка веслом, может намного превышать размер лопасти, сделавшей гребок). Возможен и другой вариант — если представить квант как некое подобие электрона в электроной оболочке атома, правда не материальное, а энергетическое — такой электрон тоже нельзя локализовать в конкретном месте, а есть лишь некоторая вероятность его нахождения в той или иной точки орбитали, но в целом размеры свободного электрона на несколько порядков меньше размеров орбитали, которая выступает как единый физический объект, — также и размеры энергетического возмущения (собственно кванта) могут быть на несколько порядков меньше, чем размеры области физического пространства, необходимые для его существования в виде кванта, а эти размеры и есть «длина волны».

И хотя пока я не готов углубляться в тему «что же такое квант на самом деле», отличия «волн» от «квантов», упомянутые в таблице, очевидны. Но если механизм взаимодействия волн с веществом, а точнее — с огромными агломерациями атомов, — представляется достаточно понятным (при излучении разность потенциалов в веществе создаёт разность напряжённостей волны, а при поглощении, наоборот, разность напряжённостей волны создаёт разность потенциалов в веществе), то во взаимодействии вещества с квантами стоит разобраться более подробно.

Влияние характеристического размера на свойства электромагнитных возмущений

Безотносительно догадок о природе квантов, лишь на основе общеизвестных экспериментальных фактов и технических применений физических эффектов, можно сказать, что характер электромагнитного возмущения — волна или квант — зависит от его частоты и жёстко связанного с ней характеристического размера, обычно называемого «длиной волны». Когда этот размер достаточно велик (от миллиметра и более), такие возбуждения имеют характер волн, когда мал (менее 10 микрометров) — это кванты. Между ними лежит пограничная область, где, судя по всему, могут формироваться как кванты, так и волны — это область субмиллиметрового и декамикронного диапазонов. Однако общедоступных сведений о свойствах электромагнитных излучений в этой области практически нет, как нет и сведений о широком применении этого диапазона в какой-либо области техники — скорее всего именно из-за неоднозначности характера воникающих возмущений, которые могут приобретать и характер волн, и характер квантов, а возможно, являются смесью и того, и другого.

Между тем ситуация, когда постепенное изменение того или иного параметра приводит к качественным изменениям поведения объектов, не является уникальной и встречается в природе сплошь и рядом. Например, при разбрызгивании воды или любой другой жидкости на вертикальную невпитывающую поверхность нельзя получить на этой поверхности капли слишком большого размера — они просто стекут вниз, превратившись в струйку. Меняя условия распыления и характер поверхности (шероховатость, смачиваемость и т.п.), можно добиться того, чтобы капли начинали стекать, достигнув бóльшего или меньшего размера. И даже при неизменных условиях распыления одни капли стекут ещё довольно маленькими, а другие успеют превзойти средний размер, но очевидно, что если начинающая стекать капля имеет средний диаметр в 1 см, то не удастся создать стабильную каплю диаметром полметра и без дополнительных внешних воздействий не удастся заставить стечь по своей воле каплю диаметром полмиллиметра. Средний размер, когда капля превращается в струйку, для одних и тех же условий будет вполне стабильным, и определяется он как свойствами среды (вертикальной поверхности), так и генератора капель (распылителя, задающего исходный размер и скорость подлетающих к поверхности брызг), а типовые отклонения от этого размера будут измеряться процентами, а не разами. В нашем примере это определяется соотношением силы смачивания, удерживающей капли и пропорциональной площади контакта, то есть квадрату размера, и весу капли, тянущему её вниз и пропорциональному массе капли, то есть кубу размера. По мере роста капли вес растёт быстрее силы удержания, и в конце концов неизбежно побеждает, — характер объекта меняется, капля становится струйкой и стекает.

Логично, что и в случае электромагнитных возмущений их характер должен определяться как свойствами их возбудителя (частота, энергия, геометрические параметры), так и свойствами, определяющими распространение этих колебаний (конечно, на языке так и вертится «свойства среды распространения электромагнитных колебаний», сиречь «свойства эфира»). Именно поэтому не получается создать кванты для излучений с длиной волны более миллиметра, как не получается и придать истинно волновой характер излучениям с характеристическим размером (также называемым «длиной волны») меньше 10 микрометров. В нашей аналогии с водой мелкие капельки не будут скатываться вниз, а крупные, наоборот, не смогут удержаться на отвесной стенке. Так и в случае электромагнитных возмущений слишком мелкие (в геометрическом смысле) колебания неизбежно «сворачиваются» в кванты, рассыпаясь на множество самостоятельных объектов, а крупные (опять же по частотно-геометрическому признаку), наоборот, сливаются в волны, объединяясь в единое физическое возмущение.

