Чтобы объяснить распределение энергии в спектре равновесного теплового излучения, достаточно, как показал Планк, допустить, что свет только испускается порциями Для объяснения фотоэффекта достаточно предположить, что свет поглощается такими же порциями. Однако Эйнштейн пошел значительно дальше. Он выдвинул гипотезу, что свет и распространяется в виде дискретных частиц, названных первоначально световыми квантами. Впоследствии эти частицы получили название фотонов.

Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте. Тонкая металлическая фольга Ф (рис. 10.1) помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч (см. § 82 2-го тома). Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновских лучей (это явление называется рентгеновской флуоресценцией). Вследствие малой интенсивности первичного пучка количество квантов, испускаемых фольгой, было невелико.

При попадании в него рентгеновских лучей счетчик срабатывал и приводил в действие особый механизм М, делавший отметку на движущейся ленте Л. Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно и отметки на ленте приходились бы одна против другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок. Это можно объяснить лишь тем, Что в отдельных актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлении.

Итак, было экспериментально доказано существование особых световых частиц - фотонов. Энергия фотона определяется его частотой:

Электромагнитная волна обладает импульсом (см. § 108 2-го тома). Соответственно должен обладать импульсом и фотон. Чтобы определить импульс фотона, воспользуемся соотношениями теории относительности. Рассмотрим две системы отсчета , движущиеся друг относительно друга со скоростью . Оси направим вдоль Пусть в направлении этих осей летит фотон. Энергия фотона в системах равна соответственно . Частоты и со связаны соотношением

(см. § 151 2-го тома). Следовательно,

Обозначим импульс фотона в системе К символом , в системе К - символом . Из соображений симметрии следует, что импульс фотона должен быть направлен вдоль оси Поэтому, При переходе от одной системы отсчета к другой энергия и импульс преобразуются по формуле

(см. формулу (69.2) 1-го тома; мы написали формулу обратного преобразования, в связи с чем изменили знак перед . В рассматриваемом нами случае можно заменить в (10.3) через .

Из сопоставления формул (10.2) и (10.3) следует, что

(мы написали вместо ). Отсюда

В § 71 1-го тома было показано, что Такое соотношение между импульсом и энергией возможно только для частиц с нулевой массой покоя, движущихся со скоростью с. Таким образом, из квантового соотношения и общих принципов теории относительности вытекает, что

1) масса покоя фотона равна нулю,

2) фотон всегда движется со скоростью с.

Сказанное означает, что фотон представляет собой частицу особого рода, отличную от таких частиц, как электрон, протон и т. п., которые могут существовать, двигаясь со скоростями, меньшими с, и даже покоясь.

Заменив в формуле (10.4) частоту через длину волны получим для импульса фотона выражение

( - волновое число). Фотон летит в направлении распространения электромагнитной волны. Поэтому направления импульса и волнового вектора к совпадают. Следовательно, формулу (10.5) можно написать в векторном виде:

Пусть на поглощающую свет поверхность падает поток фотонов, летящих по нормали к поверхности. Если плотность фотонов равна , на единицу поверхности падает в единицу времени ПС фотонов. При поглощении каждый фотон сообщает стенке импульс Умножив на получим импульс, сообщаемый в единицу времени единице поверхности, т. е. давление света на стенку:

Произведение равно энергии фотонов, заключенных в единице объема, т. е. плотности электромагнитной энергии w. Таким образом, мы пришли к формуле - w, которая совпадает с выражением для давления, получающимся из электромагнитной теории (см. формулу (108.9) 2-го тома). Отражаясь от стенки, фотон сообщает ей импульс . Поэтому для отражающей поверхности давление будет равно .

Исходя из представления об электромагнитном поле как совокупности фотонов, легко получить соотношение между испускательной способностью абсолютно черного тела и равновесной плотностью излучения.

Допустим, что в единице объема полости, заполненной равновесным излучением, имеется фотонов, частота которых лежит в пределах от

(ср. с формулой (3.4)).

В данной главе мы рассмотрели ряд явлений, в которых свет ведет себя как поток частиц (фотонов). Однако не надо забывать, что такие явления, как интерференция и дифракция света, могут быть объяснены только на основе волновых представлений. Таким образом, свет обнаруживает корпускулярноволновой дуализм (двойственность): в одних явлениях проявляется его волновая природа, и он ведет себя как электромагнитная волна, в других явлениях проявляется корпускулярная природа света, и он ведет себя как поток фотонов. В § 18 мы увидим, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только световым частицам, но и частицам вещества (электронам, протонам, атомам и т. д.).

