Σήμερα θα μιλήσουμε για το πείραμα του Lebedev στην απόδειξη της πίεσης των φωτονίων φωτός. Θα αποκαλύψουμε τη σημασία αυτής της ανακάλυψης και το υπόβαθρο που την οδήγησε.
Η γνώση είναι περιέργεια
Υπάρχουν δύο απόψεις για το φαινόμενο της περιέργειας. Το ένα εκφράζεται με το ρητό «της περίεργης Βαρβάρας κόπηκε η μύτη στην αγορά», και το άλλο - με το ρητό «η περιέργεια δεν είναι βίτσιο». Αυτό το παράδοξο επιλύεται εύκολα αν διακρίνει κανείς μεταξύ των τομέων στους οποίους το ενδιαφέρον δεν είναι ευπρόσδεκτο ή, αντίθετα, χρειάζεται.
Ο Johannes Kepler δεν γεννήθηκε για να γίνει επιστήμονας: ο πατέρας του πολέμησε στον πόλεμο και η μητέρα του διατηρούσε μια ταβέρνα. Είχε όμως εξαιρετικές ικανότητες και, φυσικά, ήταν περίεργος. Επιπλέον, ο Κέπλερ υπέφερε από σοβαρή αναπηρία όρασης. Αλλά ήταν αυτός που έκανε ανακαλύψεις, χάρη στις οποίες η επιστήμη και ολόκληρος ο κόσμος βρίσκονται εδώ που βρίσκονται τώρα. Ο Johannes Kepler είναι διάσημος για την αποσαφήνιση του πλανητικού συστήματος του Κοπέρνικου, αλλά σήμερα θα μιλήσουμε για άλλα επιτεύγματα του επιστήμονα.
Αδράνεια και μήκος κύματος: Μια μεσαιωνική κληρονομιά
Πριν από πενήντα χιλιάδες χρόνια, τα μαθηματικά και η φυσική ανήκαν στην ενότητα "Τέχνη". Ως εκ τούτου, ο Κοπέρνικος ασχολήθηκε με τη μηχανική της κίνησης των σωμάτων (συμπεριλαμβανομένων των ουράνιων) και της οπτικής και της βαρύτητας. Ήταν αυτός που απέδειξε την ύπαρξη αδράνειας. Από τα συμπεράσματαΑυτός ο επιστήμονας μεγάλωσε τη σύγχρονη μηχανική, την έννοια των αλληλεπιδράσεων των σωμάτων, την επιστήμη της ανταλλαγής ταχυτήτων των αντικειμένων που έρχονται σε επαφή. Ο Κοπέρνικος ανέπτυξε επίσης ένα αρμονικό σύστημα γραμμικής οπτικής.
Εισήγαγε έννοιες όπως:
- "διάθλαση φωτός";
- "διάθλαση";
- "οπτικός άξονας";
- "συνολικός εσωτερικός προβληματισμός";
- "φωτισμός".
Και η έρευνά του τελικά απέδειξε την κυματική φύση του φωτός και οδήγησε στο πείραμα του Lebedev στη μέτρηση της πίεσης των φωτονίων.
Κβαντικές ιδιότητες του φωτός
Πρώτα απ' όλα, αξίζει να ορίσουμε την ουσία του φωτός και να μιλήσουμε για το τι είναι. Ένα φωτόνιο είναι ένα κβάντο ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Είναι ένα πακέτο ενέργειας που κινείται μέσα στο διάστημα ως σύνολο. Δεν μπορείς να «δαγκώσεις» λίγη ενέργεια από ένα φωτόνιο, αλλά μπορεί να μετασχηματιστεί. Για παράδειγμα, εάν το φως απορροφάται από μια ουσία, τότε μέσα στο σώμα η ενέργειά του μπορεί να υποστεί αλλαγές και να εκπέμπει πίσω ένα φωτόνιο με διαφορετική ενέργεια. Αλλά τυπικά, αυτό δεν θα είναι το ίδιο ποσό φωτός που απορροφήθηκε.
