Σήμερα θα αφιερώσουμε μια συζήτηση σε ένα φαινόμενο όπως η ελαφριά πίεση. Εξετάστε τις προϋποθέσεις της ανακάλυψης και τις συνέπειες για την επιστήμη.
Φως και χρώμα
Το μυστήριο των ανθρώπινων ικανοτήτων ανησυχούσε τους ανθρώπους από την αρχαιότητα. Πώς βλέπει το μάτι; Γιατί υπάρχουν τα χρώματα; Ποιος είναι ο λόγος που ο κόσμος είναι έτσι όπως τον αντιλαμβανόμαστε; Πόσο μακριά μπορεί να δει ένας άνθρωπος; Πειράματα με την αποσύνθεση μιας ηλιακής ακτίνας σε φάσμα πραγματοποιήθηκαν από τον Νεύτωνα τον 17ο αιώνα. Έθεσε επίσης μια αυστηρή μαθηματική βάση για μια σειρά από ανόμοια γεγονότα που εκείνη την εποχή ήταν γνωστά για το φως. Και η Νευτώνεια θεωρία προέβλεψε πολλά: για παράδειγμα, ανακαλύψεις που μόνο η κβαντική φυσική εξήγησε (η εκτροπή του φωτός σε ένα βαρυτικό πεδίο). Όμως η φυσική εκείνης της εποχής δεν γνώριζε και δεν καταλάβαινε την ακριβή φύση του φωτός.
Κύμα ή σωματίδιο
Από τότε που οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο άρχισαν να διεισδύουν στην ουσία του φωτός, υπήρξε μια συζήτηση: τι είναι η ακτινοβολία, ένα κύμα ή ένα σωματίδιο (σωμάτιο); Ορισμένα γεγονότα (διάθλαση, ανάκλαση και πόλωση) επιβεβαίωσαν την πρώτη θεωρία. Άλλα (ευθύγραμμη διάδοση απουσία εμποδίων, ελαφριά πίεση) - το δεύτερο. Ωστόσο, μόνο η κβαντική φυσική μπόρεσε να ηρεμήσει αυτή τη διαμάχη συνδυάζοντας τις δύο εκδόσεις σε μία.γενικός. Η θεωρία των σωματικών κυμάτων δηλώνει ότι κάθε μικροσωματίδιο, συμπεριλαμβανομένου ενός φωτονίου, έχει και τις ιδιότητες ενός κύματος και ενός σωματιδίου. Δηλαδή, ένα κβάντο φωτός έχει τέτοια χαρακτηριστικά όπως συχνότητα, πλάτος και μήκος κύματος, καθώς και ορμή και μάζα. Ας κάνουμε μια κράτηση αμέσως: τα φωτόνια δεν έχουν μάζα ηρεμίας. Όντας ένα κβάντο του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, μεταφέρουν ενέργεια και μάζα μόνο στη διαδικασία της κίνησης. Αυτή είναι η ουσία της έννοιας του «φωτός». Η φυσική το έχει εξηγήσει τώρα με επαρκείς λεπτομέρειες.
Μήκος κύματος και ενέργεια
Λίγο παραπάνω αναφέρθηκε η έννοια της «κυματικής ενέργειας». Ο Αϊνστάιν απέδειξε πειστικά ότι η ενέργεια και η μάζα είναι ταυτόσημες έννοιες. Εάν ένα φωτόνιο μεταφέρει ενέργεια, πρέπει να έχει μάζα. Ωστόσο, ένα κβάντο φωτός είναι ένα «πονηρό» σωματίδιο: όταν ένα φωτόνιο συγκρούεται με ένα εμπόδιο, παραχωρεί εντελώς την ενέργειά του στην ύλη, γίνεται αυτό και χάνει την ατομική του ουσία. Ταυτόχρονα, ορισμένες συνθήκες (ισχυρή θέρμανση, για παράδειγμα) μπορούν να προκαλέσουν την εκπομπή φωτός από τους προηγουμένως σκοτεινούς και ήρεμους εσωτερικούς χώρους των μετάλλων και των αερίων. Η ορμή ενός φωτονίου, άμεση συνέπεια της παρουσίας μάζας, μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας την πίεση του φωτός. Τα πειράματα του Λεμπέντεφ, ενός ερευνητή από τη Ρωσία, απέδειξαν πειστικά αυτό το εκπληκτικό γεγονός.
