物质温度和辐射、吸收的关系(上)
                                                                                ——物体对辐射的吸收

志勰

本文主要为了解释太阳能热水器的工作原理而写。主要说明的是在确定光照强度下的物体表面对光吸收的关系。


1、吸收太阳光能量的过程

   可能性的作用模式

    在空间的介质问题之四——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(中)(光的粒子性)中我把光看作一种空间介质对电磁作用的传递,由于太阳的质量是异常的巨大,那么作为发射太阳光的原子和粒子来说,数量之庞大是难以想象的,如果每一个粒子每一次碰撞都发射一个光子,那么即便传到地球表面上的太阳光,大量光子的叠加我们也足可以将空间介质对这种作用的传递当作一种连续的作用看待。

     (1)孤立电子在光线中的受力状态

    如果太阳光给与物体表面的原子的作用可以当作连续处理,那么根据新的作用模式,根据静态的原子模型,理论上我们不能得到太阳光会使物体温度的升高。如图:

fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-1.gif (3223 字节) fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-2.gif (2800 字节)

     上图中,虚线表示光线,黑色的圆球表示原子核,白色的小球表示电子。

     如果太阳光给于原子核和电子的作用是稳定的,并且方向相反,那么我们理论上将不能得到静态的原子接受到太阳光照射后会震动速度增加。一个在空间中静态的原子,将会处于这种作用力的平衡状态,即太阳光给于原子的作用会使原子中的电子和原子和的受力状态处于一种作用力的平衡状态。电子和原子核之间将产生一种势能。

     如果太阳光给于原子的作用不足以将原子中的电子和原子核分离开来,那么,对于一个静态的或者确定存在状态的在空间中存在的原子,它就会处在这种平衡状态,它的温度和运动速度不会存在任何的变化。

    (2)气体分子在光线中的存在状态并可能的产生温度变化的模式

    气体分子在确定的空间中进行无需的运动,并不是的进行大量的碰撞。如图:

fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-3.gif (4337 字节)fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-4.gif (3367 字节)

   在上图的左图中,所画的是分子的无序运动状态,每一个原子或者分子在光线中都会由于光线给于原子的作用而处于一种原子势能状态。这种势能状态在没有发生碰撞或者右图的状况下的情况将是稳定的。

   在两个原子的碰撞结束以后,这种原子是能将会重新分布,并形成一次震动。可以形成一种原子存在状态的变化,并辐射一次电磁作用。(每一个电荷都会辐射)

   当空间中的两个原子发生右图中的情况时,一个原子中的电子或者原子核占据的空间位置阻止光线照射到另一个原子的电荷上或者是光线照射到另一个电荷上时会发生作用强度的不同,那么另一个原子的一个电荷由于失去了光线给于这个电荷的作用而处于一种作用力的失衡状态,那么,这个电荷在原子中会形成一次震动。这可能形成原子能量的增加。

   由于电子和原子核所占据的原子空间截面积是很小的,只有原子整个截面积的百亿分之一,相对来说,这种几率也是非常的小,因此光线给于原子的这种作用可以忽略不计,或者说光线不能对洁净的气体分子进行升温作用。如果气体分子的密度非常大,那么就不能忽略不计了,因为分子的数量也是非常可观的。在前面的文章中我们探讨过,电荷的一次存在状态的改变会产生一种空间的电磁作用,这种作用可以影响和它作用的太阳光的属性。比如进行通常意义上的吸收。一般来说对高能量的电磁作用如通常所说的高频率的电磁波(如紫外线)的作用会很强烈,也就是吸收的意义。

   (3)固体在光线中的存在状态并可能的产生温度变化的模式

   固体和气体的不同之处在于固体存在确定的分子排列结构,并且在固定的平衡位置作无规则的震动。固体中的原子之间的排列是高度密集。如图:

fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-5.gif (2913 字节)fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-6.gif (2335 字节)    在这两个图中,右边的图中没有将电子给画出来,原子都在它们固定的空间平衡位置做无规则的震动,这种震动过程的任一个时刻,原子中电子的存在状态都是瞬时的,都可以和光线发生作用,当然这有一种限制,就是必须是有光线参与的作用。相对来说,由原子对太阳光的光线所遮住的几率就要非常之大。