Выясним, в каком соотношении находятся волновая и корпускулярная картина. Ответ на этот вопрос можно получить, рассмотрев с обеих точек зрения освещенность какой-либо поверхности. Согласно волновым представлениям освещенность в некоторой точке поверхности пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. С корпускулярной точки зрения освещенность пропорциональна плотности потока фотонов. Следовательно, между квадратом амплитудысветовой волны и плотностью потока фотонов имеется прямая пропорциональность. Носителем энергии и импульса является фотон. Энергия выделяется в той точке поверхности, в которую попадает фотон. Квадрат амплитуды волны определяет вероятность того, что фотон попадает в данную точку поверхности.

Поверхности падает примерно 2-1013 фотонов в секунду. Относительная флуктуация обратно пропорциональна квадратному корню из числа частиц (см. формулу (102.6) 1-го тома). Поэтому при указанном значении потока фотонов флуктуации оказываются ничтожными, и поверхность представляется освещенной равномерно.

Флуктуации слабых световых потоков были обнаружены С. И. Вавиловым и его сотрудниками. Они установили, что в области наибольшей чувствительности глаз начинает реагировать на свет при попадании на зрачок примерно 200 фотонов в секунду. При такой интенсивности Вавилов наблюдал флуктуации светового потока, носившие отчетливо выраженный статистический характер. Правда, следует иметь в виду, что наблюдавшиеся в опытах Вавилова колебания светового восприятия были обусловлены не только флуктуациями светового потока, но также и флуктуациями, связанными с физиологическими процессами, протекающими в глазу,

Методология современной физики, возникшая на «дрожжах» теории относительности, привела к невиданному шатанию умов и к появлению на ее основе множества научных теорий, похожих больше на фантазии средневековых схоластов.

Так, например, профессор Вейник, печально известный тем, что пострадал за критику теории относительности (он просто ее высмеял), пишет в «Термодинамике» – учебнике для студентов : «...важный недостаток квантовой механики – это отсутствие руководящих идей, которые бы позволили судить о структуре частицы. В результате такая банальная элементарная частица, как фотон , попала в разряд исключительных (этому, по-видимому, способствовало то, что свет длительное время считался волной, а также формула Е = mc 2 Эйнштейна). На самом деле фотон в принципе не отличается от электрона и других элементарных частиц (об этом можно судить по фотографиям...). Достаточно было разобраться в структуре электрона или фотона, чтобы составить полное представление обо всем микромире и об управляющих ими законах. Согласно общей теории (Вейника – Н.Н.), элементарная частица – это ансамбль микрозарядов. К последним относятся: масса (субстанционы), пространство (метроны), время (хрононы), электрон, термон, постоянная Планка и т.д. Число различных элементарных частиц бесконечно велико».

Таким образом, мы видим как пространство – время, волна – частица, принцип неопределенности, эквивалент массы – энергии и другие «сущности» продолжают порождать все новых чудовищ в виде термонов, метронов, хрононов и субстанционов. Что же касается фотографии, то если бы Вейнику показали снимок ночного шоссе, он точно так же определил бы «банальность» автомашины, оставляющей след фар на фотоснимке. «Сон разума порождает чудовищ» (Гойя).

«Причину всех естественных явлений постигают при помощи соображений механического характера, в противном случае приходится отказаться от всякой надежды когда – либо и что-нибудь понять в физике». (Гюйгенс «Трактат о свете» ). Эту же мысль в разных вариантах высказывали известнейшие исследователи и мыслители разных времен: Аристотель, Галилей, Ньютон, Гук, Декарт, Даламбер, Френель, Фарадей, Гельмгольц и многие другие. Так, Максвелл в «Трактате об электричестве и магнетизме» написал: «В настоящее время мы не можем понять распространение (взаимодействия – Н.Н.) во времени иначе, чем-либо, как полет материальной субстанции через пространство, либо как состояние движения или напряжения в среде, уже существующей в пространстве... Действительно, как бы энергия не передавалась от одного тела к другому во времени, должна существовать среда или вещество, в которой находится энергия, после того как она покинула одно тело, но еще не достигла другого ... Следовательно, все эти теории (волновые, взаимодействия и электромагнетизма – Н.Н.) ведут к понятию среды, в которой имеет место распространение, и если мы примем эту среду как гипотезу, я думаю, она должна занять выдающееся место в наших исследованиях, и следует попытаться построить мысленное представление ее действия во всех подробностях; это и являлось моей постоянной целью в настоящем трактате» .