Πείραμα Λεμπέντεφ
Ο Ρώσος επιστήμονας Petr Nikolaevich Lebedev το 1899 έκανε το ακόλουθο πείραμα. Σε μια λεπτή ασημένια κλωστή κρέμασε μια τραβέρσα. Στα άκρα της εγκάρσιας ράβδου, ο επιστήμονας προσάρτησε δύο πλάκες της ίδιας ουσίας. Αυτά ήταν αλουμινόχαρτο, χρυσός, ακόμη και μαρμαρυγία. Έτσι, δημιουργήθηκε ένα είδος ζυγαριάς. Μόνο που μέτρησαν το βάρος όχι του φορτίου που πατάει από πάνω, αλλά του φορτίου που πατάει από το πλάι σε κάθε μια από τις πλάκες. Ο Lebedev τοποθέτησε ολόκληρη αυτή τη δομή κάτω από ένα γυάλινο κάλυμμα, έτσι ώστε ο άνεμος και οι τυχαίες διακυμάνσεις στην πυκνότητα του αέρα να μην μπορούν να το επηρεάσουν. Περαιτέρω, θα ήθελα να γράψω ότι δημιούργησε ένα κενό κάτω από το καπάκι. Αλλά εκείνη την εποχή, ακόμη και ένα μέσο κενό ήταν αδύνατο να επιτευχθεί. Λέμε λοιπόν ότι δημιούργησε μια πολύ σπάνια ατμόσφαιρα κάτω από το γυάλινο κάλυμμα. Και φώτιζε εναλλάξ το ένα πιάτο, αφήνοντας το άλλο στη σκιά. Η ποσότητα του φωτός που κατευθύνεται στις επιφάνειες ήταν προκαθορισμένη. Από τη γωνία εκτροπής, ο Λεμπέντεφ προσδιόρισε ποια ορμή μετέδιδε το φως στις πλάκες.
Τύποι για τον προσδιορισμό της πίεσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε κανονική πρόσπτωση δέσμης
Ας εξηγήσουμε πρώτα τι είναι η «κανονική πτώση»; Το φως προσπίπτει σε μια επιφάνεια κανονικά εάν κατευθύνεται αυστηρά κάθετα στην επιφάνεια. Αυτό επιβάλλει περιορισμούς στο πρόβλημα: η επιφάνεια πρέπει να είναι τέλεια λεία και η δέσμη ακτινοβολίας πρέπει να κατευθύνεται με μεγάλη ακρίβεια. Σε αυτήν την περίπτωση, η πίεση φωτός υπολογίζεται με τον τύπο:
p=(1-k+ρ)I/c, where
k είναι η διαπερατότητα, ρ είναι ο συντελεστής ανάκλασης, I είναι η ένταση της προσπίπτουσας δέσμης φωτός, c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό.
Αλλά, πιθανώς, ο αναγνώστης έχει ήδη μαντέψει ότι δεν υπάρχει τέτοιος ιδανικός συνδυασμός παραγόντων. Ακόμα κι αν δεν ληφθεί υπόψη η ιδανική επιφάνεια, είναι μάλλον δύσκολο να οργανωθεί η πρόσπτωση του φωτός αυστηρά κάθετα.
Τύπες γιαπροσδιορισμός της πίεσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όταν πέφτει υπό γωνία
Η πίεση του φωτός σε μια επιφάνεια καθρέφτη υπό γωνία υπολογίζεται χρησιμοποιώντας έναν διαφορετικό τύπο που περιέχει ήδη στοιχεία διανυσμάτων:
p=ω ((1-k)i+ρi')cos ϴ
Οι τιμές p, i, i' είναι διανύσματα. Σε αυτήν την περίπτωση, το k και το ρ, όπως στον προηγούμενο τύπο, είναι οι συντελεστές μετάδοσης και ανάκλασης, αντίστοιχα. Οι νέες τιμές σημαίνουν τα εξής:
- ω – πυκνότητα όγκου ενέργειας ακτινοβολίας;
- i και i' είναι μοναδιαία διανύσματα που δείχνουν την κατεύθυνση της προσπίπτουσας και της ανακλώμενης δέσμης φωτός (καθορίζουν τις κατευθύνσεις στις οποίες πρέπει να προστεθούν οι δρώντες δυνάμεις),
- ϴ - γωνία προς την κανονική στην οποία πέφτει η ακτίνα φωτός (και, κατά συνέπεια, ανακλάται, αφού η επιφάνεια είναι κατοπτρισμένη).
