Idag kommer vi att ägna ett samtal åt ett sådant fenomen som lätt tryck. Tänk på premisserna för upptäckten och konsekvenserna för vetenskapen.
Ljus och färg
Mysteriet med mänskliga förmågor har oroat människor sedan urminnes tider. Hur ser ögat? Varför finns färger? Vad är anledningen till att världen är som vi uppfattar den? Hur långt kan en person se? Experiment med nedbrytningen av en solstråle till ett spektrum utfördes av Newton på 1600-talet. Han lade också en strikt matematisk grund för ett antal olika fakta som vid den tiden var kända om ljus. Och Newtonsk teori förutspådde mycket: till exempel upptäckter som bara kvantfysiken förklarade (ljusets avböjning i ett gravitationsfält). Men den tidens fysik visste inte och förstod inte ljusets exakta natur.
Våg eller partikel
Sedan forskare runt om i världen började tränga in i ljusets väsen har det varit en debatt: vad är strålning, en våg eller en partikel (kropp)? Vissa fakta (brytning, reflektion och polarisering) bekräftade den första teorin. Andra (rätlinjig utbredning i frånvaro av hinder, lätt tryck) - den andra. Men bara kvantfysiken kunde lugna denna tvist genom att kombinera de två versionerna till en.allmän. Korpuskulär vågteorin säger att vilken mikropartikel som helst, inklusive en foton, har både egenskaperna hos en våg och en partikel. Det vill säga, ett ljuskvantum har sådana egenskaper som frekvens, amplitud och våglängd, såväl som momentum och massa. Låt oss göra en reservation direkt: fotoner har ingen vilomassa. Eftersom de är ett kvantum av det elektromagnetiska fältet, bär de energi och massa endast i rörelseprocessen. Detta är kärnan i begreppet "ljus". Fysiken har nu förklarat det tillräckligt detaljerat.
Våglängd och energi
Något ovanför begreppet "vågenergi" nämndes. Einstein bevisade på ett övertygande sätt att energi och massa är identiska begrepp. Om en foton bär energi måste den ha massa. Ett ljuskvantum är dock en "slug" partikel: när en foton kolliderar med ett hinder, ger den helt upp sin energi till materia, blir den och förlorar sin individuella essens. Samtidigt kan vissa omständigheter (t.ex. stark uppvärmning) göra att de tidigare mörka och lugna interiörerna av metaller och gaser avger ljus. En fotons rörelsemängd, en direkt följd av närvaron av massa, kan bestämmas med hjälp av ljusets tryck. Experimenten av Lebedev, en forskare från Ryssland, bevisade på ett övertygande sätt detta fantastiska faktum.
Lebedevs experiment
Ryske vetenskapsmannen Petr Nikolaevich Lebedev gjorde följande experiment 1899. På en tunn silvertråd hängde han en tvärstång. Till ändarna av tvärstången fäste forskaren två plattor av samma ämne. Dessa var silverfolie och guld och till och med glimmer. Därmed skapades ett slags vågar. Bara de mätte vikten inte av lasten som trycker uppifrån, utan av lasten som trycker från sidan på var och en av plattorna. Lebedev placerade hela denna struktur under ett glasskydd så att vinden och slumpmässiga fluktuationer i luftdensiteten inte kunde påverka den. Vidare skulle jag vilja skriva att han skapade ett vakuum under locket. Men på den tiden var till och med ett genomsnittligt vakuum omöjligt att uppnå. Så vi säger att han skapade en mycket sällsynt atmosfär under glaset. Och växelvis belyst den ena plattan och lämnade den andra i skuggan. Mängden ljus riktat mot ytorna var förutbestämd. Från avböjningsvinkeln bestämde Lebedev vilket momentum som överförde ljuset till plattorna.
Formler för att bestämma trycket för elektromagnetisk strålning vid normal strålinfalls
Låt oss först förklara vad ett "norm alt fall" är? Ljus infaller norm alt på en yta om det riktas strikt vinkelrätt mot ytan. Detta medför begränsningar för problemet: ytan måste vara perfekt jämn och strålningsstrålen måste riktas mycket exakt. I detta fall beräknas lätttrycket med formeln:
p=(1-k+ρ)I/c, where
k är transmittansen, ρ är reflektionskoefficienten, I är intensiteten för den infallande ljusstrålen, c är ljusets hastighet i vakuum.
Men förmodligen har läsaren redan gissat att en sådan idealisk kombination av faktorer inte existerar. Även om man inte tar hänsyn till den ideala ytan är det ganska svårt att organisera ljusinfallet strikt vinkelrätt.
Formler förbestämma trycket för elektromagnetisk strålning när den faller i en vinkel
Ljustrycket på en spegelyta i en vinkel beräknas med en annan formel som redan innehåller element av vektorer:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Värdena p, i, i' är vektorer. I detta fall är k och ρ, liksom i föregående formel, transmissionskoefficienterna respektive reflektionskoefficienterna. De nya värdena betyder följande:
- ω – volymdensitet för strålningsenergi;
- i och i’ är enhetsvektorer som visar riktningen för det infallande och reflekterade ljusstrålen (de anger riktningarna i vilka de verkande krafterna ska adderas);
- ϴ - vinkel mot normalen vid vilken ljusstrålen faller (och följaktligen reflekteras, eftersom ytan är spegelvänd).
Påminn läsaren om att normalen är vinkelrät mot ytan, så om problemet ges ljusets infallsvinkel mot ytan, så är ϴ 90 grader minus det angivna värdet.
Tillämpning av elektromagnetisk strålningstryckfenomen
En student som studerar fysik tycker att många formler, begrepp och fenomen är tråkiga. Eftersom läraren som regel berättar om de teoretiska aspekterna, men sällan kan ge exempel på fördelarna med vissa fenomen. Låt oss inte skylla på skolans mentorer för detta: de är väldigt begränsade av programmet, under lektionen behöver du berätta omfattande material och ändå hinna kontrollera elevernas kunskaper.
Ändå har syftet med vår studie mycketintressanta applikationer:
- Nu kan nästan varje student i laboratoriet på hans utbildningsinstitution upprepa Lebedevs experiment. Men då var sammanträffandet av experimentella data med teoretiska beräkningar ett verkligt genombrott. Experimentet, som gjordes för första gången med ett 20 % fel, gjorde det möjligt för forskare runt om i världen att utveckla en ny gren av fysiken - kvantoptik.
- Produktion av högenergiprotoner (till exempel för bestrålning av olika ämnen) genom att accelerera tunna filmer med en laserpuls.
- Med hänsyn till trycket från solens elektromagnetiska strålning på ytan av objekt nära jorden, inklusive satelliter och rymdstationer, kan du korrigera deras omloppsbana med större noggrannhet och förhindrar dessa enheter från att falla till jorden.
Ovanstående applikationer finns nu i den verkliga världen. Men det finns också potentiella möjligheter som ännu inte har realiserats, eftersom mänsklighetens teknologi ännu inte har nått den nivå som krävs. Bland dem:
- Solsegel. Med dess hjälp skulle det vara möjligt att flytta ganska stora laster i nära jorden och till och med nära solrymden. Ljus ger en liten impuls, men med rätt läge på seglets yta skulle accelerationen vara konstant. I frånvaro av friktion räcker det att få fart och leverera varor till önskad punkt i solsystemet.
- Fotonisk motor. Denna teknik kommer kanske att tillåta en person att övervinna sin egen stjärnas attraktion och flyga till andra världar. Skillnaden mot ett solsegel är att en artificiellt skapad anordning, till exempel en termonukleär, kommer att generera solpulser.motor.
