Idag kommer vi att prata om Lebedevs experiment med att bevisa trycket från ljusfotoner. Vi kommer att avslöja vikten av denna upptäckt och bakgrunden som ledde till den.
Kunskap är nyfikenhet
Det finns två synpunkter på fenomenet nyfikenhet. Det ena uttrycks med talesättet "nyfikna Varvaras näsa slets av på marknaden", och det andra - med talesättet "nyfikenhet är inte en last". Denna paradox är lätt att lösa om man skiljer på områden där intresse inte är välkommet eller tvärtom behövs.
Johannes Kepler föddes inte för att bli vetenskapsman: hans far stred i kriget och hans mor höll en krog. Men han hade extraordinära förmågor och var förstås nyfiken. Dessutom led Kepler av en allvarlig synnedsättning. Men det var han som gjorde upptäckter, tack vare vilka vetenskapen och hela världen är där de är nu. Johannes Kepler är känd för att klargöra Copernicus planetsystem, men idag kommer vi att prata om andra prestationer av vetenskapsmannen.
Tröghet och våglängd: A Medieval Legacy
Femtio tusen år sedan tillhörde matematik och fysik avsnittet "Konst". Därför var Copernicus engagerad i mekaniken för rörelser av kroppar (inklusive himmelska), och optik och gravitation. Det var han som bevisade existensen av tröghet. Från slutsatsernaDenna vetenskapsman odlade modern mekanik, konceptet med kroppars interaktioner, vetenskapen om utbyte av hastigheter för kontaktande föremål. Copernicus utvecklade också ett harmoniskt system av linjär optik.
Han introducerade begrepp som:
- "ljusbrytning";
- "brytning";
- "optisk axel";
- "total intern reflektion";
- "belysning".
Och hans forskning bevisade så småningom ljusets vågnatur och ledde till Lebedevs experiment med att mäta trycket från fotoner.
Ljusets kvantegenskaper
Först och främst är det värt att definiera ljusets väsen och prata om vad det är. En foton är ett kvantum av ett elektromagnetiskt fält. Det är ett energipaket som rör sig genom rymden som helhet. Man kan inte "bita av" lite energi från en foton, men den kan omvandlas. Till exempel, om ljus absorberas av ett ämne, kan dess energi inuti kroppen genomgå förändringar och sända tillbaka en foton med en annan energi. Men formellt sett kommer detta inte att vara samma kvantum av ljus som absorberades.
Ett exempel på detta skulle vara en solid metallkula. Om en bit materia slits från sin yta kommer formen att förändras, den kommer att sluta vara sfärisk. Men om du smälter hela föremålet, tar lite flytande metall och sedan skapar en mindre kula av resterna, så blir det igen en sfär, men annorlunda, inte samma som förut.
Ljusets vågegenskaper
Foton har egenskaperna hos en våg. Grundläggande parametrar är:
- våglängd (karakteriserar mellanslag);
- frekvens (karakteriserartid);
- amplitud (karakteriserar oscillationens styrka).
Men som ett kvantum av ett elektromagnetiskt fält har en foton också en utbredningsriktning (betecknad som en vågvektor). Dessutom kan amplitudvektorn rotera runt vågvektorn och skapa vågpolarisering. Med samtidig emission av flera fotoner blir också fasen, eller snarare fasskillnaden, en viktig faktor. Kom ihåg att fasen är den del av svängningen som vågfronten har vid ett visst ögonblick (uppgång, maximum, sänkning eller minimum).
Massa och energi
Som Einstein kvickt bevisade, är massa energi. Men i varje specifikt fall kan sökandet efter en lag enligt vilken ett värde förvandlas till ett annat vara svårt. Alla ovanstående vågegenskaper hos ljus är nära relaterade till energi. Nämligen: att öka våglängden och minska frekvensen innebär mindre energi. Men eftersom det finns energi måste fotonen ha massa, därför måste det finnas ett lätt tryck.
Erfarenhetsstruktur
Men eftersom fotoner är mycket små bör deras massa också vara liten. Att bygga en enhet som kunde bestämma den med tillräcklig noggrannhet var en svår teknisk uppgift. Den ryske vetenskapsmannen Lebedev Petr Nikolaevich var den första att klara av det.
Själva experimentet baserades på utformningen av vikterna som bestämde vridmomentet. En tvärstång hängdes på en silvertråd. Fäst vid dess ändar var identiska tunna plattor av olikamaterial. Oftast användes metaller (silver, guld, nickel) i Lebedevs experiment, men det fanns även glimmer. Hela strukturen placerades i ett glaskärl, i vilket ett vakuum skapades. Därefter belystes den ena plattan, medan den andra låg i skuggan. Lebedevs erfarenhet visade att belysning av ena sidan leder till att vågen börjar snurra. Enligt avvikelsens vinkel bedömde forskaren ljusets styrka.
