Astăzi vom vorbi despre experimentul lui Lebedev de a demonstra presiunea fotonilor de lumină. Vom dezvălui importanța acestei descoperiri și contextul care a condus la ea.
Cunoașterea este curiozitate
Există două puncte de vedere despre fenomenul curiozității. Una este exprimată prin dictonul „curios Varvara i-a fost rupt nasul la piață”, iar celăl alt – prin dictonul „curiozitatea nu este un viciu”. Acest paradox este ușor de rezolvat dacă se face distincția între domenii în care interesul nu este binevenit sau, dimpotrivă, este necesar.
Johannes Kepler nu s-a născut pentru a deveni om de știință: tatăl său a luptat în război, iar mama sa ținea o tavernă. Dar avea abilități extraordinare și, desigur, era curios. În plus, Kepler suferea de o deficiență de vedere severă. Dar el a fost cel care a făcut descoperiri, datorită cărora știința și întreaga lume sunt acolo unde sunt acum. Johannes Kepler este renumit pentru clarificarea sistemului planetar al lui Copernic, dar astăzi vom vorbi despre alte realizări ale omului de știință.
Inerția și lungimea de undă: o moștenire medievală
Acum cincizeci de mii de ani, matematica și fizica aparțineau secțiunii „Artă”. Prin urmare, Copernic a fost angajat în mecanica mișcării corpurilor (inclusiv a celor cerești), și în optica și gravitația. El a fost cel care a dovedit existența inerției. Din concluziiAcest om de știință a dezvoltat mecanica modernă, conceptul de interacțiuni ale corpurilor, știința schimbului de viteze ale obiectelor în contact. Copernic a dezvoltat, de asemenea, un sistem armonios de optică liniară.
El a introdus concepte precum:
- „refracția luminii”;
- „refracție”;
- „axa optică”;
- „reflexie internă totală”;
- „iluminare”.
Și cercetările sale au dovedit în cele din urmă natura ondulatorie a luminii și au condus la experimentul lui Lebedev de măsurare a presiunii fotonilor.
Proprietăți cuantice ale luminii
În primul rând, merită să definim esența luminii și să vorbim despre ce este ea. Un foton este un cuantum al unui câmp electromagnetic. Este un pachet de energie care se mișcă prin spațiu ca întreg. Nu poți „mușca” puțină energie dintr-un foton, dar poate fi transformată. De exemplu, dacă lumina este absorbită de o substanță, atunci în interiorul corpului energia sa este capabilă să sufere modificări și să emită înapoi un foton cu o energie diferită. Dar în mod oficial, acesta nu va fi același cuantum de lumină care a fost absorbit.
Un exemplu în acest sens ar fi o minge solidă de metal. Dacă o bucată de materie este ruptă de pe suprafața ei, atunci forma se va schimba, va înceta să mai fie sferică. Dar dacă topiți întregul obiect, luați niște metal lichid și apoi creați o minge mai mică din rămășițe, atunci va fi din nou o sferă, dar diferită, nu la fel ca înainte.
Proprietățile undei ale luminii
Fotonii au proprietățile unei unde. Parametrii de bază sunt:
- lungime de undă (caracterizează spațiul);
- frecvență (caracterizeazătimp);
- amplitudine (caracterizează puterea oscilației).
Totuși, ca cuantum al unui câmp electromagnetic, un foton are și o direcție de propagare (notat ca un vector de undă). În plus, vectorul de amplitudine este capabil să se rotească în jurul vectorului de undă și să creeze polarizarea undei. Odată cu emisia simultană a mai multor fotoni, faza, sau mai bine zis diferența de fază, devine și ea un factor important. Amintiți-vă că faza este acea parte a oscilației pe care o are frontul de undă la un anumit moment în timp (creștere, maxim, coborâre sau minim).
Masa și energie
Așa cum a demonstrat cu inteligență Einstein, masa este energie. Dar în fiecare caz specific, căutarea unei legi conform căreia o valoare se transformă în alta poate fi dificilă. Toate caracteristicile undelor de mai sus ale luminii sunt strâns legate de energie. Și anume: creșterea lungimii de undă și scăderea frecvenței înseamnă mai puțină energie. Dar, deoarece există energie, atunci fotonul trebuie să aibă masă, prin urmare, trebuie să existe o presiune ușoară.
Structura experienței
Totuși, deoarece fotonii sunt foarte mici, masa lor ar trebui să fie, de asemenea, mică. A construi un dispozitiv care să-l determine cu suficientă precizie a fost o sarcină tehnică dificilă. Omul de știință rus Lebedev Petr Nikolaevici a fost primul care a făcut față acestei probleme.
Experimentul în sine s-a bazat pe proiectarea greutăților care au determinat momentul de torsiune. O bară transversală era atârnată de un fir de argint. Atașate de capete erau plăci subțiri identice de diversemateriale. Cel mai adesea, metalele (argint, aur, nichel) au fost folosite în experimentul lui Lebedev, dar a existat și mica. Întreaga structură a fost plasată într-un vas de sticlă, în care s-a creat un vid. După aceea, o farfurie a fost iluminată, în timp ce ceal altă a rămas în umbră. Experiența lui Lebedev a dovedit că iluminarea unei laturi duce la faptul că cântarul încep să se rotească. În funcție de unghiul de abatere, omul de știință a apreciat puterea luminii.