Ένα παράδειγμα αυτού θα ήταν μια συμπαγής μεταλλική μπάλα. Εάν ένα κομμάτι ύλης σκιστεί από την επιφάνειά του, τότε το σχήμα θα αλλάξει, θα πάψει να είναι σφαιρικό. Αλλά αν λιώσετε ολόκληρο το αντικείμενο, πάρετε λίγο υγρό μέταλλο και στη συνέχεια δημιουργήσετε μια μικρότερη μπάλα από τα υπολείμματα, τότε θα είναι πάλι μια σφαίρα, αλλά διαφορετική, όχι η ίδια με πριν.
Κυματικές ιδιότητες του φωτός
Τα φωτόνια έχουν τις ιδιότητες ενός κύματος. Οι βασικές παράμετροι είναι:
- μήκος κύματος (χαρακτηρίζει το διάστημα);
- συχνότητα (χαρακτηρίζειώρα);
- πλάτος (χαρακτηρίζει την ισχύ της ταλάντωσης).
Ωστόσο, ως κβάντο ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, ένα φωτόνιο έχει επίσης κατεύθυνση διάδοσης (που συμβολίζεται ως διάνυσμα κύματος). Επιπλέον, το διάνυσμα πλάτους μπορεί να περιστρέφεται γύρω από το διάνυσμα κύματος και να δημιουργεί πόλωση κυμάτων. Με την ταυτόχρονη εκπομπή πολλών φωτονίων, η φάση, ή μάλλον η διαφορά φάσης, γίνεται επίσης σημαντικός παράγοντας. Θυμηθείτε ότι η φάση είναι εκείνο το τμήμα της ταλάντωσης που έχει το μέτωπο του κύματος σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή (άνοδος, μέγιστη, κάθοδος ή ελάχιστο).
Μάζα και ενέργεια
Όπως έξυπνα απέδειξε ο Αϊνστάιν, η μάζα είναι ενέργεια. Αλλά σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση, η αναζήτηση ενός νόμου σύμφωνα με τον οποίο μια αξία μετατρέπεται σε άλλη μπορεί να είναι δύσκολη. Όλα τα παραπάνω κυματικά χαρακτηριστικά του φωτός σχετίζονται στενά με την ενέργεια. Δηλαδή: η αύξηση του μήκους κύματος και η μείωση της συχνότητας σημαίνει λιγότερη ενέργεια. Αλλά εφόσον υπάρχει ενέργεια, τότε το φωτόνιο πρέπει να έχει μάζα, επομένως πρέπει να υπάρχει ελαφριά πίεση.
Δομή εμπειρίας
Ωστόσο, επειδή τα φωτόνια είναι πολύ μικρά, η μάζα τους θα πρέπει επίσης να είναι μικρή. Η κατασκευή μιας συσκευής που θα μπορούσε να την προσδιορίσει με επαρκή ακρίβεια ήταν ένα δύσκολο τεχνικό έργο. Ο Ρώσος επιστήμονας Lebedev Petr Nikolaevich ήταν ο πρώτος που το αντιμετώπισε.
Το ίδιο το πείραμα βασίστηκε στον σχεδιασμό των βαρών που καθόριζαν τη στιγμή της στρέψης. Σε μια ασημένια κλωστή κρεμόταν μια ράβδος. Στα άκρα του κολλούσαν πανομοιότυπες λεπτές πλάκες διαφόρωνυλικά. Τις περισσότερες φορές, μέταλλα (ασήμι, χρυσός, νικέλιο) χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα του Lebedev, αλλά υπήρχε και μαρμαρυγία. Ολόκληρη η κατασκευή τοποθετήθηκε σε ένα γυάλινο δοχείο, στο οποίο δημιουργήθηκε ένα κενό. Μετά από αυτό, το ένα πιάτο φωτίστηκε, ενώ το άλλο έμεινε στη σκιά. Η εμπειρία του Λεμπέντεφ απέδειξε ότι ο φωτισμός της μίας πλευράς οδηγεί στο γεγονός ότι η ζυγαριά αρχίζει να περιστρέφεται. Σύμφωνα με τη γωνία απόκλισης, ο επιστήμονας έκρινε τη δύναμη του φωτός.