Электромагнитная природа взаимодействия квантов с веществом

Понимание общего механизма взаимодействия квантов с веществом не вызывает больших проблем. В первом приближении это вполне можно объяснить в рамках электромагнитного взаимодействия. Причём даже общая электрическая нейтральность неионизованного атома не является препятствием для такого взаимодействия — ведь его внутренние заряды хоть и скомпенсированы, но разнесены в пространстве, а такая система, как известно, вполне чувствительна к градиентам электромагнитных полей, которые кванты неизбежно порождают в силу своей электромагнитной природы (скорее всего, с этой точки зрения кванты вообще можно рассматривать как достаточно сильные локальные нано-аномалии электромагнитного поля).

В плотном веществе свойства распространения электромагнитных возмущений существенно изменяются. Это признаёт и официальная наука, говоря об изменении скорости света и длины волны на границе между вакуумом и веществом. Однако гораздо более важны различия механизмов взаимодействия — с поглощением и излучением квантов или без такового (отражение и прозрачное пропускание).

Но детали физического излучения или поглощения квантов до сих пор неясны, и главная загадка — это уже упомянутое выше гигантское превышение «размеров» квантов над размерами поглощающих и порождающих их материальных объектов — атомов и их составляющих, в том числе одиночных. Существуют разные предположения, вроде тех, что уже высказывались выше, но это не более чем умозрительные заключения. И всё же мне представляется возможным максимально абстрагироваться от неизвестных нам деталей и, тем не менее, получить некоторые результаты, пригодные для дальнейшего использования.

Поглощение квантов

Попробуем представить себе идеально невозбуждённое вещество (скажем, кристалл, находящийся при температуре абсолютного нуля или очень-очень близкой к ней) и посмотрим, что будет, если на его поверхность попадёт квант. При этом кванты разных энергий будут взаимодействовать с веществом по-разному — одни с группами атомов, а другие с атомами как с отдельными объектами.

Восприятие кванта одним атомом

Допустим, что квант был захвачен одним атомом. Что произойдёт в таком случае? Часть энергии кванта может уйти на внутреннее возбуждение атома, а остальное перейдёт в кинетическую форму в виде полученного атомом механического импульса. Неким механическим аналогом этого будет неупругое соударение со слипанием (например, двух пластилиновых шариков), когда часть энергии идёт на неупругую деформацию и с механической точки зрения «теряется», а часть останется в кинетической форме и обеспечивает остаточное движение слипшихся объектов (это движение будет наблюдаться всегда в той системе отсчёта, в которой один из участников столкновения был изначально неподвижен; в нашем случае такую систему отсчёта логично связать с кристаллом, а следовательно атом, принявший квант, изначально находился в покое).

Если бы атом был сам по себе, то после получения импульса он бы начал дрейф в направлении движения кванта. Однако в веществе он тесно зажат соседями, и потому тут же передаст полученный импульс им, а те — своим соседям. В результате от места поглощения кванта в веществе начнёт распространяться волна механического возмущения, сопровождаемого в силу пространственного разнесения зарядов в атомах и возмущением электромагнитным.

Восприятие кванта группой атомов

Теперь предположим, что квант оказался «большим» (в самом прямом геометрическом смысле этого слова) и одновременно воздействовал не на один атом, а на целую группу соседних атомов. В этом случае вся группа приходит в движение — менее интенсивное, чем если бы вся энергия кванта досталась бы одному атому (при условии, что вся энергия останется в механической форме а не перейдёт частично во внутреннее возбуждение атома). Зато в это движение вовлечены сразу несколько атомов, причём вовлечены синхронно-согласовано, так как причиной всех их движений был один и тот же квант. И в этом случае они также будут вынуждены поделиться своими импульсами с соседями, в результате снова от места поглощения кванта по кристаллу пойдёт механическая волна, хотя, возможно, и немного другой формы, чем в случае поглощения кванта одним атомом.

Волны возмущений (фононы)

Итак, в любом случае поглощение кванта веществом вызвает в веществе волну механического возмущения, которая начинает распространяться внутри него. При этом в зависимости от частоты этой волны и внутренних свойств вещества она может иметь характер классической волны, распространяющейся по всему объёму с соответствующим перераспределением энергии, или вообще не пойти вглубь вещества. В результате мы получим различные характеры взаимодействия вещества с излучением — поглощение или отражение. Механизм прозрачности несколько другой и вряд ли связан с прямым образованием механических возмущений в веществе.