Întâmpinați dificultăți
La începutul secolului al XX-lea, a fost dificil de pus la punct un experiment suficient de precis. Fiecare fizician știa să creeze un vid, să lucreze cu sticlă și să lustruiască suprafețele. De fapt, cunoștințele au fost obținute manual. Pe atunci nu existau corporații mari care să producă echipamentele necesare în sute de bucăți. Dispozitivul lui Lebedev a fost creat manual, așa că omul de știință s-a confruntat cu o serie de dificultăți.
Vidul la acea vreme nu era nici măcar mediu. Omul de știință a pompat aer de sub un capac de sticlă cu o pompă specială. Dar experimentul a avut loc în cel mai bun caz într-o atmosferă rarefiată. A fost dificil să se separe presiunea luminii (transferul de impuls) de încălzirea părții iluminate a dispozitivului: principalul obstacol a fost prezența gazului. Dacă experimentul ar fi efectuat într-un vid profund, atunci nu ar exista molecule a căror mișcare browniană pe partea iluminată ar fi mai puternică.
Sensibilitatea unghiului de deviere a lăsat mult de dorit. Găsitoarele moderne cu șuruburi pot măsura unghiuri de până la milionatimi de radian. La începutul secolului al XIX-lea, cântarul putea fi văzut cu ochiul liber. Tehnicătimpul nu a putut oferi greutatea și dimensiunea identice a plăcilor. Acest lucru, la rândul său, a făcut imposibilă distribuirea uniformă a masei, ceea ce a creat și dificultăți în determinarea cuplului.
Izolarea și structura firului afectează foarte mult rezultatul. Dacă un capăt al piesei de metal a fost încălzit mai mult dintr-un motiv oarecare (acest lucru se numește gradient de temperatură), atunci firul ar putea începe să se răsucească fără presiune ușoară. În ciuda faptului că dispozitivul lui Lebedev era destul de simplu și dădea o eroare mare, a fost confirmat faptul că transferul de impuls de către fotonii luminii.
Forma plăcilor de iluminat
Secțiunea anterioară a enumerat multe dificultăți tehnice care au existat în experiment, dar nu au afectat principalul lucru - lumina. Pur teoretic, ne imaginăm că pe placă cade un fascicul de raze monocromatice, care sunt strict paralele între ele. Dar la începutul secolului al XX-lea, sursa de lumină era soarele, lumânările și lămpile cu incandescență simple. Pentru a face fasciculul de raze paralel, au fost construite sisteme complexe de lentile. Și în acest caz, curba de intensitate luminoasă a sursei a fost cel mai important factor.
La ora de fizică se spune adesea că razele provin dintr-un punct. Dar generatoarele de lumină adevărate au anumite dimensiuni. De asemenea, mijlocul unui filament poate emite mai mulți fotoni decât marginile. Drept urmare, lampa luminează unele zone din jurul ei mai bine decât altele. Linia care înconjoară întregul spațiu cu aceeași iluminare de la o anumită sursă se numește curba de intensitate luminoasă.
Lună de sânge și eclipsă parțială
Romanele cu vampiri sunt pline de transformări teribile care se întâmplă oamenilor și naturii în luna de sânge. Dar nu spune că acest fenomen nu trebuie de temut. Pentru că este rezultatul dimensiunii mari a Soarelui. Diametrul stelei noastre centrale este de aproximativ 110 diametre ale Pământului. În același timp, fotonii emiși atât de la una, cât și de ceal altă margine a discului vizibil ajung la suprafața planetei. Astfel, atunci când Luna cade în penumbra Pământului, ea nu este complet ascunsă, ci, parcă, devine roșie. Atmosfera planetei este și ea de vină pentru această nuanță: absoarbe toate lungimile de undă vizibile, cu excepția celor portocalii. Amintiți-vă, Soarele devine și roșu la apus și totul tocmai pentru că trece printr-un strat mai gros al atmosferei.
Cum este creat stratul de ozon al Pământului?
Un cititor meticulos poate întreba: „Ce legătură are presiunea luminii cu experimentele lui Lebedev?” Efectul chimic al luminii, de altfel, se datorează și faptului că fotonul poartă impuls. Și anume, acest fenomen este responsabil pentru unele straturi ale atmosferei planetei.
După cum știți, oceanul nostru de aer absoarbe în principal componenta ultravioletă a luminii solare. Mai mult, viața într-o formă cunoscută ar fi imposibilă dacă suprafața stâncoasă a pământului ar fi scăldată în lumină ultravioletă. Dar la o altitudine de aproximativ 100 km, atmosfera nu este încă suficient de groasă pentru a absorbi totul. Iar ultravioletele au ocazia de a interacționa direct cu oxigenul. Descompune moleculele O2 înatomi liberi și promovează combinarea lor într-o altă modificare - O3. În forma sa pură, acest gaz este mortal. De aceea este folosit pentru dezinfectarea aerului, apei, hainelor. Dar, ca parte a atmosferei pământului, protejează toate viețuitoarele de efectele radiațiilor dăunătoare, deoarece stratul de ozon absoarbe foarte eficient cuantele câmpului electromagnetic cu energii peste spectrul vizibil.
