Astăzi vom dedica o conversație unui astfel de fenomen precum presiunea ușoară. Luați în considerare premisele descoperirii și consecințele pentru știință.
Lumina si culoare
Misterul abilităților umane a îngrijorat oamenii din cele mai vechi timpuri. Cum vede ochiul? De ce există culori? Care este motivul pentru care lumea este așa cum o percepem? Cât de departe poate vedea o persoană? Experimentele cu descompunerea unei raze solare într-un spectru au fost efectuate de Newton în secolul al XVII-lea. El a pus, de asemenea, o bază matematică strictă pentru o serie de fapte disparate care la acea vreme erau cunoscute despre lumină. Și teoria newtoniană a prezis multe: de exemplu, descoperiri pe care doar fizica cuantică le-a explicat (deviația luminii într-un câmp gravitațional). Dar fizica de atunci nu cunoștea și nu înțelegea natura exactă a luminii.
Val sau particule
De când oamenii de știință din întreaga lume au început să pătrundă în esența luminii, a existat o dezbatere: ce este radiația, o undă sau o particulă (corpuscul)? Unele fapte (refracția, reflexia și polarizarea) au confirmat prima teorie. Altele (propagare rectilinie în absența obstacolelor, presiune ușoară) - al doilea. Cu toate acestea, numai fizica cuantică a reușit să calmeze această dispută combinând cele două versiuni într-una singură.general. Teoria undelor corpusculare afirmă că orice microparticulă, inclusiv un foton, are atât proprietățile undei, cât și ale unei particule. Adică, un cuantum de lumină are caracteristici precum frecvența, amplitudinea și lungimea de undă, precum și impulsul și masa. Să facem imediat o rezervare: fotonii nu au masă de repaus. Fiind un cuantum al câmpului electromagnetic, ele transportă energie și masă doar în procesul de mișcare. Aceasta este esența conceptului de „lumină”. Fizica l-a explicat acum suficient de detaliat.
Lungime de undă și energie
S-a menționat puțin peste conceptul de „energie valurilor”. Einstein a demonstrat în mod convingător că energia și masa sunt concepte identice. Dacă un foton transportă energie, trebuie să aibă masă. Cu toate acestea, un cuantum de lumină este o particulă „sprețuită”: atunci când un foton se ciocnește de un obstacol, își renunță complet energie la materie, devine ea și își pierde esența individuală. În același timp, anumite circumstanțe (încălzirea puternică, de exemplu) pot face ca interioarele întunecate și calme ale metalelor și gazelor să emită lumină. Momentul unui foton, o consecință directă a prezenței masei, poate fi determinat folosind presiunea luminii. Experimentele lui Lebedev, un cercetător din Rusia, au dovedit în mod convingător acest fapt uimitor.
experimentul lui Lebedev
Omul de știință rus Petr Nikolaevich Lebedev a făcut următorul experiment în 1899. Pe un fir subțire de argint atârnă o bară transversală. La capetele barei transversale, omul de știință a atașat două plăci din aceeași substanță. Acestea erau folie de argint, aur și chiar mică. Astfel, s-au creat un fel de cântare. Numai că au măsurat greutatea nu a încărcăturii care apasă de sus, ci a sarcinii care apasă din lateral pe fiecare dintre plăci. Lebedev a plasat întreaga structură sub un capac de sticlă, astfel încât vântul și fluctuațiile aleatorii ale densității aerului să nu o poată afecta. Mai departe, aș dori să scriu că a creat un vid sub capac. Dar la acel moment, chiar și un vid mediu era imposibil de realizat. Așa că spunem că a creat o atmosferă foarte rarefiată sub capacul de sticlă. Și a iluminat alternativ o farfurie, lăsând-o pe ceal altă în umbră. Cantitatea de lumină direcționată către suprafețe a fost predeterminată. Din unghiul de deviere, Lebedev a determinat ce impuls transmitea lumina plăcilor.