Но попытаемся теперь представить по Вейнику возникновение фотона: летел, летел «возбужденный» электрон по орбите, и вдруг от него отрывается некая «банальная сущность», которая, не имея на то никаких причин и оснований, независимо от скорости и циклической частоты электрона, приобретает свою частоту колебаний (после подсчета количества энергии, которую он должен забрать?), а массу – уж какая получится! Следствие здесь не порождено причинами, а физические соображения не подкреплены логикой и законами механики. Какие уж тут «мысленные представления» Максвелла?!

Итак, Максвелл утверждает, что энергию на расстояние можно перенести лишь двумя способами: либо вместе с веществом (массой), либо волнами через промежуточную среду. Существование якобы особого вида материи – электромагнитного поля – результат проникновения в физику ненаучного мышления. Это даже не теплород, которым достаточно успешно описывалась энергия колебания атомов и молекул вещества и, одновременно, тепловое (электромагнитное) излучение. Это просто попытка завуалировать свое незнание и бессилие перед загадкой природы.

Над этой загадкой бьются великие умы человечества, начиная с древнегреческих, древнеарабских, древнеиндийских и древнекитайских мыслителей, с Ньютона, Гука, Гюйгенса, кончая современными исследователями, которые, хотя и добились великих достижений в использовании света (лазеры и др.), однако их знания о существе света остались еще очень далеки от истинных.

Взгляды Ньютона на природу света были весьма противоречивы и непоследовательны. Хотя он и явился родоначальником истинно научного мышления, боязнь выдвижения научных гипотез без достаточного запаса экспериментальных и наблюдательных фактов привела его к другой крайности: к скованности мышления и к отсутствию последовательности в выводах. Так, его взгляды относительно взаимодействия тел на расстоянии привели его к мысли о существовании промежуточной среды; но при рассмотрении природы света он отвергает эту среду только из-за того, что «нет достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны».

Конечно, в его время постановка вопроса о свойствах и составе эфира была преждевременна, поскольку отсутствовали даже такие науки, как оптика, электромагнетизм, атомная и молекулярная физики и многие другие. И даже в наше время такие науки как о ядре атома и об элементарных частицах еще «плавают в тумане». Что же говорить об эфире – следующей ступени строения вещества?

Однако наблюдений, фактов, экспериментов и знаний о свойствах эфира становилось все больше, и все великие и сколько-нибудь значимые теории возникли лишь благодаря «мысленному построению его действия». Эйнштейн и Инфельд назвали его «лесами» для строительства теорий, которые можно убрать в угоду существования общего принципа относительности. Но теперь трудно себе представить, что возникли бы такие науки, как оптика и электромагнитная теория, если бы общий принцип относительности появился раньше их.

«Волновая теория победила теорию истечения Ньютона безукоризненно качественной и количественной точностью своих предсказаний» (С. Вавилов ) и не только этим. Во-первых, независимость скорости света от скорости источника нельзя объяснить теорией истечения. Ньютон как раз считал, что скорость фотонов складывается со скоростью источника. Во-вторых, теория истечения предсказывала увеличение скорости света в более плотной среде, а волновая теория Гюйгенса – уменьшение этой скорости. Прямые эксперименты по замеру скорости в плотной среде, произведенные Физо и Фуко, подтвердили волновую природу света.