Кроме того, следует отметить сложный характер распространения волн возмущений от множества источников, а также при их переотражениях внутри вещества. В этих случаях неизбежно возникает сложная интерференционная картина колебаний с точками, где энергия колебаний от разных источников складывается и локально возрастает (пучности), и точками, где она взаимно компенсируется и локально падает (узлы). При этом положение этих точек всё время меняется из-за случайного характера исходных возмущений.

Не следует понимать тепловые механические волны в веществе как преимущественно кинетические процессы, подобные волнению моря. Наоборот, в твёрдых веществах из-за мощного взаимного притяжения молекул их следует рассматривать прежде всего как потенциальные волны напряжений межмолекулярных и межатомных связей при относительно слабой кинетической составляющей. В некоторых областях физики, главным образом в физике твёрдого тела, такие тепловые микровозбуждения иногда представляют в виде псевдочастиц, называемых «фононами». Подобное представление позволяет удобно и математически лаконично описать различные процессы, однако оно может сыграть злую шутку. При активной работе с подобными «частицами» велик риск забыть, что они лишь абстракция, квазичастицы, и можно начать относиться к ним как к реальным объектам, — а это, как любое излишнее абстрагирование, часто ведёт к выводам, не имеющим отношения к реальности. Поэтому я всячески стараюсь избегать слова «фононы» и использовать вместо него понятие «тепловые возмущения», более точно отражающее физическую суть явления.

И последний момент. Хотя суть «тепловых возмущений» и «звуковых волн» одна и та же, — и те, и другие представляют собой механические возмущения в толще вещества, — свойства их весьма различны. Звук, как известно, распространяется в веществе со скоростью звука, а вот скорость распространения тепла на несколько порядков меньше. Дело в том, что звуковая волна воздействует сразу на всю поверхность вещества, а амплитуда колебаний и длина волны превышают межатомные расстояния на много порядков. Тепловые же воздействия носят точечный характер, а их амплитуда вполне сравнима с межатомными расстояниями, а то и составляет малые доли от них. Не удивительно, что такие возмущения по мере распространения быстро теряют свою амплитуду, а малые амплитуды вызывают существенно меньшие воздействия на соседей (пропорционально как минимум 2-й, а то и 6-й степени уменьшения амплитуды). Поэтому одиночное возмущение далеко не распространяется (однако и не исчезает — «сдвинутые» с оптимальных позиций атомы стремятся вернутся обратно, снова «собирая» рассеянный импульс примерно в том же месте, где он возник изначально). В результате для заметного разогрева более-менее осязаемого объёма вещества требуется длительная «накачка» такими мизерными импульсами, что занимает немало времени. Кстати, подобные различия весьма напоминают ситуацию с электромагнитными волнами и квантами, только тут среда распространения возмущений абсолютно очевидна — это атомы вещества.

Поглощение квантов в газах

Поглощение квантов в газах по сравнению с плотными веществами затруднено, за исключением квантов, которые атомы газа могут воспринять непосредственно, без взаимодействия с соседями. Именно этим объясняется высокая прозрачность практически всех газов для очень широких диапазонов электромагнитных излучений. Дело в том, что в плотных веществах атомы всегда упакованы тесно и потому есть много шансов, что они образуют конфигурации, способные эффективно воспринять кванты почти любого «размера» и энергии. В газах расстояния между молекулами в сотни и тысячи раз превышают межатомные промежутки в плотных агрегатных состояниях, и потому получить такие конфигурации гораздо труднее.

Труднее, но не невозможно. Ведь атомы газа находятся в активном движении. А значит, расстояние между ними всё время меняется, и в том числе возможно образование таких конфигураций (хотя бы из двух атомов), которые способны воспринять низкоэнергетические кванты с большой длиной волны (нечто вроде антенны-диполя оптимального размера). Правда, вероятность такого события относительно мала, но она растёт с ростом плотности газа, то есть с повышением давления, и потому газы под высоким давлением обладают непрерывным спектром поглощения, как и плотные вещества. А вот при понижении плотности газа эта вероятность резко падает, и потому в разреженных газах молекулы действуют практически сами по себе, давая линейчатые и полосатые спектры поглощения.

Излучение квантов

Когда вызванная квантом механическая волна достигает границы однородного участка плотного вещества (например, кристалла), она может пройти дальше, излучиться или отразиться обратно. Рассмотрим эти случаи.