Formule pentru determinarea presiunii radiației electromagnetice la incidența normală a fasciculului
Să explicăm mai întâi ce este o „cădere normală”? Lumina incide pe o suprafață în mod normal dacă este îndreptată strict perpendicular pe suprafață. Acest lucru impune restricții asupra problemei: suprafața trebuie să fie perfect netedă, iar fasciculul de radiații trebuie direcționat foarte precis. În acest caz, presiunea ușoară este calculată cu formula:
p=(1-k+ρ)I/c, unde
k este transmisia, ρ este coeficientul de reflexie, I este intensitatea fasciculului de lumină incidentă, c este viteza luminii în vid.
Dar, probabil, cititorul a ghicit deja că o astfel de combinație ideală de factori nu există. Chiar dacă nu se ține cont de suprafața ideală, este destul de dificil să se organizeze incidența luminii strict perpendicular.
Formule pentrudeterminarea presiunii radiației electromagnetice atunci când aceasta cade sub un unghi
Presiunea luminii pe suprafața unei oglinzi la un unghi este calculată folosind o formulă diferită care conține deja elemente de vectori:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Valorile p, i, i' sunt vectori. În acest caz, k și ρ, ca și în formula anterioară, sunt coeficienții de transmisie și, respectiv, de reflexie. Noile valori înseamnă următoarele:
- ω – densitatea de volum a energiei radiației;
- i și i’ sunt vectori unitari care arată direcția fasciculului de lumină incident și reflectat (acestea stabilesc direcțiile în care ar trebui adăugate forțele care acționează);
- ϴ - unghi față de normala la care cade raza de lumină (și, în consecință, este reflectată, deoarece suprafața este oglindită).
Amintiți-i cititorului că normala este perpendiculară pe suprafață, deci dacă problema este dat unghiul de incidență a luminii față de suprafață, atunci ϴ este 90 de grade minus valoarea dată.
Aplicarea fenomenului de presiune a radiațiilor electromagnetice
Un student care studiază fizica găsește multe formule, concepte și fenomene plictisitoare. Pentru că, de regulă, profesorul spune aspectele teoretice, dar rareori poate da exemple despre beneficiile anumitor fenomene. Să nu dăm vina pe mentorii școlii pentru asta: ei sunt foarte limitați de program, în timpul lecției trebuie să povestești material amplu și încă mai ai timp să verifici cunoștințele elevilor.
Cu toate acestea, obiectul studiului nostru are multeaplicații interesante:
- Acum aproape fiecare student din laboratorul instituției sale de învățământ poate repeta experimentul lui Lebedev. Dar apoi coincidența datelor experimentale cu calculele teoretice a fost o adevărată descoperire. Experimentul, realizat pentru prima dată cu o eroare de 20%, a permis oamenilor de știință din întreaga lume să dezvolte o nouă ramură a fizicii - optica cuantică.
- Producția de protoni de în altă energie (de exemplu, pentru iradierea diferitelor substanțe) prin accelerarea peliculelor subțiri cu un impuls laser.
- Luând în considerare presiunea radiației electromagnetice a Soarelui pe suprafața obiectelor din apropierea Pământului, inclusiv a sateliților și a stațiilor spațiale, vă permite să corectați orbita acestora cu o mai mare precizie și împiedică căderea acestor dispozitive pe Pământ.
Aplicațiile de mai sus există acum în lumea reală. Dar există și oportunități potențiale care nu au fost încă realizate, deoarece tehnologia omenirii nu a atins încă nivelul cerut. Printre acestea:
- Vânză solară. Cu ajutorul acestuia, ar fi posibil să se deplaseze încărcături destul de mari în spațiul apropiat Pământului și chiar în spațiul aproape solar. Lumina dă un mic impuls, dar cu poziția corectă a suprafeței pânzei, accelerația ar fi constantă. În absența frecării, este suficient să câștigi viteză și să livrezi mărfuri în punctul dorit din sistemul solar.
- Motor fotonic. Această tehnologie, probabil, va permite unei persoane să depășească atracția propriei stele și să zboare în alte lumi. Diferența față de o velă solară este că un dispozitiv creat artificial, de exemplu, unul termonuclear, va genera impulsuri solare.motor.
