Dzisiaj poświęcimy rozmowę takiemu zjawisku jak lekki nacisk. Rozważ przesłanki odkrycia i konsekwencje dla nauki.
Światło i kolor
Tajemnica ludzkich zdolności martwi ludzi od czasów starożytnych. Jak widzi oko? Dlaczego istnieją kolory? Jaki jest powód, dla którego świat jest taki, jak go postrzegamy? Jak daleko można zobaczyć? Eksperymenty z rozkładem promieni słonecznych na widmo przeprowadził Newton w XVII wieku. Położył również ścisłe matematyczne podstawy dla szeregu rozbieżnych faktów, które w tamtych czasach były znane na temat światła. A teoria Newtona przewidziała wiele: na przykład odkrycia, które wyjaśniła tylko fizyka kwantowa (odchylenie światła w polu grawitacyjnym). Ale ówczesna fizyka nie znała i nie rozumiała dokładnej natury światła.
Fala lub cząstka
Odkąd naukowcy na całym świecie zaczęli wnikać w istotę światła, trwa debata: czym jest promieniowanie, fala czy cząstka (korpuskuła)? Pewne fakty (załamanie, odbicie i polaryzacja) potwierdziły pierwszą teorię. Inne (propagacja prostoliniowa przy braku przeszkód, lekki nacisk) - drugi. Jednak tylko fizyka kwantowa była w stanie uspokoić ten spór, łącząc dwie wersje w jedną.ogólny. Teoria fal korpuskularnych stwierdza, że każda mikrocząstka, w tym foton, ma zarówno właściwości fali, jak i cząstki. Oznacza to, że kwant światła ma takie cechy, jak częstotliwość, amplituda i długość fali, a także pęd i masa. Zróbmy rezerwację od razu: fotony nie mają masy spoczynkowej. Będąc kwantem pola elektromagnetycznego, przenoszą energię i masę tylko w procesie ruchu. To jest istota pojęcia „światła”. Fizyka wyjaśniła to teraz wystarczająco szczegółowo.
Długość fali i energia
Nieco powyżej wspomniano pojęcie „energii fal”. Einstein przekonująco udowodnił, że energia i masa to pojęcia identyczne. Jeśli foton przenosi energię, musi mieć masę. Jednak kwant światła jest „przebiegłą” cząstką: kiedy foton zderza się z przeszkodą, całkowicie oddaje swoją energię materii, staje się nią i traci swoją indywidualną istotę. Jednocześnie pewne okoliczności (na przykład silne ogrzewanie) mogą spowodować, że wcześniej ciemne i spokojne wnętrza metali i gazów będą emitować światło. Pęd fotonu, będący bezpośrednią konsekwencją obecności masy, można określić za pomocą ciśnienia światła. Eksperymenty Lebiediewa, badacza z Rosji, przekonująco udowodniły ten niesamowity fakt.
Eksperyment Lebiediewa
Rosyjski naukowiec Petr Nikołajewicz Lebiediew w 1899 roku przeprowadził następujący eksperyment. Na cienkiej srebrnej nitce zawiesił poprzeczkę. Do końców poprzeczki naukowiec przymocował dwie płytki tej samej substancji. Były to srebrna folia i złoto, a nawet mika. W ten sposób stworzono rodzaj łusek. Tylko oni zmierzyli ciężar nie obciążenia, które naciska z góry, ale obciążenia, które naciska z boku na każdą z płyt. Lebiediew umieścił całą tę konstrukcję pod szklaną pokrywą, aby wiatr i przypadkowe wahania gęstości powietrza nie mogły na nią wpływać. Dalej chciałbym napisać, że stworzył próżnię pod pokrywką. Ale w tamtym czasie nawet przeciętna próżnia była niemożliwa do osiągnięcia. Mówimy więc, że pod szklaną pokrywą stworzył bardzo rozrzedzoną atmosferę. I naprzemiennie oświetlał jedną płytę, pozostawiając drugą w cieniu. Ilość światła skierowanego na powierzchnie była z góry określona. Na podstawie kąta odchylenia Lebiediew określił, jaki pęd przekazał światło na płyty.