Εμπειρία δυσκολιών
Στις αρχές του εικοστού αιώνα, ήταν δύσκολο να οργανωθεί ένα αρκετά ακριβές πείραμα. Κάθε φυσικός ήξερε πώς να δημιουργεί ένα κενό, να δουλεύει με γυαλί και να γυαλίζει επιφάνειες. Στην πραγματικότητα, η γνώση αποκτήθηκε με το χέρι. Εκείνη την εποχή, δεν υπήρχαν μεγάλες εταιρείες που θα παρήγαγαν τον απαραίτητο εξοπλισμό σε εκατοντάδες κομμάτια. Η συσκευή του Lebedev δημιουργήθηκε με το χέρι, έτσι ο επιστήμονας αντιμετώπισε μια σειρά από δυσκολίες.
Το κενό εκείνη την εποχή δεν ήταν καν μέτριο. Ο επιστήμονας έβγαλε αέρα από κάτω από ένα γυάλινο καπάκι με μια ειδική αντλία. Αλλά το πείραμα έγινε στην καλύτερη περίπτωση σε μια σπάνια ατμόσφαιρα. Ήταν δύσκολο να διαχωριστεί η πίεση του φωτός (μεταφορά παλμών) από τη θέρμανση της φωτισμένης πλευράς της συσκευής: το κύριο εμπόδιο ήταν η παρουσία αερίου. Εάν το πείραμα διεξαγόταν σε βαθύ κενό, τότε δεν θα υπήρχαν μόρια των οποίων η κίνηση Brown στη φωτισμένη πλευρά θα ήταν ισχυρότερη.
Η ευαισθησία της γωνίας εκτροπής άφησε πολλά να είναι επιθυμητή. Οι σύγχρονοι ανιχνευτές βιδών μπορούν να μετρήσουν γωνίες μέχρι τα εκατομμυριοστά του ακτινίου. Στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα, η ζυγαριά μπορούσε να φανεί με γυμνό μάτι. ΤεχνικήΟ χρόνος δεν μπορούσε να παρέχει το ίδιο βάρος και μέγεθος των πλακών. Αυτό, με τη σειρά του, κατέστησε αδύνατη την ομοιόμορφη κατανομή της μάζας, γεγονός που δημιουργούσε επίσης δυσκολίες στον προσδιορισμό της ροπής.
Η μόνωση και η δομή του νήματος επηρεάζουν πολύ το αποτέλεσμα. Εάν το ένα άκρο του μεταλλικού τεμαχίου θερμάνθηκε περισσότερο για κάποιο λόγο (αυτό ονομάζεται κλίση θερμοκρασίας), τότε το σύρμα θα μπορούσε να αρχίσει να στρίβει χωρίς ελαφριά πίεση. Παρά το γεγονός ότι η συσκευή του Lebedev ήταν αρκετά απλή και έδωσε μεγάλο σφάλμα, το γεγονός της μεταφοράς ορμής από φωτόνια φωτός επιβεβαιώθηκε.
Σχήμα φωτιστικών πλακών
Η προηγούμενη ενότητα απαρίθμησε πολλές τεχνικές δυσκολίες που υπήρχαν στο πείραμα, αλλά δεν επηρέασαν το κύριο πράγμα - το φως. Καθαρά θεωρητικά, φανταζόμαστε ότι μια δέσμη μονοχρωματικών ακτίνων πέφτει στην πλάκα, οι οποίες είναι αυστηρά παράλληλες μεταξύ τους. Αλλά στις αρχές του εικοστού αιώνα, η πηγή του φωτός ήταν ο ήλιος, τα κεριά και οι απλοί λαμπτήρες πυρακτώσεως. Για να γίνει η δέσμη των ακτίνων παράλληλη, κατασκευάστηκαν πολύπλοκα συστήματα φακών. Και σε αυτή την περίπτωση, η καμπύλη φωτεινής έντασης της πηγής ήταν ο πιο σημαντικός παράγοντας.