Передача энергии дальше

Если к границе кристалла или другого однородного фрагмента плотного вещества очень тесно прилегает другой достаточно однородный фрагмент вещества сравнимой плотности (так тесно, что расстояние до его атомов сравнимо с межатомными расстояниями внутри самого кристалла!), то механический импульс пройдёт дальше — крайние атомы просто «толкнут» своих внешних соседей, тем самым передав им энергию. Нюансы могут заключаться лишь в несовпадении размещения атомов — напротив некоторых атомов может не оказаться «контрагентов» или, наоборот, таких «контрагентов» будет слишком много — в результате на такой границе возможно частичное отражение или дополнительное рассеивание волны возмущения по сравнению с распространением внутри однородного фрагмента.

Излучение кванта

Когда фрагмент плотного вещества граничит со средой существенно меньшей плотности или с вакуумом, он не может передать свою энергию вовне механическим путём — ему просто «некого толкнуть». Однако под действием механической волны крайние атомы приходят в движение, а поскольку они являются системами зарядов, которые хотя и взаимно скомпенсированы, но разнесены в пространстве, то их движение неизбежно вызовет электромагнитное возмущение в окружающем пространстве.

Возникшее возмущение может превратиться в квант и покинуть вещество, унося часть его энергии. Но для этого должно быть выполнено условие, отвечающее установленной для квантов жёсткой взаимосвязи между геометрическими параметрами возмущения, определяемыми особенностями выхода волны возмущения на границу фрагмента, и энергией, определяемой скоростью перемещения крайних атомов вещества, то есть энергий механического возмущения в данном месте поверхности вещества. При соответствии этих параметров образуется квант, а при несоответствии (слишком мала интенсивность колебания либо слишком малы геометриические размеры выхода возмущения на границу) энергия возвращается обратно.

Отражение возмущения внутрь вещества

Если квант не был излучён либо на его излучение пошла лишь часть энергии, оставшееся возмущение возвращается внутрь вещества, как бы «отразившись от пустоты». Утверждение кажется парадоксальным — ведь пустота на то и пустота, что там нечему отражать что бы то ни было. Но ключевой здесь является частица «как бы», потому что механизм возврата энергии, конечно, иной, и процесс лишь внешне выглядит как «отражение», — возможно, правильнее было бы назвать его «всасывание».

В случае твёрдого вещества его молекулы испытывают взаимное притяжение. «Вылетев» под воздействием пришедшего изнутри импульса «наружу», под действием сил взаимного притяжения крайние атомы тормозятся, а затем снова «втягиваются» обратно. При этом их импульс сохраняет свою величину, но его направление меняется на противоположное. В результате вернувшиеся атомы «ударяются» о своих соседей и «возвращают» им импульс — волна возмущения снова пошла вглубь вещества, как бы отразившись от его внешней границы... Чтобы внешние атомы не вернулись, они должны покинуть зону притяжения, а если снаружи не вакуум, а газ — ещё и перейти потенциальный барьер в зоне отталкивания. А для этого импульс должен быть очень энергичным, что возможно либо при весьма высокой температуре, либо в силу крайне редкого стечения обстоятельств, когда атом оказался в интерференционной пучности в результате сложения сразу даже не нескольких, а огромного количества волн.

В случае жидкости всё внешне выглядит также, лишь меняется характер сил, возвращающих внешние молекулы обратно. Поскольку в жидкости молекулы испытывают взаимное отталкивание, о «втягивании» их обратно речь уже не идёт. Однако бесконтактное электромагнитное отталкивание от более далёких молекул газа сильнее, чем от близких соседних молекул жидкости, и именно это внешнее отталкивание «впихивает» молекулу жидкости обратно. Если же скорость молекулы жидкости слишком велика, и она успевает удалиться от своих соседей достаточно далеко, то ей уже невыгодно возвращаться обратно, и она остаётся в газообразной фазе. Очевидно, что для этого ей надо иметь достаточно высокую исходную скорость, то есть с собой она уносит энергии больше, чем имеют молекулы жидкости в среднем. Более подробно этот момент рассмотрен при обсуждении испарения.

Излучение квантов в газах

Ситуация с излучением квантов газами аналогична ситуации с их поглощением — чтобы излучить квант с энергией, отличной от той, что может произвести молекула газа сама по себе, две или более молекулы газа должны оказаться в достаточно строго определённой конфигурации и при этом обладать необходимой энергией, достаточной для «порождения» такого кванта совместно вызванными электромагнитными возмущениями (напомню ещё раз, что из-за пространственного разнесения зарядов составляющих их частиц движение любых молекул, в том числе и неионизованных, сопровождается электромагнитным возмущением).

