Мир квантов


До сих пор мы говорили только о волновой природе электромагнитных колебаний, о том, что электромагнитная энергия может существовать в виде колебаний различных частот, различных длин волн. Необходимо указать, что потоки электромагнитной энергии имеют и свойства, характерные для частиц.

Потоки электромагнитной энергии складываются из отдельных элементарных частиц — квантов. Это — наименьшая неделимая порция энергии. Энергия, которая содержится в одном кванте, или, как часто говорят, размер кванта, зависит от частоты колебаний. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте колебаний и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны.

Среди квантов, при всей их невообразимо малой величине, есть свои «великаны» и свои «пигмеи»; есть и такие, которые занимают промежуточное положение по величине. И все они составляют единую семью, имеют наряду с различиями множество общих черт.

Эти «родственные черты» и позволяют осуществлять в мире квантов замечательные превращения. Нередко «пигмеи» становятся «великанами», а «гиганты» превращаются в «карликов». Такие преобразования происходят и при различных естественных процессах природы и искусственно — в различных приборах, созданных современной техникой. На нашей таблице показано, как преобразуются кванты. Посмотрим эту путеводную карту по миру квантов.

Таблица превращений квантов

Для изменения концентрации потоков электромагнитной энергии применяют трансформаторы. Это зеркала, линзы, антенны, волноводы, а также катушки, связанные общим магнитным потоком. Для всех этих устройств характерно то, что частоту преобразуемых колебаний, а следовательно, и длину волны и величину квантов энергии они оставляют без изменений.

В более общем случае при преобразовании электромагнитной энергии меняется не только ее концентрация, но и частота колебаний, а следовательно, и длина волны, и величина квантов, т. е. кванты в процессе преобразования или дробятся, или, наоборот, укрупняются.

Любой тип преобразователя электромагнитной энергии можно классифицировать по двум признакам — величине квантов электромагнитной энергии на входе преобразователя и величине квантов на выходе. По этому принципу и построена предлагаемая таблица превращений квантов. На ней размещены всевозможные преобразователи электромагнитной энергии. Здесь могут найти себе место и все существующие, и все те, которые когда-либо появятся.

По вертикальной оси таблицы (по оси ординат) отложены частоты электромагнитных колебаний, а также соответствующие длины волн и энергии квантов. Известно, что существует много различных единиц для измерения энергии. Например, счетчики электроэнергии дают показания в киловатт-часах. Для измерения энергии квантов очень удобной единицей оказался электронвольт. Один электрон-вольт — это энергия, которую приобретает тело с единичным электрическим зарядом, пройдя под действием электрических сил разность напряжений в один вольт. По горизонтальной оси таблицы превращений квантов также отложены частоты колебаний, длины волн и энергии квантов в электронвольтах.

Таблица превращений квантов

Каждое деление таблицы — как вертикальное, так и горизонтальное — соответствует десятикратному изменению и частоты, и длины волны, и энергии квантов. У таблицы превращений нет границ. Ее можно расширять во все четыре стороны. На нашем рисунке таблица оборвана: на низких частотах (снизу и слева) — на колебаниях с частотой меньше одного периода в секунду, а на высоких (сверху и справа)— на частоте 1023 пер/сек. В этих пределах заключены электромагнитные колебания, начиная с токов низких частот и кончая космическими лучами.

Отдельно от области периодических колебательных процессов вдоль нижнего края таблицы и вдоль левой ее стороны нанесены полосы постоянного тока. Постоянный ток можно назвать током нулевой частоты с бесконечно длинным периодом колебаний и бесконечно большой длиной волны. В каждой клетке нашей таблицы встречаются два электромагнитных колебания. Этим она напоминает таблицы шахматных турниров, на которых проставляются результаты встреч всех участников между собой.

Но по диагонали таблицы встречаются колебания одинаковых частот. Участники турниров сами с собой не встречаются. В турнирных таблицах клетки по диагонали зачеркиваются. В нашей таблице по диагонали должны располагаться приборы и аппараты, которые не меняют ни частоты, ни длины волны, ни размера кванта потока электромагнитных колебаний. Здесь можно разместить трансформаторы, т. е. устройства, которые изменяют концентрацию потока электромагнитной энергии — плотность потока квантов

В областях, лежащих по обе стороны от диагонали, встречаются колебания разных частот. Мы приняли, что в верхней левой части таблицы расположены преобразователи, которые из высоких частот дают колебания более низкой частоты. Здесь удлиняют волну, измельчают кванты.

В нижней правой части таблицы помещены преобразователи, которые, наоборот, повышают частоту колебаний. Здесь волна укорачивается, а кванты укрупняются.

Стрелки по диагонали таблицы и по ее краям показывают направление превращений.

На вертикальной полосе с левой стороны таблицы расположены преобразователи всевозможных колебаний в постоянный ток: выпрямители переменных токов, а также термо- и фотоэлементы.

На горизонтальной полосе снизу таблицы даны преобразователи постоянного тока в электромагнитные колебания. На этой полосе находят себе место индукционные катушкп с механическими прерывателями, вырабатывающие переменный ток с частотой в десятки герц. Правее идут генераторы с ионными и полупроводниковыми вентилями, затем — генераторы ТВЧ с электронными лампами, далее — источники света, за ними — рентгеновские трубки.

При построении нашей таблицы принято, что данные энергии на входе преобразователя берутся по вертикальной оси, а данные выхода — по горизонтальной оси. Конечно, можно было бы расположить преобразователи и по-иному: понизители частоты отправить вниз вправо, а повысители, наоборот, поместить вверху в левой части. Однако будем придерживаться принятого расположения и считать, что вход на таблицу — справа и слева, а выход — вверху и внизу.