Τα
Υπενθυμίστε στον αναγνώστη ότι το κανονικό είναι κάθετο στην επιφάνεια, οπότε αν δοθεί στο πρόβλημα η γωνία πρόσπτωσης του φωτός στην επιφάνεια, τότε το ϴ είναι 90 μοίρες μείον τη δεδομένη τιμή.
Εφαρμογή φαινομένου πίεσης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας
Ένας μαθητής που σπουδάζει φυσική βρίσκει πολλούς τύπους, έννοιες και φαινόμενα βαρετά. Επειδή, κατά κανόνα, ο δάσκαλος λέει τις θεωρητικές πτυχές, αλλά σπάνια μπορεί να δώσει παραδείγματα για τα οφέλη ορισμένων φαινομένων. Ας μην κατηγορούμε τους μέντορες του σχολείου για αυτό: είναι πολύ περιορισμένοι από το πρόγραμμα, κατά τη διάρκεια του μαθήματος πρέπει να πείτε εκτενές υλικό και να έχετε ακόμα χρόνο να ελέγξετε τις γνώσεις των μαθητών.
Παρόλα αυτά, το αντικείμενο της μελέτης μας έχει πολλάενδιαφέρουσες εφαρμογές:
- Τώρα σχεδόν κάθε μαθητής στο εργαστήριο του εκπαιδευτικού του ιδρύματος μπορεί να επαναλάβει το πείραμα του Λεμπέντεφ. Αλλά τότε η σύμπτωση των πειραματικών δεδομένων με τους θεωρητικούς υπολογισμούς ήταν μια πραγματική ανακάλυψη. Το πείραμα, που έγινε για πρώτη φορά με σφάλμα 20%, επέτρεψε σε επιστήμονες σε όλο τον κόσμο να αναπτύξουν έναν νέο κλάδο της φυσικής - την κβαντική οπτική.
- Παραγωγή πρωτονίων υψηλής ενέργειας (για παράδειγμα, για ακτινοβόληση διαφόρων ουσιών) με επιτάχυνση λεπτών υμενίων με παλμό λέιζερ.
- Λαμβάνοντας υπόψη την πίεση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του Ήλιου στην επιφάνεια των αντικειμένων κοντά στη Γη, συμπεριλαμβανομένων των δορυφόρων και των διαστημικών σταθμών, σας επιτρέπει να διορθώσετε την τροχιά τους με μεγαλύτερη ακρίβεια και εμποδίζει αυτές τις συσκευές να πέσουν στη Γη.
Οι παραπάνω εφαρμογές υπάρχουν πλέον στον πραγματικό κόσμο. Υπάρχουν όμως και πιθανές ευκαιρίες που δεν έχουν ακόμη πραγματοποιηθεί, επειδή η τεχνολογία της ανθρωπότητας δεν έχει φτάσει ακόμη στο απαιτούμενο επίπεδο. Μεταξύ αυτών:
- Ηλιακό πανί. Με τη βοήθειά του, θα ήταν δυνατή η μετακίνηση αρκετά μεγάλων φορτίων σε χώρο κοντά στη Γη και ακόμη και κοντά στον ηλιακό. Το φως δίνει μια μικρή ώθηση, αλλά με τη σωστή θέση της επιφάνειας του πανιού, η επιτάχυνση θα ήταν σταθερή. Σε περίπτωση απουσίας τριβής, αρκεί να αποκτήσετε ταχύτητα και να παραδώσετε τα αγαθά στο επιθυμητό σημείο του ηλιακού συστήματος.
- Φωτονικός κινητήρας. Αυτή η τεχνολογία, ίσως, θα επιτρέψει σε ένα άτομο να ξεπεράσει την έλξη του δικού του αστεριού και να πετάξει σε άλλους κόσμους. Η διαφορά από ένα ηλιακό πανί είναι ότι μια τεχνητά δημιουργημένη συσκευή, για παράδειγμα, μια θερμοπυρηνική, θα παράγει ηλιακούς παλμούς.κινητήρας.