   在谈到太阳光给于空气分子的作用的时候

,原子遮住太阳光,使太阳光不能照射到下面的原子一次,那么太阳光就会对下面的原子中的电荷产生一次作用,并且太阳光给于原子的作用是使原子中原子核和电子之间的位移势能趋向于最大。那么我们可以认为物体表面对太阳光的吸收来自于由于物体表面的原子对太阳光的遮挡而形成的对这挡住电荷的作用。原子对太阳光的遮挡的次数依赖于物体表面分子的运动速度,分子速度越高,单位时间内遮挡的次数越多,那么使分子产生的震动强度的增加也就越多。反映到物体的温度上,会使物体表面的温度升高得也越多。

2、吸收太阳光能量的关系

    在光照强度较大的情况下,可以将空间介质传递的电磁作用当作连续处理。那么这就提供了一种计算确定光照强度照射到确定的物体表面时,物体表面对光吸收的关系。

    在上面的分析中,我们得到太阳光施加给物体表面的作用是通过物体表面的原子在某一时刻这挡住太阳光而形成重新对原子的作用。那么,遮挡的次数依赖于原子的震动速度。这样太阳光给与物体表面原子的作用也就依赖于原子的震动速度。

    对物体中原子震动速度存在两种定义:

    一种是传统物理学中物体的温度同物质分子的动能成正比。即:相同的物质分子,温度同物质分子震动速度的平方成正比。

    另一种是我提出的物体的温度同分子的动量成正比。相同的物质分子,温度同物质分子震动速度成正比。

    我们来看一下确定的太阳光给于物质原子的作用。

    第一、作用次数。如图:

fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-7.gif (1328 字节)

    图中所画的是确定距离往返运动的两个物体,这和原子的周期震动是相类似的。我们只要计算两个物体在单位时间里运动过程中的相遇次数就行了。这等效于太阳光给于物质原子的作用次数。

    根据简单运动学的规律我们可以得到两个物体相遇的次数同物体的运动速度成正比。

    第二、作用强度。如图:

fshhxshzhwzhhwddgx-xsh-8.gif (3107 字节)

    当太阳光照射到一个电荷的时候,这个电荷由于在空间中存在电的作用分布,那么它会阻挡太阳光通过它遮挡它遮住的区域,并且会改变它附近的光子的传播方向。前者表现为减少光的截面积,或者说照射强度,不过非常微小,对于整个入射太阳光可以略而不计。后者则改变光的传递方向。

    如果这个电荷将太阳光遮住,那么可以肯定太阳光和它遮住的这个电荷的作用同太阳光正常照射这个电荷的作用是不同的。如果将太阳光看作通过空间介质对电磁作用的传递,那么这种作用的不同会直接影响电荷所处于的状态及在原子中的受力关系。那么时间的长短同电荷的变速运动存在确定的关系,并且其强度依赖于电荷的运动速度。

    如果原子的震动速度增加,那么原子中各个电子间的作用时间也会变短,这样无疑会增加电子的运动速度。那么电子反向施加给原子的作用力也就越大。

    另一方面,一个自由电子在光线中受到光的照射的同时,也会产生变速运动,同时辐射出这种变速运动所表示的电磁作用,通常的电磁波。并和原入射光的作用是相削的。

    由于原子间电子作用的复杂,不能清楚的去确定精确的作用关系。我在这里粗略的估算,光线给于电荷的作用强度同原子的震动速度成正比。

     这样我们可以得到在确定的光照强度下,确定物体表面对光吸收的关系。

     依据传统物理学的分子的运动速度同分子动能成正比,那么可以得到物体表面对光能量吸收同物体的表面温度成正比。

     依据我得出的分子的运动速度同分子的动量成正比,那么可以得到物体表面对光能量吸收同物体的表面温度的平方成正比。

    由于存在两种温度同分子运动速度的关系,那么也只能得出两种对确定光照强度的吸收关系。可以进行检验。

2001.3.21


返回首页