Как наука о преобразованиях вещества и энергии
| Ответ на вопросы, которые остаются без ответа, заключается в том, что они должны быть иначе поставлены. | ||
| Гегель | ||
| Гораздо труднее увидеть проблему, чем найти ее решение. Для первого требуется воображение, а для второго только умение. | ||
| Бернал |
О замысле. Фотохимические преобразования. Фотоэффект и радиационная теория катализа А.Эйнштейна. Не является ли кинетическая энергия молекул лишь проявлением поглощенных ФОТОНОВ. «Плененное» излучение. Формы проявления фотона. Механизм взаимодействия фотонов с молекулой (атомом). Эффект нагревания и химическая реакция. Резонансные частоты фотоэффекта. Эффект парциального давления газа. Фотоника. Фотохимическое равновесие. Уравнение реакций. Константы фотохимического равновесия. Тепловой эффект химической реакции. Энергия активации. О митогенетическом излучении и сохранении мощности.
Теперь, мы можем говорить о ХИМИИ, которая должна принять «эстафетную палочку» от физики.
О замысле
Мы уже касались проблемы преобразования потоков энергии, когда у объекта с течением времени изменяются связи и «высвечивается» «энергия связи». Так, атом водорода, образуясь из протона и свободного электрона «высвечивает» «энергию связи» в виде Фотона — светового кванта.
В этом разделе речь пойдет о фотохимических преобразованиях, о фотонике. Мы рассчитываем, что в результате на атомно-молекулярном уровне будет установлен мостик между физикой неорганического и органического мира.
1. Фотохимические преобразования
Известно, что первый шаг в этом направлении сделал в 1905 г. А.Эйнштейн. Однако, введенное им понятие квантов энергии, было встречено с недоверием ведущими физиками того времени. В работе М.Д.Клейна, опубликованной в «Эйнштейновском сборнике» за 1966 год под названием «Первая работа Эйнштейна по квантам», сказано:
«Даже в 1913 г. Макс Планк мог включить следующее замечание в письмо, в котором он предлагал избрать Эйнштейна членом Прусской академии наук и всячески превозносил его труды и дарования: “То, что он иногда бьет мимо цели в своих соображениях, как, например, в связи с гипотезой световых квантов, не может быть поставлено ему в минус”» (с. 261).
Более того, именно Эйнштейн и был тем человеком, который связал фотоэффект с химической реакцией. Так появилась радиационная теория катализа, ныне уже забытая. Теория фотоэффекта получила свое подтверждение только в 1916 году после работ Милликена. Таким образом, в момент становления квантовой статистики, многие положения радиационной теории катализа казались весьма спорными.
Наиболее ярким представителем этой теории был В.Мак-Льюис, опубликовавший книгу, переведенную на русский язык С.А.Щукаревым под названием: «Теория квант в физической химии» (1924 г. Петроград).
2. Фотоэффект и радиационная теория катализа А.Эйнштейна
Радиационная теория катализа встретилась с ОДНИМ противоречием — скорости химических реакций оказались ВЫШЕ, чем требовалось от теории, которая действовала в то время. Вычисляя плотность лучистой энергии в сфере химической реакции, приходили к выводу, что такая плотность фотонов в сфере реакции НЕДОСТАТОЧНА для наблюдаемых скоростей реакции. В.Мак-Льюис использовал для «спасения теории», рассчитанную им плотность энергии, используя значение диэлектрической постоянной воды, которая равна 81. Поскольку диэлектрическая постоянная равна квадрату показателя преломления, то он учел значение показателя преломления n, равную 9. Вводя показатель преломления в предэкспоненциальный множитель закона излучения абсолютно черного тела Планка в кубе, он получил плотность энергии, которая в 729 раз выше, чем в вакуумной полости. Однако этого увеличения оказалось мало, так как относительно плотности излучения в вакууме требовался множитель порядка 106.
С другой стороны, эта теория была опровергнута «экспериментально». Опровержение выглядело так. Определяем энергию активации для некоторой химической реакции. Делим полученное выражение на число молекул и вычисляем энергию активации отдельной молекулы. Считаем, что для каждой молекулы требуется излучение с частотой или длиной волны, равной энергии активации. Частота излучения, полученная этим вычислением, оказалась фотохимически неактивной. На таком опровержении и закончилась история радиационной теории катализа.
