Danes bomo govorili o Lebedjevem eksperimentu pri dokazovanju pritiska svetlobnih fotonov. Razkrili bomo pomen tega odkritja in ozadje, ki je pripeljalo do njega.
Znanje je radovednost
Obstajata dva stališča o fenomenu radovednosti. Eno je izraženo z rekom "Radovedni Varvari so na tržnici odtrgali nos", drugo pa z rekom "Radovednost ni pregreha". Ta paradoks je zlahka rešljiv, če ločimo med področji, na katerih zanimanje ni dobrodošlo ali, nasprotno, potrebno.
Johannes Kepler ni bil rojen, da bi postal znanstvenik: njegov oče se je boril v vojni, mati pa je imela gostilno. Imel pa je izjemne sposobnosti in je bil seveda radoveden. Poleg tega je Kepler trpel zaradi hude okvare vida. Toda on je naredil odkritja, zahvaljujoč katerih sta znanost in ves svet tam, kjer sta zdaj. Johannes Kepler je znan po razjasnitvi planetarnega sistema Kopernika, danes pa bomo govorili o drugih dosežkih znanstvenika.
Vztrajnost in valovna dolžina: srednjeveška zapuščina
Pred petdeset tisoč leti sta matematika in fizika pripadali oddelku "Umetnost". Zato se je Kopernik ukvarjal z mehaniko gibanja teles (vključno z nebesnimi) ter optiko in gravitacijo. Prav on je dokazal obstoj vztrajnosti. Iz zaključkovTa znanstvenik je razvil sodobno mehaniko, koncept interakcije teles, znanost o izmenjavi hitrosti dotikajočih se predmetov. Kopernik je razvil tudi harmoničen sistem linearne optike.
Uvedel je koncepte, kot so:
- "lom svetlobe";
- "refrakcija";
- "optična os";
- "popolna notranja refleksija";
- "osvetlitev".
In njegove raziskave so sčasoma dokazale valovno naravo svetlobe in pripeljale do Lebedjevega eksperimenta pri merjenju tlaka fotonov.
Kvantne lastnosti svetlobe
Najprej je vredno opredeliti bistvo svetlobe in govoriti o tem, kaj je. Foton je kvant elektromagnetnega polja. Je paket energije, ki se giblje skozi vesolje kot celoto. Od fotona ne morete "odgristi" malo energije, lahko pa se preoblikuje. Na primer, če snov absorbira svetlobo, se lahko v telesu njena energija spremeni in odda nazaj foton z drugačno energijo. Toda formalno to ne bo enak kvant svetlobe, ki je bil absorbiran.
Primer tega bi bila trdna kovinska krogla. Če se kos snovi odtrga od njegove površine, se bo oblika spremenila, prenehala bo biti sferična. Če pa stopite ves predmet, vzamete nekaj tekoče kovine in nato iz ostankov ustvarite manjšo kroglico, potem bo spet krogla, vendar drugačna, ne enaka kot prej.
Valove lastnosti svetlobe
Fotoni imajo lastnosti vala. Osnovni parametri so:
- valovna dolžina (označuje prostor);
- frekvenca (značilčas);
- amplituda (označuje moč nihanja).
Vendar ima foton kot kvant elektromagnetnega polja tudi smer širjenja (označeno kot valovni vektor). Poleg tega se vektor amplitude lahko vrti okoli valovnega vektorja in ustvari valovno polarizacijo. Pri hkratni emisiji več fotonov postane pomemben dejavnik tudi faza oziroma fazna razlika. Spomnimo se, da je faza tisti del nihanja, ki ga ima valovna fronta v določenem trenutku (dvig, maksimum, spust ali minimum).
Masa in energija
Kot je Einstein duhovito dokazal, je masa energija. Toda v vsakem konkretnem primeru je lahko iskanje zakona, po katerem se ena vrednost spremeni v drugo, težko. Vse zgornje valovne značilnosti svetlobe so tesno povezane z energijo. Namreč: povečanje valovne dolžine in zmanjševanje frekvence pomeni manj energije. Ker pa obstaja energija, mora imeti foton maso, zato mora obstajati svetlobni pritisk.
struktura izkušenj
Ker so fotoni zelo majhni, bi morala biti tudi njihova masa majhna. Izdelati napravo, ki bi jo lahko določila z zadostno natančnostjo, je bila težka tehnična naloga. Ruski znanstvenik Lebedev Petr Nikolajevič se je prvi spopadel s tem.
Sam eksperiment je temeljil na zasnovi uteži, ki je določala moment torzije. Na srebrno nit je bila obešena prečka. Na njegove konce so bile pritrjene enake tanke plošče različnih vrstmateriali. Najpogosteje so v poskusu Lebedeva uporabljali kovine (srebro, zlato, nikelj), obstajala pa je tudi sljuda. Celotna konstrukcija je bila postavljena v stekleno posodo, v kateri je nastal vakuum. Po tem je bila ena plošča osvetljena, druga pa je ostala v senci. Izkušnje Lebedeva so pokazale, da osvetlitev ene strani vodi do tega, da se tehtnica začne vrteti. Glede na kot deviacije je znanstvenik presodil moč svetlobe.