Волновая теория света была подтверждена и теоретическими и экспериментальными работами Фарадея, Максвелла, Герца, Лебедева и других исследователей. Максвелл, например, в своем «Трактате...» написал: «...светоносная среда при прохождении света через нее служит вместилищем энергии. В волновой теории, развитой Гюйгенсом, Френелем, Юнгом, Грином и др., эта энергия считается частично потенциальной и частично кинетической. Потенциальная энергия считается обусловленной деформацией элементарных объемов среды, и значит, мы должны рассматривать среду как упругую. Кинетическая энергия считается обусловленной колебательным движением среды, поэтому мы должны считать, что среда имеет конечную плотность. В теории электричества и магнетизма, принятой в настоящем трактате, признается существование двух видов энергии – электростатической и электрокинетической, и предполагается, что они локализованы не только... в телах, но и в каждой части окружающего пространства... Следовательно, наша теория согласуется с волновой теорией в том, что обе они предполагают существование среды, способной стать вместилищем двух видов энергии» . При этом и Максвелл и Фарадей как люди широких научных взглядов указали на то, что эфир нужен не только для волновой теории света (электродинамизма), но и для передачи взаимодействий. Этот весьма важный аргумент игнорируется до сих пор современными исследователями как результат необходимости видеть «новое платье короля» – искривление пространства-времени.

Вот как написал об этом сказочник Андерсен: «Они выдали себя за искусных ткачей и сказали, что могут соткать такую чудесную ткань, которая отличается удивительным свойством – становится невидимой для всякого человека, который сидит не на своем месте или непроходимо глуп... «Я не глуп, – думал сановник. Значит я не на своем месте? Вот тебе раз! Однако нельзя и виду подавать!»

С. Вавилов написал: «Волновая теория торжествовала, казалось, окончательную победу... Но торжество оказалось очень преждевременным... Волновая теория оказалась беспомощной перед квантовыми законами действия света».

Мы же теперь зададимся вопросом: неужели этот единственный факт против множества других смог так резко изменить мнение ученых?! Да, присутствует дискретность излучения; да, фотон летит как монолитная частица. Но разве нет аналогичного поведения звука в воздухе? Или наоборот: разве нет поведения электромагнитных волн подобного звуку?

Герц и его последователи прекрасно увидели свойство электромагнитного излучения передавать в окружающее пространство сферические волны, не локализованные в пространстве . (Кстати, они и не квантованы, как утверждают современные светила, поскольку они – результат не перескока электронов с одной орбиты на другую, а ускоренного движения свободных электронов в проводнике). Благодаря такому свойству длинных электромагнитных волн мы смотрим телевизор и слушаем радиоприемник из любой точки сферы вокруг излучателя. Однако, как только частота электромагнитных волн переходит некоторую границу в сторону увеличения, появляется направленность излучения.

То же самое происходит и со звуком. Правда, такие свойства звука были открыты совсем недавно, в связи с получением ультразвука. Оказалось, что ультразвуковые волны имеют острую направленность и могут рассматриваться как частицы, локализованные в пространстве . Вот вам и «беспомощность волновой теории»! Оказывается, что каждый раз, когда исследователи сами беспомощны что-либо объяснить, они обвиняют в этом классическую механику.

Как показал Фейнман , законы колебаний зависят от частоты, так как от нее зависит характер процессов, протекающих в среде. Однако сам он удовлетворился лишь выводом уравнения колебаний, когда давление и температура в упругой волне меняются адиабатически. Ни один из исследователей, в том числе и Фейнман, не рассмотрели высокие частоты колебаний относительно длины свободного пробега частиц, когда процессы, происходящие при этом, приводят к поглощению тепла. В этом случае совершенно очевидно, что колебание не может распространяться сферической волной из-за распределения направлений движения отдельных частиц. Оно может быть только остро направленным, поскольку частота колебаний меньше «частоты» свободного пробега частиц.

Из аналогии со свойствами ультразвука следует вывод о том, что локальность совсем не противоречит волновой теории. Мало того, не окажется ли, что воздух ведет себя при этом как металл, и ультразвук обладает поперечными волнами?

Кроме локальности, фотоны, в отличие от радиоволн, обладают еще одним важным свойством, связанным с их происхождением: строго дозированной энергией. Это свойство фотонов связанное со строением атомов, не должно распространяться на весь спектр электромагнитных волн. И тут, тем более, постоянная Планка как характеристика энергии фотонов не должна рассматриваться в более широком смысле, как это делается на каждом шагу в физике в последнее время. К дискретности времени, пространства и массы постоянная Планка не имеет никакого отношения.

