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电子的电磁动力学

(2009-05-15 09:43:47)
标签:

能量

电子

辐射

杂谈

电子的电磁动力学

孙钦飞

摘要:分子运动论认为温度的升高会使分子的平均动能增加,分子的无规则运动称为热运动,是物质具有内能能量多少的体现。本文认为能量不会使分子或原子的动能增加,而仅仅是使围绕原子的电子的振幅增加,温度不是分子平均动能的反映,而是电子振动辐射电磁波能量多少的反映。

关键词:能量 温度 辐射 电子 振动 电磁波

引言:

    热物理学是以分子运动论为基础发展出的一门实验科学。分子运动论认为:组成物体的分子在不停的运动,这种运动是无规则的,其剧烈程度与温度有关,温度越高,分子的无规则运动就越剧烈。根据理想气体的温度公式T=2w/3k ,其中 w为分子的平均平动动能,k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度,可知:温度是表征物质内部分子无规则热运动激烈程度的物理量,是分子平均平动动能的度量。

    量子理论形成是由研究热辐射现象开始的,也是采用的分子的热运动这样的观点,认为任何一个物体,在任何高于绝对零度温度下都要发射各种波长的电磁波。将物体向周围辐射的能量称为辐射能,辐射能的强度从微观上来讲取决于物体中分子、原子的热运动,从宏观上将取决于物体的温度。虽然分子运动论的假设在研究理想气体热现象方面取得了巨大的成功,但是在研究黑体辐射时遭遇了失败,普朗克在研究黑体辐射时提出了一个量子假说:辐射黑体由带电的谐振子所组成(把黑体中振动着的分子、原子视为谐振子),这些谐振子和周围的电磁场交换能量,辐射电磁波,谐振子的能量是量子化的。1913年玻尔以卢瑟福原子模型为基础,以普朗克,爱因斯坦量子理论为出发点,建立了玻尔氢原子结构的半经典量子理论。理论基于定态假设、跃迁假设和量子化条件假设三个假设。定态假设:原子只处于一系列不连续的稳定状态,称为定态,原子处于定态时,电子虽做加速运动,但是不辐射能量;跃迁假设:当原子中的电子从一种能态跃迁时,原子发射或吸收一定频率的单色光。

    虽然科学家们一直都认为带电粒子的振动会释放电磁波,虽然已经明确电子在跃迁的时候会释放或吸收电磁波。但是人们一直没有提出电子在原子中的振动是释放电磁波的根本原因。

                           

电子振动与热物理学:

能量的本质是什么?能量的本质就是电磁波,每一种温度高于绝对零度的物体都会向外辐射能量,也就是辐射电磁波。物体的温度越高,表明这个物体或者辐射的电磁波的能量越大,或者辐射电磁波的强度越大。正如采用加热的方法不会使一个静止的铁球获得动能一样,采用加热的方法也不会为单个的铁原子提供动能。所以,分子运动论认为加热会使分子运动的更快的假设是错误的。温度不应该是分子运动快慢的度量,而只能是物体辐射能量(电磁波)多少的度量。

电子的振动:

电子在处于定态时围绕原子核运动是不会吸收和释放电磁波的,只有在电子向其他定态跃迁时才会吸收或释放电磁波。在处于一个温度高于绝对零度的系统中的时候,电子是始终处于这种跃迁状态,始终在吸收和辐射电磁波,也就是说,电子处于振动状态,这种振动的过程伴随的能量的释放。如果单个原子没有接收到电磁波,那么在它释放完单个电磁波之后,电子在定态位置不再振动,也就不再释放电磁波。

所有的热辐射都是电磁波,从无线电波到伽马射线。既然是电磁波,就一定与电磁现象有关。所以说中性的原子无论如何振动都不会释放电磁波,当然电磁波也就不会使中性的原子产生振动,也就不会增加它的动能。

原子核周围有一个正电场,电子的运动会形成电流,而电流的变化会形成磁场。由于变化的电场在其周围空间激发磁场,变化的磁场在其周围空间激发电场。这种变化的电场和磁场相互连续激发,在空间传播,形成了电磁波。

假设电子从高能的非定态A点向某一定态轨道上的B点运动,如图1:

    电子的电磁动力学

 

图1:电子释放电磁波示意图

A点与原子核距离为 ,B点与原子核的距离为 ,当电子由A点运动到B点时,势能减少量为:

 电子的电磁动力学 

q为电子电量,Q为原子核电量,ε0为真空电容率。

减少的势能以电磁波的形式释放出去,根据电磁波能量公式 E=hv,E为电磁波能量,h为普朗克常量,v为电磁波频率。可以求出这一次跃迁释放的单个的电磁波的波长。

相反的过程。如果电子由定态B向一高能非定态C运动,在此过程需要吸收电磁波,电磁波的能量推动着电子向高能态运动。所需的单个电磁波的能量等于势能的增加量为:

电子的电磁动力学

同样根据E=hv可以求出所需入射电磁波的波长,由于电磁波在推动电子运动的时候,会有一部分能量损失,所以电子势能的增加要小于所吸收的单个电磁波的能量。

电子在围绕原子核旋转并振动的过程中释放电磁波,所有围绕原子核振动的电子都有能量释放,如果不存在能量损失的差异,外层电子和内层电子在吸收相同能量的电磁波之后会释放出相同能量的电磁波。但是外层电子振动的振幅要大于内层电子振动的振幅。

假设外层电子的围绕半径为R,内层电子的围绕半径为r,R>r,如果它们向着原子核运动相同的距离s,则外层电子释放的能量为:

电子的电磁动力学

内层电子释放的能量为:

电子的电磁动力学

可见,在坠落相同的距离的情况下,内层电子释放的电磁波的能量更大。如果吸收的电磁波的能量相同,内层电子的振幅要小于外层电子的振幅。

热现象

物体如果吸收的能量增加,也就是吸收更多的电磁波或者吸收的电磁波的波长更小,而使能量增加,将会或者使原子中的更多的电子振动,或者电子的振幅增加,因此增加了电子运动的区域,也就相应的增加了原子的有效范围,从而使物体发生热胀冷缩的现象。对于气体来说,通过加热,可以使部分气体原子的电子振幅增加,从而增加了原子的势力范围,相当于减少了原子的密度,而使气体内部产生对流,浮力的作用使部分分子获得了向上升的动能。气体扩散是由于不同物质之间存在的微弱的压力差引起的,而这种压力差由于原子吸收了更多的能量,在扩大原子势力范围后有了一定程度的增加,会引起扩散的加速。阳光在太空传播的时候,不会产生热,只有太空中的一个物体受到阳光的照射,吸收光线并使电子振动,相应的发射某种电磁波的时候,这个物体才会产生热量。

既然温度反映的是电子的振动辐射的电磁波能量的多少,而不是分子运动动能的多少,所以,应当用一定数量的物质分子(或原子)的平均辐射能来代替分子的平均移动动能。并不是抛弃T=2w/3k这个公式,因为这个经验公式已经证明是可行的,但是需要将分子的平均动能 替换成一定量的电磁辐射能,这种电磁辐射能的意义需要进一步研究。

电子的共振

电子在围绕原子核运动时,振动会产生电磁波,同时,电子的振动是由吸收和释放电磁波所致。电子之所以会跃迁,是因为它的周围存在电磁波,电磁波是电子振动的动力。而电子的振动也会产生电磁波。电子的振动如图2所示:

电子的电磁动力学

某一原子中的电子,由于振动而发射电磁波,当电磁波到达另一个原子中的某一电子周围时,会使这个电子产生振动。也就是说两个电子通过电磁波而实现了共振。电磁波是使两个电子发生共振的媒介。电子在吸收电磁波振动的过程中,由于有一部分的能量转变为动能用来维持电子的振动,所以电子振动发射的电磁波能量要小于吸收的能量。表现为发射的电磁波的频率小于吸收频率。电子的共振如图3所示:

 

电子的电磁动力学

热传导是电子共振的最好的例子,温度高的物体释放出更多能量的电磁波,电磁波到达辐射能量少的物体上,激发电子,使电子的振幅增大,或者使更多的电子振动,从而释放出更多的能量,温度因此增加。

结论

热辐射的实质是电磁波的辐射,温度是对物体辐射能力的度量,因此温度反映不了分子的运动能力,而反映的是电子的振动能力,物体辐射能量不是因为分子或原子的振动引起,而是围绕原子核转动的电子振动产生的。热传导的实质是原子中电子的共振。电子在原子中的振动是释放电磁波的根本原因。

参考文献:

《大学物理教程》,任兰亭主编,石油大学出版社

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