Как и в случае с поглощением, вероятность получения необходимого соответствия геометрической конфигурации и энергии молекул растёт с повышением плотности газа, и спектры излучения таких газов становятся непрерывными. А вот при понижении давления вероятность образовать нужную конфигурацию и излучить квант, нехарактерный для внутренних энергий одиночных молекул, резко снижается. Поэтому в газах очень малы как собственная эмиссия тепловых квантов, так и их поглощение.

Отражение и прозрачность

Помимо поглощения и излучения, существуют ещё два механизма взаимодействия вещества с квантами — это отражение и прозрачное пропускание. Оба явления имеют общие черты — они происходят лишь в определённых диапазонах длин волн, в других диапазонах сменяясь поглощением (правда, зона отражения у металлов занимает несколько порядков длин волн, а вот ширина зоны прозрачности у большинства веществ не превышает один порядок). Как же происходят эти явления?

Здесь детали механизмов поглощения и излучения квантов важны чуть ли не более, чем при рассмотрении самих поглощения или излучения. Зато для термодинамики отражение и прозрачное прохождение важны гораздо менее — ведь энергетическое взаимодействие вещества с квантами в этих случаях мало. Поэтому рассмотрим эти явления лишь в самых общих чертах.

Отражение

Отражение имеет место лишь тогда, когда квант взаимодействует не с отдельными атомами, а с поверхностью, то есть его характеристический размер (длина волны) достаточно существенно превышает размер атома — это инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый диапазоны. Когда размер кванта становится сравним с размером атома, он начинает взаимодействовать непосредственно с элементами атомов, и речь об отражении уже не идёт. Поэтому неизвестны эффективные отражатели для рентгеновского и гамма-диапазонов. Там возможно только рассеивание либо экранирование, т.е. поглощение квантов.

Зеркальное отражение

При зеркальном отражении поверхность одинаково успешно отражает кванты, падающие на неё под любым углом. В этом случае кванты не могут поглотиться веществом, поскольку геометрические параметры кристаллической решётки или её жёсткость, определяющая возможные частоты колебаний атомов, не соответствуют «размерам» и энергии квантов. В результате квант как бы «отскакивает» от поверхности, сохраняя тангенциальную составляющую своего импульса и меняя нормальную составляющую этого импульса на противоположную по направлению. Так в диапазоне от инфракрасных до ультрафиолетовых излучений действует большинство металлов. Необходимым условием качественного отражения является малый размер всех неровностей на поверхности отражателя, — они должны быть меньше длины волны. В противном случае отражение сохранится, но отражённые на неровностях кванты будут рассеиваться во все стороны. Специальное нарушение структуры поверхности (механической обработкой или травлением) способно существенно снизить отражающую способность за счёт того, что на поверхности появляются участки, геометрия которых позволяет им воспринять попадающие на них кванты. В отражении участвует не только самый крайний слой атомов, но и более глубокие слои, однако общая глубина всех задействованных в этом процессе слоёв сопоставмима с характеристическим размером кванта — его «длиной волны».

Внешнее угловое отражение

В случае внешнего «углового» отражения эффективно отражаются лишь лучи, падающие под малым углом к плоскости поверхности прозрачных диэлектриков, например, воды или стекла. В этом случае проекции атомов поверхности вещества на плоскость, перпендикулярную движению кванта, как бы уплотняются, и такая «уплотнившаяся» структура уже не может принять квант, а отражает его, — примерно так же, как гладкая поверхность озера может многократно отражать пущенный вдоль неё плоский камень, но если этот же камень будет падать отвестно, то он с полной гарантией войдёт в воду с первой попытки.

Вследствие неизбежной неоднородности, изгибов и дефектов поверхности всё же встречаются участки, которые могут «воспринять» квант, но по мере того, как траектория квантов становится всё более касательной, вероятность появления подходящего участка уменьшается.

