Danes bomo pogovor posvetili takemu pojavu, kot je lahki pritisk. Razmislite o predpostavkah odkritja in posledicah za znanost.
Svetloba in barva
Skrivnost človeških sposobnosti skrbi ljudi že od antičnih časov. Kako vidi oko? Zakaj obstajajo barve? Kaj je razlog, da je svet takšen, kot ga dojemamo? Kako daleč lahko človek vidi? Poskuse z razgradnjo sončnega žarka v spekter je izvedel Newton v 17. stoletju. Postavil je tudi stroge matematične temelje za številna različna dejstva, ki so bila v tistem času znana o svetlobi. In Newtonova teorija je napovedala veliko: na primer odkritja, ki jih je pojasnila samo kvantna fizika (odklon svetlobe v gravitacijskem polju). Toda fizika tistega časa ni poznala in ni razumela natančne narave svetlobe.
val ali delec
Odkar so znanstveniki po vsem svetu začeli prodirati v esenco svetlobe, se je začela razprava: kaj je sevanje, val ali delec (korpuskula)? Nekatera dejstva (lom, odboj in polarizacija) so potrdila prvo teorijo. Drugi (premočrtno širjenje v odsotnosti ovir, lahki pritisk) - drugo. Vendar je le kvantna fizika uspela umiriti ta spor z združitvijo obeh različic v eno.splošno. Teorija korpuskularnega valovanja pravi, da ima vsak mikrodelec, vključno s fotonom, lastnosti valovanja in delca. To pomeni, da ima kvant svetlobe takšne značilnosti, kot so frekvenca, amplituda in valovna dolžina, pa tudi zagon in masa. Takoj se rezervirajmo: fotoni nimajo mase mirovanja. Ker so kvant elektromagnetnega polja, nosijo energijo in maso le v procesu gibanja. To je bistvo koncepta "svetlobe". Fizika je to dovolj podrobno razložila.
Valovna dolžina in energija
Malo nad tem je bil omenjen koncept "valovne energije". Einstein je prepričljivo dokazal, da sta energija in masa enaka pojma. Če foton nosi energijo, mora imeti maso. Vendar je kvant svetlobe "zvit" delec: ko foton trči v oviro, popolnoma preda svojo energijo materiji, postane to in izgubi svoje individualno bistvo. Hkrati pa lahko določene okoliščine (močno segrevanje na primer) povzročijo, da prej temne in mirne notranjosti kovin in plinov oddajajo svetlobo. Zagon fotona, ki je neposredna posledica prisotnosti mase, je mogoče določiti s pomočjo svetlobnega tlaka. Eksperimenti Lebedeva, raziskovalca iz Rusije, so prepričljivo dokazali to neverjetno dejstvo.
Lebedev eksperiment
Ruski znanstvenik Petr Nikolajevič Lebedev je leta 1899 naredil naslednji poskus. Na tanko srebrno nit je obesil prečko. Na konce prečke je znanstvenik pritrdil dve plošči iste snovi. To so bile srebrne folije, zlata in celo sljude. Tako so nastale nekakšne lestvice. Le da niso merili teže bremena, ki pritiska od zgoraj, temveč bremena, ki pritiska s strani na vsako od plošč. Lebedev je celotno strukturo postavil pod stekleno prevleko, tako da veter in naključna nihanja gostote zraka ne bi mogli vplivati nanjo. Nadalje bi rad napisal, da je ustvaril vakuum pod pokrovom. Toda takrat ni bilo mogoče doseči niti povprečnega vakuuma. Zato pravimo, da je pod steklenim pokrovom ustvaril zelo redko vzdušje. In izmenično osvetljevala eno ploščo, drugo pa pustila v senci. Količina svetlobe, usmerjene na površine, je bila vnaprej določena. Iz odklonskega kota je Lebedev določil, kakšen zagon je prenašal svetlobo na plošče.