Upplev svårigheter
I början av 1900-talet var det svårt att sätta upp ett tillräckligt exakt experiment. Varje fysiker visste hur man skapar ett vakuum, arbetar med glas och polerar ytor. Faktum är att kunskap erhölls manuellt. På den tiden fanns det inga stora företag som skulle producera den nödvändiga utrustningen i hundratals bitar. Lebedevs enhet skapades för hand, så vetenskapsmannen stod inför ett antal svårigheter.
Vakuumet vid den tiden var inte ens medelmåttigt. Forskaren pumpade ut luft under ett glaslock med en speciell pump. Men experimentet ägde i bästa fall rum i en sällsynt atmosfär. Det var svårt att separera ljustrycket (impulsöverföring) från uppvärmningen av den upplysta sidan av enheten: huvudhindret var närvaron av gas. Om experimentet utfördes i ett djupt vakuum skulle det inte finnas några molekyler vars Brownska rörelse på den upplysta sidan skulle vara starkare.
Känsligheten hos avböjningsvinkeln lämnade mycket att önska. Moderna skruvsökare kan mäta vinklar ner till miljondelar av en radian. I början av artonhundratalet kunde skalan ses med blotta ögat. Metodtid kunde inte ge identisk vikt och storlek på plattorna. Detta gjorde det i sin tur omöjligt att fördela massan jämnt, vilket också skapade svårigheter att bestämma vridmomentet.
Trådens isolering och struktur påverkar resultatet i hög grad. Om ena änden av metallstycket värmdes upp mer av någon anledning (detta kallas en temperaturgradient), då kunde tråden börja vrida sig utan lätt tryck. Trots det faktum att Lebedevs enhet var ganska enkel och gav ett stort fel, bekräftades faktumet av momentumöverföring av fotoner av ljus.
Form på belysningsplattor
Föregående avsnitt listade många tekniska svårigheter som fanns i experimentet, men påverkade inte huvudsaken - ljus. Rent teoretiskt föreställer vi oss att en stråle av monokromatiska strålar faller på plattan, som är strikt parallella med varandra. Men i början av 1900-talet var ljuskällan solen, ljus och enkla glödlampor. För att göra strålknippen parallell byggdes komplexa linssystem. Och i det här fallet var ljusintensitetskurvan för källan den viktigaste faktorn.
I fysiklektionerna sägs det ofta att strålar kommer från en punkt. Men riktiga ljusgeneratorer har vissa dimensioner. Dessutom kan mitten av ett glödtråd avge fler fotoner än kanterna. Som ett resultat lyser lampan upp vissa områden runt den bättre än andra. Linjen som går runt hela utrymmet med samma belysning från en given källa kallas ljusintensitetskurvan.
Blodmåne och partiell förmörkelse
Vampyrromaner är fulla av fruktansvärda förvandlingar som händer med människor och natur i blodmånen. Men det står inte att detta fenomen inte ska fruktas. Eftersom det är resultatet av solens stora storlek. Diametern på vår centrala stjärna är cirka 110 jorddiametrar. Samtidigt når fotoner som emitteras från både den ena och andra kanten av den synliga skivan planetens yta. Sålunda, när månen faller in i jordens penumbra, är den inte helt skymd, utan blir liksom röd. Atmosfären på planeten är också skyldig till denna nyans: den absorberar alla synliga våglängder, förutom de orangea. Kom ihåg att solen också blir röd vid solnedgången, och allt just för att den passerar genom ett tjockare lager av atmosfären.
Hur skapas jordens ozonskikt?
En noggrann läsare kanske frågar: "Vad har ljusets tryck att göra med Lebedevs experiment?" Den kemiska effekten av ljus beror förresten också på att fotonen bär fart. Detta fenomen är nämligen ansvarigt för vissa lager av planetens atmosfär.
Som ni vet absorberar vårt lufthav huvudsakligen den ultravioletta komponenten av solljus. Dessutom skulle liv i en känd form vara omöjligt om jordens steniga yta badades i ultraviolett ljus. Men på en höjd av cirka 100 km är atmosfären ännu inte tillräckligt tjock för att absorbera allt. Och ultraviolett får möjlighet att interagera med syre direkt. Det bryter molekylerna O2 ifria atomer och främjar deras kombination till en annan modifiering - O3. I sin rena form är denna gas dödlig. Det är därför det används för att desinficera luft, vatten, kläder. Men som en del av jordens atmosfär skyddar den alla levande varelser från effekterna av skadlig strålning, eftersom ozonskiktet mycket effektivt absorberar kvanta av det elektromagnetiska fältet med energier över det synliga spektrumet.