Важной является и пространственная ориентация квантов (их поляризация). Если вектор электрической напряжённости ориентирован перпендикулярно плоскости падения кванта на поверхность, то степень отражения монотонно нарастает по мере уменьшения угла между траекторией кванта и плоскостью поверхности. Если же плоскость колебаний электрической напряжённости совпадает с плоскостью падения, то сначала отражение ухудшается (внутрь вещества проникает больше таких квантов — вплоть до 100% при совпадении угла падения с углом Брюстера) и лишь затем доля отражённых квантов возрастает, стремясь к полному отражению при направлении квантов, почти параллельном поверхности вещества. Объяснением может быть то, что при такой ориентации для взаимодействия с квантом достаточно лишь узкой полоски атомов, а при перпендикулярной ориентации он взаимодействует с более широкой полосой атомов, сравнимой по ширине с «размером» кванта, т.е. с его длиной волны. Это говорит о преимущественно электрическом (а не магнитном) характере взаимодействия квантов с веществом.

Внутреннее угловое отражение

Этот вид отражения имеет место при переходе излучения из прозрачного вещества в оптически менее плотную среду, в том числе в вакуум. Оно похоже на только что рассмотренное внешнее угловое отражение, но есть одно важное отличие — если при внешнем отражении его степень достигает 100% только в случае параллельности траектории кванта и поверхности вещества, то внутреннее угловое отражение очень часто становится полным уже при угле падения в 40..50°, что широко используется в оптоволоконных кабелях и световодах. Такое отличие является принципиальным, и механизм его скорее всего совершенно отличен от внешнего углового отражения. Общепринятое «объяснение» разными скоростями квантов в разных средах, приводящим к разным оптическим плотностям сред, нельзя признать удовлетворительными — физические причины изменения скоростей они не объясняют, а лишь констатируют факт. Само изменение скорости квантов является таким же следствием особенностей распространения квантов в прозрачной среде, детали которого современной науке неизвестны, поскольку неизвестно, что же именно представляет из себя квант, «из чего он состоит».

Прозрачность

Прежде всего следует различать «пробивную» прозрачность сверхтонких плёнок и «истинную» прозрачность, когда толщина пропускающего излучение вещества измеряется сантиметрами, а то и десятками метров.

«Пробивная» прозрачность

Это самый простой и интуитивно понятный вид прозрачности, для понимания которого вполне достаточно «корпускулярного» представления квантов. Толщина слоя непрозрачного (поглощающего или отражающего) вещества столь мала, что в некоторых случаях квантам удаётся передать своё электромагнитное возмущение на другую сторону этого сверхтонкого барьера и таким образом продолжить свой путь. Естественно, чем толще барьер, тем больше вероятность того, что квант будет уловлен и поглощён или отражён. Когда толщина плёнки достигает длины волны кванта, вероятность его прорыва становится чрезвычайно малой. В качестве примера такой прозрачности можно привести напыление сверхтонких металлических плёнок при создании полупрозрачных зеркал и тонировании стёкол.

Этим же «пробивным» механизмом можно объяснить и прозрачность большинства веществ для высокоэнергетичных видов квантов — рентгеновского и гамма-излучения. В этих случаях кванты имеют малую длину волны, не превышающую размеры атомов, и потому проходят сквозь них достаточно легко. Характерно, что рентгеновское излучение, у которого длина волны сравнима с размерами атома, достаточно эффективно задерживается веществами с высокой удельной плотностью, прежде всего металлами, но хорошо проходит сквозь более рыхлые субстанции. Для гамма-излучения, у которого длина волны ещё меньше, препятствием является лишь «прямое попадание» кванта в элементы атома, прежде всего в ядро.

«Истинная» прозрачность

При прохождении квантов сквозь толстые слои прозрачного вещества, они практически не взаимодействуют с веществом в его текущем энергетическом состоянии, за исключением весьма редких «особых случаев». Возможно, это происходит потому, что их геометрические размеры и энергия не подходят для «усвоения» веществом, но позволяют им проникнуть внутрь вещества. Характерно, что практически все прозрачные вещества либо представляют из себя хорошие диэлектрики (стекло, дистиллированная вода, поликарбонат и другие пластмассы), либо обладают относительно малой проводимостью (водные растворы солей, кислот и щелочей). Это является принципиально важным — в отличии от металлов, в таких веществах электромагнитное возбуждение кванта не успевает распространиться на большой объём и не «размывается», обеспечивая сохранность импульса и энергии кванта.

Однако взаимодействие квантов с прозрачным веществом, безусловно, имеет место. Это проявляется не только в снижении скорости распространения квантов в веществе, но и во вращении плоскости поляризации и двойном лучепреломлении, имеющим место при прохождении лучей через прозрачные анизотропные среды. Тем не менее, нельзя говорить о механизмах такого взаимодействия, не представляя себе, что же такое квант «на самом деле». Как я уже неоднократно отмечал, современной науке это неизвестно, поэтому остаётся только феноменологический подход — констатация фактов и поиск их взаимной корреляции.