В связи со строгой дозированностью энергии фотонов возникла новая наука – квантовая механика, в которой с самого начала и до сих пор осталось несколько нерешенных вопросов. Первый: почему электроны атома, двигаясь по круговой или эллиптической орбите, не излучают фотонов, хотя испытывают при этом центростремительное ускорение? Второй: каков механизм испускания и поглощения фотонов?

Первый вопрос связан с заблуждением, которое повторяется во всех учебниках и научных трудах по квантовой механике. Так, например, у Семенченко в «Избранных главах теоретической физики» читаем: «Электроны не могут двигаться вокруг ядра продолжительное время, так как по законам классической электродинамики всякий ускоренно движущийся электрон излучает электромагнитную энергию . Вследствие этого кинетическая энергия электрона уменьшается, и в конце концов он должен упасть на ядро». А Кайгородский даже подсчитал в «Физике для всех» время падения электрона на ядро – сотые доли секунды!

Прошу посмотреть читателя на уравнение классической электродинамики Вебера, состоящее из трех слагаемых. Первое слагаемое – закон Кулона, второе – изменение силы взаимодействия в результате запаздывания потенциала, третье – это то, что относится к нашей теме излучения. Здесь мы видим, что в формулу Вебера входит скалярная величина расстояния между взаимодействующими частицами. Это означает, что при неизменном расстоянии между ядром и электроном и первая и вторая производные равны нулю. Следовательно, в этом случае должны отсутствовать запаздывание потенциала и излучение . А значит, не всякий ускоренно движущийся электрон излучает энергию. Движущийся по круговой орбите электрон не должен излучать ! Поражает, как долго осталась незамеченной столь существенная ошибка!

Решение второго вопроса было подсказано Гюйгенсом. Он предположил: «Свет возникает благодаря толчкам, которые движущиеся частицы тел наносят частицам эфира». До появления соотношения де Бройля для длин волн эта фраза Гюйгенса как бы «висела в воздухе». Соотношение де Бройля должно было стать фундаментом для исследования причин появления как самого соотношения, а как следствия волн де Бройля – появления фотонов. Однако вывод об индетерменированности квантовой механики, сделанный Борном, Гейзенбергом и Бором, а также отказ от эфира, сделанный Эйнштейном, увел физиков в сторону от этой проблемы.

Видимо, следует предположить, что волны де Бройля – реальный процесс «толчкового» движения частиц, причиной которого является неравномерность запаздывания потенциала, а фотон является отрезком локальных (остронаправленных) волн эфира, имеющих в начале и в конце немного разную частоту колебания (ширину спектральной линии), что связано с замедлением скорости электрона при перескоке его с одной устойчивой орбиты на другую.

Толчковое движение частиц как следствие неравномерности запаздывания потенциала может явиться решением еще одного из вопросов квантовой механики – существования устойчивых дискретных орбит электрона. Устойчивые орбиты являются, видимо, результатом резонанса циклических и толчковых колебаний.

Таким образом, несмотря на множественные заклинания ортодоксальных релятивистов о том, что возвращения к классической физике, к эфиру, к механическим взглядам, к причинности и к волновым представлениям света нет и быть не может, мы должны это сделать, иначе «придется отказаться от всякой надежды когда-либо и что-нибудь понять в физике»

Литература:

1. А.И. Вейник. Термодинамика. Высшая школа, Минск, 1968, стр. 434.
2. Х. Гюйгенс. Трактат о свете. Лейден, 1703. Пер. с лат. в сб. под ред. Г.М. Голина и С.Р. Филоновича «Классики Физической науки», Высшая школа, 1989, стр. 131-140.
3. Дж. К. Максвелл. Трактат об электричестве и магнетизме, т. 1, 2, Оксфорд, 1873. Пер. с англ. Наука, М., 1989.
4. И. Ньютон. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. Лондон, 1706. Пер. с лат. под ред. Г.С. Ландсберга, Гостехиздат, М., 1981.
5. С.И. Вавилов. Глаз и солнце. Наука, М., 1976.
6. Г. Герц. О весьма быстрых электрических колебаниях. Ann. der Ph., b. 31, s. 421...448. Пер. с нем. в сб. под ред. Г.М. Голина и С.Р. Филоновича «Классики Физической науки», Высшая школа, 1989.
7. Г. Герц. Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении. Ann. der Ph., b. 34, s. 609...623. Пер. с нем. в сб. под ред. Г.М. Голина и С.Р. Филоновича «Классики Физической науки», Высшая школа, 1989.
8. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Пер. с англ., т. 3, 4, Мир, М., 1976, стр. 391...398.
9. В.К. Семенченко. Избранные главы теоретической физики. Просвещение, М., 1966, стр. 131.
10. А.И. Китайгородский. Физика для всех, т. 3 (Электроны), Наука, М., 1979.