Formule za določanje tlaka elektromagnetnega sevanja pri normalni vpadnosti žarka
Najprej razložimo, kaj je "normalen padec"? Svetloba normalno pada na površino, če je usmerjena strogo pravokotno na površino. To omejuje problem: površina mora biti popolnoma gladka, žarek sevanja pa mora biti usmerjen zelo natančno. V tem primeru se svetlobni tlak izračuna po formuli:
p=(1-k+ρ)I/c, kje
k je prepustnost, ρ je odbojni koeficient, I je intenzivnost vpadnega svetlobnega snopa, c je hitrost svetlobe v vakuumu.
Toda bralec je verjetno že uganil, da tako idealna kombinacija dejavnikov ne obstaja. Tudi če idealne površine ne upoštevamo, je vpad svetlobe precej težko organizirati strogo pravokotno.
Formule zadoločanje tlaka elektromagnetnega sevanja, ko pade pod kotom
Tlak svetlobe na zrcalno površino pod kotom se izračuna z uporabo druge formule, ki že vsebuje elemente vektorjev:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Vrednosti p, i, i' so vektorji. V tem primeru sta k in ρ, kot v prejšnji formuli, koeficienta prenosa oziroma odboja. Nove vrednosti pomenijo naslednje:
- ω – prostorninska gostota energije sevanja;
- i in i' sta enotna vektorja, ki prikazujeta smer vpadnega in odbitega svetlobnega snopa (določita smeri, v katerih naj se dodajo delujoče sile);
- ϴ - kot na normalo, pod katero pade svetlobni žarek (in se s tem odbije, saj je površina zrcalna).
Opomni bralca, da je normala pravokotna na površino, tako da če je problemu podan vpadni kot svetlobe na površino, potem je ϴ 90 stopinj minus podana vrednost.
Uporaba pojava tlaka elektromagnetnega sevanja
Študentu, ki študira fiziko, so številne formule, koncepti in pojavi dolgočasni. Ker učitelj praviloma pove teoretične vidike, le redko pa zna navesti primere prednosti določenih pojavov. Za to ne zamerimo šolskim mentorjem: program jih zelo omejuje, med poukom morate povedati obsežno snov in še vedno imeti čas za preverjanje znanja učencev.
Kljub temu je predmet naše študije velikozanimive aplikacije:
- Zdaj lahko skoraj vsak študent v laboratoriju svoje izobraževalne ustanove ponovi Lebedev eksperiment. Toda takrat je bilo sovpadanje eksperimentalnih podatkov s teoretičnimi izračuni pravi preboj. Eksperiment, ki je bil prvič izveden z 20-odstotno napako, je znanstvenikom po vsem svetu omogočil razvoj nove veje fizike - kvantne optike.
- Proizvodnja visokoenergetskih protonov (na primer za obsevanje različnih snovi) s pospeševanjem tankih filmov z laserskim impulzom.
- Upoštevanje pritiska elektromagnetnega sevanja Sonca na površje zemeljskih objektov, vključno s sateliti in vesoljskimi postajami, vam omogoča, da popravite njihovo orbito z večjo natančnostjo in preprečite, da bi te naprave padle na Zemljo.
Zgornje aplikacije zdaj obstajajo v resničnem svetu. Obstajajo pa tudi potencialne priložnosti, ki še niso uresničene, saj tehnologija človeštva še ni dosegla zahtevane ravni. Med njimi:
- Sončno jadro. Z njegovo pomočjo bi bilo mogoče premikati precej velike tovore v blizu Zemlje in celo blizu sončnega prostora. Svetloba daje majhen impulz, a s pravilnim položajem površine jadra bi bil pospešek konstanten. Če ni trenja, je dovolj, da pridobite hitrost in dostavite blago na želeno točko v sončnem sistemu.
- fotonski motor. Ta tehnologija bo morda človeku omogočila, da premaga privlačnost lastne zvezde in odleti v druge svetove. Razlika od sončnega jadra je v tem, da bo umetno ustvarjena naprava, na primer termonuklearna, generirala sončne impulze.motor.