Немного о фотометрии

Теперь настала пора посмотреть, не противоречат ли описанные выше механизмы хорошо известным физическим закономерностям, описываемым в разделе физики об интенсивности излучений — фотометрии.

Оценка длины волны теплового излучения

Любопытно оценить возможную частоту излучения, считая что механические возмущения передаются со скоростью звука. Для большинства твёрдых веществ в комнатных условиях эта скорость лежит в диапазоне 3000..5000 м/с. Принимая эту скорость равной 4000 м/с и считая размеры колебательной ячейки примерно равными размерам атома (10^–10 м), можно оценить наиболее вероятную частоту колебаний подобной системы значением 4·10¹³ Гц, что соответствует длине волны 7.5 мкм, — весьма близко к наиболее вероятной длины волны, вычисленной в соответствии с законом Вина и для 20°С равной 9.9 мкм (для столь грубых прикидок погрешность минимальна).

Поскольку и в жидкости, и тем более в газе молекулы испытывают взаимное отталкивание, интервалы между ними возрастают, а скорость звука уже больше зависит от тепловой скорости молекул, и потому к ним подобный прямолинейный подход неприменим — там оценка частоты будет занижена, а длина волны, соответственно, завышена.

О росте мощности излучения с ростом температуры

При излучении тепловых квантов с границы плотного вещества необходимо соответствие импульса, полученного крайними атомами, и геометрических размеров выхода возмущения на эту границу. С ростом температуры вероятность получения атомами большего импульса растёт, а характеристический размер кванта — его длина волны — уменьшается. Соответственно, уменьшается и количество атомов, которые должны достаточно согласовано сформировать электромагнитное возмущение, необходимое для зарождения кванта. Оба условия работают синергетически, поэтому вероятность успешного излучения кванта с ростом температуры должна возрастать намного круче линейной зависимости.

По закону Вина длина волны максимума излучения обратно пропорциональна температуре. Число атомов поверхности, участвующих в формировании одного кванта, пропорционально квадрату его размера, а стало быть из-за уменьшения «размера» кванта с ростом температуры сокращается пропорционально второй степени этого роста, то есть число квантов, одновременно формируемых на одной и той же площади поверхности, растёт пропорционально второй степени температуры. Частота колебаний обратно пропорциональна длине волны и, следовательно пропорциональна росту температуры, поэтому, считая, что квант формируется за время одного колебания, получаем линейную зависимость скорости формирования от температуры. Наконец, энергия кванта пропорциональна его частоте и обратно пропорциональна длине волны, то есть также линейно растёт с ростом температуры. В результате получаем, что мощность излучения растёт пропорционально 4-й степени роста температуры (квадрат размера, линейно скорость формирования и линейно энергия), что полностью соответствует классическому закону Стефана-Больцмана. На отдельной странице представлены данные по расчётной мощности излучения при различных температурах.

Распределение интенсивности излучения по частотам

Как известно, излучение плотных веществ имеет различные частоты с максимумом интенсивности, приходящимся на определённую длину волны. Это распределение описывается формулой Планка и содержит частоты как больше, так и меньше наиболее вероятной.

Визуальное представление распределения мощности излучения по частотам называется спектром. Давайте вспомним, что говорится в физике о спектрах излучения.

Физика о спектрах поглощения и излучения

Свободные одиночные атомы принимают из кванта лишь столько энергии, сколько соответствует оптимальным значениям квантовых уровней возбуждения. По представлениям квантовой физики, эта «усвоенная» энергия трансформируется в квантовую прибавку массы возбуждённого атома, эквивалентую поглощённой энергии. Вся остальная «излишняя» энергия кванта переходит в кинетическую энергию поглотившего его атома, поскольку ничто не сдерживает его перемещение в пространстве. Спектры таких элементов имеют вид тонких линий и называются линейчатыми.

Для двухатомных молекул уже не всё так просто. Получивший импульс атом и рад бы отправиться в произвольном направлении, но его придерживает сосед, электромагнитная связь с которым действует подобно упругой пружине. В результате возникают внутримолекулярные колебания. Это и даёт размывание линий в молекулярных спектрах — они превращаются в полосы, отчего такие спектры назвают полосатыми.