«Наука Казахстана» №5 (65), 1...15 марта 1996 г.

Каждую минуту на Землю приходит количество солнечной энергии достаточное для обеспечения человечества на несколько лет вперед

Свет, который мы видим каждый день, является лишь частью всего излучения, рождаемого Солнцем и падающего на Землю. Солнечный свет — это вид электромагнитного излучения, и свет, который видит наш глаз, является лишь небольшой частью всего электромагнитного спектра, приведенного на изображении справа. Электромагнитный спектр является отражением того, что свету присущи волновые свойства: свет можно описать как набор волн с различными характеристиками, такими как длина волны.

Впервые волновые представления о свете появились в начале 19-ого века. Опыты Юнга, Араго и Френеля показали существование интерференционных эффектов в пучках света, свидетельствовавших о том, что свет состоит из волн. К концу 60-ых годов видимый свет представляли, как часть всего электромагнитного спектра. Однако, в конце 19-ого века у волновой теории возникли определенные трудности: волновые уравнения не могли объяснить результаты опытов по измерению спектра излучения нагретых тел. Это противоречие было разрешено Максом Планком в 1900г. и Альбертом Эйнштейном в 1905г. Планк предложил, что вся энергия света состоит из энергий неразличимых элементов - квантов энергии. В процессе исследования фотоэффекта (освобождение электронов из некоторых металлов и полупроводников под действием света) Эйнштейн смог верно определить величину энергетических квантов. За это открытие Планк и Эйнштейн получили Нобелевские премии в 1918 и 1921 годах соответственно. Основным результатом их работы стало понимание того, что свет можно описать, как набор «пакетов» или частиц энергии - фотонов.

Сегодня для объяснения волновой и корпускулярной природы света используют аппарат квантовой механики. В квантовой механике фотон, наряду со всеми остальными квантово-механическими частицами (электронами, протонами и др.), наиболее точно представляется, как «волновой пакет». Волновой пакет - это набор волн, который может взаимодействовать так, как-будто является пространственно локализованным (аналогично прямоугольной волне, являющейся результатом сложения бесконечного числа синусоидальных волн) либо может взаимодействовать, как обычная волна. Если волновой пакет пространственно локализован, он ведет себя как частица. Поэтому, в зависимости от ситуации, фотон может проявлять себя или как частица, или как волна. Эта концепция получила название корпускулярно-волновой дуализм. В PVCDROM мы нарисовали волновой пакет следующим образом:

Полное физическое описание свойств света требует его квантово-механического анализа, так как фотоны являются разновидностью квантово-механических частиц. Обычно, для понимания работы солнечного элемента нет необходимости вдаваться в эти подробности, поэтому мы посвятили квантовой механике всего несколько строк. В некоторых случаях (к счастью, редко касающихся ФЭ систем) свет может вести себя не так, как следует из приведенных здесь коротких объяснений. Его поведение может противоречить «здравому смыслу», под которым понимается наши повседневные наблюдения и ощущения. Так как квантово-механические эффекты существуют вне пределов человеческого восприятия, к ним нельзя применять понятия здравого смысла. Для получения более полной информации о современной представлении природы света, пожалуйста, обращайтесь к книгам Richard Feynman.

Падающее на Землю солнечное излучение обладает некоторыми основными характеристиками, важными для определения того, как оно взаимодействует с ФЭ преобразователем или другими объектами. Этими характеристиками являются:

Спектральный состав падающего излучения
- интенсивность солнечного излучения
- угол, под которым падающее солнечное излучение попадает на фотоэлектрический модуль
- годовое или дневное количество энергии солнечного излучения, падающее на определенную поверхность

К концу этой главы, вы будете знать о всех вышеупомянутых концепциях.

Фотон характеризуется либо длиной волны λ, либо эквивалентной этой длине волны энергией, обозначаемой Е. Они связаны между собой

соотношением:

где h - постоянная Планка, с - скорость света. Величины этих и других часто используемых констант приведены на этой странице.