В настоящее время, когда мы знаем, что резонансная частота должна задаваться с точностью до 10-10, а точность вычисления энергии активации не превосходит 5%, никакой проверки «экспериментально» не могло производиться вообще!
Более трудным, но правильно решенным Мак-Льюисом вопросом, был вопрос о введении показателя преломления n в предэкспоненциальный множитель в формулу Планка.
Если для вакуума скорость света зависит ТОЛЬКО от длины волны и частоты:
c = l n, (4.1)
где c — скорость света, l — длина волны, n — частота; то с учетом показателя преломления n — либо длина волны, либо частота имеет своим сомножителем этот показатель преломления.
c = n l n . (4.2)
Чтобы получить плотность энергии, согласованную со скоростью реакции, то есть множитель 106 — достаточно, чтобы показатель преломления имел значение порядка 102.
Поскольку речь идет о РЕЗОНАНСНОМ поглощении, то есть поглощения света, совпадающего с собственной частотой, то на собственных частотах, как известно, показатель преломления стремиться к бесконечности (формально из математической формулы), а реально может заметно превосходить величину 102. Таким образом, как теоретически (плотность излучения), так и «экспериментально» — радиационная теория катализа Эйнштейна — выдержала испытание временем.
В настоящее время нет ни одного явления в кинетической теории газов, которое не следовало бы из моделей молекул с квантованием кинетической энергии.
3. Не является ли кинетическая энергия молекул лишь проявлением
поглощенных ФОТОНОВ?
Простой мысленный эксперимент подтверждает эту гипотезу. Если закрыть Землю оболочкой, которая изолирует ее от действия лучистой энергии Солнца, и охладить Землю до абсолютного нуля температур, то вся газовая оболочка нашей планеты превратится в твердое тело с лужицами гелия. Естественно, что в этом мысленном эксперименте мы пренебрегаем теплотой, которая идет из глубинных слоев земного шара.
Этот мысленный эксперимент снимает мысленный штамп, связанный со статистическим описанием газа атмосферы, как «бильярдных шаров, находящихся в состоянии хаотического беспорядочного движения». При абсолютном нуле этого хаотического беспорядочного движения молекул не наблюдается, то есть такое движение не является СОБСТВЕННЫМ СВОЙСТВОМ молекул. Однако достаточно убрать преграду к доступу солнечного света — то довольно быстро восстановится наблюдаемая нами атмосфера, где над каждым квадратным сантиметром поверхности находится столб, весом в килограмм.
4. «Плененное» излучение
Это позволяет нам сделать следующий вывод: кинетическая энергия молекул есть ничто иное, как энергия фотонов, поглощенная атмосферой и другими веществами поверхности планеты. Теперь существует термин для этого излучения — «плененное излучение». Наибольшее количество накопленной лучистой энергии связано с водой океана.
Именно признание факта, что кинетическая энергия молекул НЕ ЕСТЬ собственное свойство молекул, а результат поглощенных фотонов — позволяет рассматривать кинетическую энергию молекул, как энергию «плененного излучения» — этот термин введен в теории лазеров по отношению к накапливаемому излучению.
С другой стороны, отказываясь от гипотезы бильярдных шаров, мы должны будем признать, что кинетическая энергия молекул, поглощающих в соответствии со спектром поглощения, КВАНТУЕТСЯ. Это являет себя в процессе излучения газов в виде специфического спектра излучения. Гипотеза бильярдных шаров находится в противоречии с наблюдаемыми СПЕКТРАМИ самих атомов и молекул.
5. Формы проявления фотона
Во всех квантово-энергетических процессах участвует ФОТОН. Однако, он может проявляться в различных формах:
1. В форме электромагнитного излучения в свободном пространстве (в вакууме) с той или иной длиной волны или с той или иной частотой.
2. В форме теплоты, когда эти фотоны претерпели эффект превращения в ТЕПЛОТУ, но только после поглощения их тем или иным ВЕЩЕСТВОМ.
3. В форме химической потенциальной энергии, когда эти фотоны вызвали фотоэффект или фотодиссоциацию. В последнем случае реизлучение уже не следует закону Стефана—Больцмана.