Логично предположить, что такое размытие спектральных линий вызвано электромагнитным влиянием соседнего атома. Это подтверждается давно известными эффектами Зеемана (расщепление спектральных линий в магнитном поле, открытое в 1896 г.) и Штарка (то же самое для электростатических полей, открыто в 1913 г.), причём в обоих случаях разность длин волн, соответствующих расщеплённым линиям, зависит от напряжённости поля. Правда, при более внимательном рассмотрении можно увидеть, что полосы таких спектров состоят из множества очень близко расположенных линий. По всей вероятности, это проявление квантовых эффектов при внутримолекулярных колебаниях (некоторые расстояния являются энергетически более предпочтительными, и вероятность излучения при изменении межатомного расстояния меняется периодически).

В плотных телах и средах, где частицы тесно взаимодействуют между собой (в газах под давлением, жидкостях и твёрдых телах) своё влияние оказывает множество ближайший соседей. А поскольку расстояние до них различно и всё время меняется, то и величина расщепления спектральных линий, вызываемая ими, будет различной. В результате спектр окончательно размывается в непрерывный.

Спектры поглощения обратны спектрам излучения — на тех частотах (длинах волн), где раскалённое вещество излучает энергию, то же самое холодное вещество её поглощает. Соответственно спектры поглощения также бывают линейчатыми для разреженных одноатомных газов, полосатыми для разреженных молекулярных газов и непрерывными для плотного вещества или газов под давлением.

Другое объяснение расщепления спектров

Теперь попробуем объяснить расщепление спектров с точки зрения наших представлений.

Для излучения кванта необходимо строго определённое сочетание энергии и геометрических размеров излучателя. Поэтому одиночные атомы излучают лишь на определённых частотах, соответствующих их внешним или внутренним геометрическим параметрам — своим для каждого атома и каждого изотопа. Аналогично, и воспринять (поглотить) квант они могут лишь при соблюдении тех же условий — то есть при тех же частотах и длинах волн, на которых они могут излучать.

Но даже двухатомная молекула представляет собой простейшую колебательную систему. Будучи механически возбуждённой, эта система испытывает колебания, которые имеют гармонический характер или близкий к нему. В соответствии с этим значительную часть времени система будет проводить в двух состояниях — близком к максимально растянутому и близком к максимально сжатому. Геометрические параметры таких состояний соответствуют различным длинам волнам и энергиям квантов — линии спектра расщепляются. Если принять излучение кванта равновероятным, то мы получим картину спектра, близкую к спектру частотной модуляции гармоническим сигналом, который, как известно, имеет по краям «рога», а в середине «яму». Если же вероятность излучения квантов в крайних положениях больше из-за повышенных напряжений в системе, то «рога» спектра, соответствующие расщеплённым линиям, должны быть сильнее, а «провал» между ними — глубже по сравнению с равновероятным излучением.

Спектр частотной модуляции гармоническим сигналом. Красный — немодулированный сигнал (несущая частота), оранжевый — гармоническая модуляция относительно малой частотой, зелёный — гармоническая модуляция большой частотой, синий — модуляция негармоническим сигналом умеренной частоты с большей вероятностью нахождения модулирующего сигнала на крайних частотах. Мощность источника одинаковая, поэтому в линейном масштабе внутренние площади всех спектров равны (на рисунке масштаб мощности логарифмический).

Если высказанные здесь предположения верны, то из них следует два принципиальных вывода.

1. По мере снижения температуры расстояние расщепления спектральных линий (пока они вообще видны) должно уменьшаться из-за снижения амплитуды тепловых внутримолекулярных колебаний.
2. Интенсивность излучения между расщеплёнными спектральными линиями всегда будет больше, чем вне зоны расщепления, а внутренние края расщеплённых линий должны быть более размытыми, чем внешние.

О трансформации спектров

Говоря о спектрах излучения и поглощения вещества, невозможно обойти ещё один важный факт, заключающийся в том, что спектр излучения почти всегда точно соответствует температуре вещества, в то время как «подогревающий» это вещество поток квантов может иметь совсем другие уровни энергии. Что вызывает такую разность? Ответ прост: это рассмотренная выше трансформация кванта в механическую волну в веществе, приводящую к интенсивному обмену энергией между взаимодействующими атомами вещества, в результате чего энергия поглощённых квантов в конечном счёте распространяется и распределяется по всему объему вещества. Поэтому излучаемые кванты имеют энергию, соответствующую текущей температуре вещества, а не энергии поглощаемых квантов — то есть исходный спектр поглощённого излучения трансформируется в тепловой спектр вторичного излучения, определяемый текущей температурой вещества.

♦