Wzory do określania ciśnienia promieniowania elektromagnetycznego przy normalnym kącie wiązki
Najpierw wyjaśnijmy, co to jest „normalny upadek”? Światło pada na powierzchnię normalnie, jeśli jest skierowane ściśle prostopadle do powierzchni. To nakłada ograniczenia na problem: powierzchnia musi być idealnie gładka, a wiązka promieniowania musi być skierowana bardzo dokładnie. W tym przypadku lekki nacisk jest obliczany według wzoru:
p=(1-k+ρ)I/c, gdzie
k to transmitancja, ρ to współczynnik odbicia, I to intensywność padającego światła, c to prędkość światła w próżni.
Ale prawdopodobnie czytelnik już się domyślił, że taka idealna kombinacja czynników nie istnieje. Nawet jeśli nie bierze się pod uwagę idealnej powierzchni, trudno jest zorganizować ściśle prostopadłość padania światła.
Formuły dlaokreślenie ciśnienia promieniowania elektromagnetycznego, gdy pada ono pod kątem
Nacisk światła na powierzchnię lustra pod kątem jest obliczany przy użyciu innego wzoru, który zawiera już elementy wektorów:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Wartości p, i, i' są wektorami. W tym przypadku k i ρ, podobnie jak w poprzednim wzorze, są odpowiednio współczynnikami transmisji i odbicia. Nowe wartości oznaczają:
- ω – gęstość objętościowa energii promieniowania;
- i oraz i’ to wektory jednostkowe, które pokazują kierunek padającego i odbitego strumienia światła (wyznaczają kierunki, w których należy dodać działające siły);
- ϴ - kąt względem normalnej, pod którym promień światła pada (i odpowiednio jest odbijany, ponieważ powierzchnia jest lustrzana).
Przypomnij czytelnikowi, że normalna jest prostopadła do powierzchni, więc jeśli problem dotyczy kąta padania światła na powierzchnię, wtedy ϴ wynosi 90 stopni minus podana wartość.
Zastosowanie zjawiska ciśnienia promieniowania elektromagnetycznego
Student, który studiuje fizykę, uważa, że wiele wzorów, pojęć i zjawisk jest nudnych. Bo z reguły nauczyciel opowiada o aspektach teoretycznych, ale rzadko potrafi podać przykłady korzyści płynących z pewnych zjawisk. Nie obwiniajmy za to szkolnych mentorów: są bardzo ograniczeni programem, podczas lekcji trzeba opowiedzieć obszerny materiał i jeszcze mieć czas na sprawdzenie wiedzy uczniów.
Jednak obiekt naszego badania ma wieleciekawe aplikacje:
- Teraz prawie każdy uczeń w laboratorium swojej instytucji edukacyjnej może powtórzyć eksperyment Lebiediewa. Ale wtedy zbieżność danych eksperymentalnych z obliczeniami teoretycznymi była prawdziwym przełomem. Eksperyment, wykonany po raz pierwszy z 20% błędem, pozwolił naukowcom na całym świecie opracować nową gałąź fizyki - optykę kwantową.
- Produkcja wysokoenergetycznych protonów (na przykład do napromieniania różnych substancji) poprzez przyspieszanie cienkich warstw za pomocą impulsu laserowego.
- Uwzględnienie ciśnienia promieniowania elektromagnetycznego Słońca na powierzchni obiektów bliskich Ziemi, w tym satelitów i stacji kosmicznych, pozwala z większą dokładnością korygować ich orbitę i zapobiega spadaniu tych urządzeń na Ziemię.
Powyższe aplikacje istnieją teraz w prawdziwym świecie. Ale są też potencjalne możliwości, które nie zostały jeszcze zrealizowane, ponieważ technologia ludzkości nie osiągnęła jeszcze wymaganego poziomu. Wśród nich:
- Żagiel słoneczny. Z jego pomocą można by przenosić dość duże ładunki w przestrzeni bliskiej Ziemi, a nawet słonecznej. Światło daje niewielki impuls, ale przy odpowiednim położeniu powierzchni żagla przyspieszenie byłoby stałe. W przypadku braku tarcia wystarczy nabrać prędkości i dostarczyć towar do pożądanego punktu w układzie słonecznym.
- Silnik fotoniczny. Być może ta technologia pozwoli osobie przezwyciężyć przyciąganie własnej gwiazdy i polecieć do innych światów. Różnica w stosunku do żagla słonecznego polega na tym, że sztucznie stworzone urządzenie, na przykład termojądrowe, będzie generować impulsy słoneczne.silnik.