Так как энергия фотона обратно пропорциональна длине волны, фотоны с высокой энергией, например, фотоны синего света, имеют длину волны меньше, чем фотоны красного света с более низкой энергией.

Для описания энергии фотонов и электронов вместо джоулей удобнее использовать единицу энергии, называемую электрон-Вольт (эВ). 1 электрон-Вольт равен энергии необходимой одному электрону для преодоления поля, создаваемого разностью потенициалов 1 Вольт, 1 эВ = 1.602×10-19 Дж.

Если энергию фотона записать в электрон-Вольтах (эВ), а длину волны в микрометрах (µm), то предыдущее уравнение можно представить, как

Вы можете воспользоваться картой длин волн или калькулятором для нахождения соответствующей энергии фотона в любой части электромагнитного спектра.

Введите длину волны, λ = 0,6 мм
Энергия фотона, E = 2,0667 эВ

Плотность потока фотонов - это число фотонов, проходящих через единицу поверхности в единицу времени:

Плотность потока фотонов нужна для того, чтобы определить число генерируемых светом электронов, а следовательно и силу тока, вырабатываемого солнечным элементом. Кроме величины плотности потока фотонов необходимо также знать их энергию или длину волны. Если известны плотность потока фотонов и длина волны или энергия фотонов, то для каждой длины волны или энергии можно рассчитать поверхностную плотность потока излучения (интенсивность - для единичной поверхности или освещенность - если речь идет о заданной поверхности). Поверхностная плотность потока излучения получается умножением плотности потока фотонов на энергию одного фотона. Так как плотность потока фотонов - это число фотонов, падающих на поверхность в единицу времени, то, умножив его на энергию одного фотона, получим энергию, падающую на поверхность в единицу времени, то есть поверхностную плотность потока излучения. Если энергию фотона записать в Джоулях, то интенсивность будет иметь размерность Вт/м2 и

где Ф - это поток фотонов.

Ф = 3e21 м-2с-1
Eф = 2 эВ

H = 961,2 Вт/м2

Одним из следствий из этого уравнение является то, что для обеспечение одной и той же интенсивности излучения нужно иметь большую плотность потока фотонов с низкой энергией, чем с высокой. Анимация показывает одинаковую интенсивность излучения, создаваемую фотонами синего и красного цвета, падающими на поверхность. Синих фотонов меньше, так как они имеют большую энергию.

Спектральная плотность освещенности (светимости), как функция длины волны или энергии фотона, обозначается F и является наиболее распространенным способом описания освещаемой поверхности (источника света). Она дает поверхностную плотность потока излучения для определенной длины волны. Единицы спектральной плотности освещенности - Втм-2μм-1. 1 Втм-2 это поверхностная плотность потока излучения на длине волны λ(μм). Поэтому м-2 относится к площади освещаемой поверхности (источника света), а μм-1 к интересуемой длине волны.

При анализе солнечных элементов в большинстве случаев необходимо знать не только плотность потока фотонов, но и спектральную плотность освещенности. Ее можно получить из потока фотонов на определенной длине волны, как показано в разделе «Поток фотонов». Результат потом делится на данную длину волны:

где
F - спектральная плотность освещенности в Втм-2μм-1;
Ф - плотность потока фотонов в # фотонов м −2с-1
Е и λ - энергия и длина волны фотона в эВ и мкм соответственно и q, h и c - константы.

Спектральная плотность светимости ксеноновой (зеленая линия), галогеновой (синяя) и ртутной (красная) ламп по левой оси показаны на графике в сравнении со спектральной излучательной способностью Солнца (розовая линия) по правой оси.

Полную (освещенность объекта) светимость источника света можно получить интегрированием спектральной плотности освещенности по всем интересующим длинам волн или энергий. Однако для большого количества случаев точное уравнение спектральной плотности освещенности записать невозможно. Вместо интегрирования спектральную плотность освещенности измеряют для каждой длины волны и за тем суммируют по всем длинам волн. Для определения полной освещенности (светимости) можно использовать следующее уравнение:

где
Н - это полная светимость источником света (освещенность объекта) в Втм −2
F(λ) - спектральная излучательная способность в Втм-2µм-1
Δλ, dλ - длины волн