Doživite težave
Na začetku dvajsetega stoletja je bilo težko postaviti dovolj natančen poskus. Vsak fizik je znal ustvariti vakuum, delati s steklom in polirati površine. Pravzaprav se je znanje pridobivalo ročno. Takrat še ni bilo velikih korporacij, ki bi izdelovale potrebno opremo v stotinah kosov. Lebedeva naprava je bila ustvarjena ročno, zato se je znanstvenik soočil s številnimi težavami.
Vakum takrat ni bil niti povprečen. Znanstvenik je s posebno črpalko črpal zrak izpod steklene kapice. Toda poskus je potekal v najboljšem primeru v redkem ozračju. Težko je bilo ločiti pritisk svetlobe (prenos impulza) od segrevanja osvetljene strani naprave: glavna ovira je bila prisotnost plina. Če bi poskus izvedli v globokem vakuumu, potem ne bi bilo molekul, katerih Brownovo gibanje na osvetljeni strani bi bilo močnejše.
Občutljivost kota odklona je pustila veliko želenega. Sodobni iskalniki vijakov lahko merijo kote do milijonink radiana. V začetku devetnajstega stoletja je bilo lestvico mogoče videti s prostim očesom. Tehnikačas ni mogel zagotoviti enake teže in velikosti plošč. To pa je onemogočalo enakomerno porazdelitev mase, kar je povzročilo tudi težave pri določanju navora.
Izolacija in struktura niti močno vplivata na rezultat. Če bi bil en konec kovinskega kosa iz nekega razloga bolj segret (to se imenuje temperaturni gradient), bi se žica lahko začela zvijati brez lahkega pritiska. Kljub temu, da je bila Lebedeva naprava precej preprosta in je dala veliko napako, je bilo potrjeno dejstvo prenosa zagona s fotoni svetlobe.
Oblika svetilnih plošč
Prejšnji razdelek je navedel številne tehnične težave, ki so obstajale v poskusu, vendar niso vplivale na glavno stvar - svetlobo. Čisto teoretično si predstavljamo, da na ploščo pade snop monokromatskih žarkov, ki so med seboj strogo vzporedni. Toda na začetku dvajsetega stoletja so bili vir svetlobe sonce, sveče in preproste žarnice z žarilno nitko. Da bi bil snop žarkov vzporeden, so bili zgrajeni kompleksni sistemi leč. In v tem primeru je bila krivulja svetlobne jakosti vira najpomembnejši dejavnik.
Pri pouku fizike se pogosto reče, da žarki prihajajo iz ene točke. Toda pravi generatorji svetlobe imajo določene dimenzije. Tudi sredina filamenta lahko oddaja več fotonov kot robovi. Zaradi tega svetilka nekatera področja okoli sebe osvetli bolje kot druga. Črta, ki kroži okoli celotnega prostora z enako osvetlitvijo iz danega vira, se imenuje krivulja svetlobne jakosti.
Krvava luna in delni mrk
Vampirski romani so polni strašnih preobrazb, ki se zgodijo ljudem in naravi na krvavi luni. Vendar ne pravi, da se tega pojava ne bi smeli bati. Ker je posledica velike velikosti Sonca. Premer naše osrednje zvezde je približno 110 zemeljskih premerov. Hkrati fotoni, ki se oddajajo tako z enega kot z drugega roba vidnega diska, dosežejo površino planeta. Tako, ko Luna pade v zemeljsko polsen, ni popolnoma zakrita, ampak tako rekoč postane rdeča. Za ta odtenek je kriva tudi atmosfera planeta: absorbira vse vidne valovne dolžine, razen oranžnih. Ne pozabite, da sonce postane rdeče tudi ob sončnem zahodu, in to prav zato, ker gre skozi debelejšo plast atmosfere.
Kako nastane ozonska plast Zemlje?
Natančen bralec se lahko vpraša: "Kaj ima pritisk svetlobe opraviti z Lebedjevimi poskusi?" Kemični učinek svetlobe je, mimogrede, tudi posledica dejstva, da foton nosi zagon. Ta pojav je namreč odgovoren za nekatere plasti ozračja planeta.
Kot veste, naš zračni ocean večinoma absorbira ultravijolično komponento sončne svetlobe. Poleg tega bi bilo življenje v znani obliki nemogoče, če bi skalnato površino zemlje kopala ultravijolična svetloba. Toda na višini okoli 100 km ozračje še ni dovolj gosto, da bi vse absorbiralo. In ultravijolični dobi priložnost za neposredno interakcijo s kisikom. Razbije molekule O2 vprostih atomov in spodbuja njihovo kombinacijo v drugo modifikacijo - O3. V svoji čisti obliki je ta plin smrtonosen. Zato se uporablja za razkuževanje zraka, vode, oblačil. A kot del zemeljskega ozračja ščiti vsa živa bitja pred vplivi škodljivega sevanja, saj ozonska plast zelo učinkovito absorbira kvante elektromagnetnega polja z energijami nad vidnim spektrom.