Στο μάθημα της φυσικής λέγεται συχνά ότι οι ακτίνες προέρχονται από ένα σημείο. Αλλά οι γεννήτριες πραγματικού φωτός έχουν ορισμένες διαστάσεις. Επίσης, το μέσο ενός νήματος μπορεί να εκπέμπει περισσότερα φωτόνια από τα άκρα. Ως αποτέλεσμα, η λάμπα φωτίζει ορισμένες περιοχές γύρω της καλύτερα από άλλες. Η γραμμή που περιστρέφεται γύρω από ολόκληρο τον χώρο με τον ίδιο φωτισμό από μια δεδομένη πηγή ονομάζεται καμπύλη φωτεινής έντασης.
Ματωμένη σελήνη και μερική έκλειψη
Τα μυθιστορήματα για βρικόλακες είναι γεμάτα με τρομερές μεταμορφώσεις που συμβαίνουν στους ανθρώπους και τη φύση στο ματωμένο φεγγάρι. Αλλά δεν λέει ότι αυτό το φαινόμενο δεν πρέπει να φοβάται. Γιατί είναι αποτέλεσμα του μεγάλου μεγέθους του Ήλιου. Η διάμετρος του κεντρικού μας αστέρα είναι περίπου 110 διαμέτρους της Γης. Ταυτόχρονα, φωτόνια που εκπέμπονται τόσο από τη μία όσο και από την άλλη άκρη του ορατού δίσκου φτάνουν στην επιφάνεια του πλανήτη. Έτσι, όταν η Σελήνη πέφτει στο ημισφαίριο της Γης, δεν καλύπτεται εντελώς, αλλά, όπως λες, γίνεται κόκκινη. Για αυτή την απόχρωση φταίει και η ατμόσφαιρα του πλανήτη: απορροφά όλα τα ορατά μήκη κύματος, εκτός από τα πορτοκαλί. Θυμηθείτε, ο Ήλιος γίνεται επίσης κόκκινος κατά τη δύση του ηλίου, και όλα αυτά ακριβώς επειδή διέρχεται από ένα παχύτερο στρώμα της ατμόσφαιρας.
Πώς δημιουργείται το στρώμα του όζοντος της Γης;
Ένας σχολαστικός αναγνώστης μπορεί να ρωτήσει: "Τι σχέση έχει η πίεση του φωτός με τα πειράματα του Λεμπέντεφ;" Η χημική επίδραση του φωτός, παρεμπιπτόντως, οφείλεται επίσης στο γεγονός ότι το φωτόνιο μεταφέρει ορμή. Δηλαδή, αυτό το φαινόμενο είναι υπεύθυνο για ορισμένα στρώματα της ατμόσφαιρας του πλανήτη.
Όπως γνωρίζετε, ο εναέριος ωκεανός μας απορροφά κυρίως το υπεριώδες συστατικό του ηλιακού φωτός. Επιπλέον, η ζωή σε μια γνωστή μορφή θα ήταν αδύνατη εάν η βραχώδης επιφάνεια της γης βρέχονταν από υπεριώδες φως. Αλλά σε υψόμετρο περίπου 100 χλμ., η ατμόσφαιρα δεν είναι ακόμη αρκετά πυκνή για να απορροφήσει τα πάντα. Και το υπεριώδες έχει την ευκαιρία να αλληλεπιδράσει απευθείας με το οξυγόνο. Διασπά τα μόρια O2 σεελεύθερα άτομα και προωθεί τον συνδυασμό τους σε μια άλλη τροποποίηση - O3. Στην καθαρή του μορφή, αυτό το αέριο είναι θανατηφόρο. Γι' αυτό χρησιμοποιείται για την απολύμανση αέρα, νερού, ρούχων. Αλλά ως μέρος της γήινης ατμόσφαιρας, προστατεύει όλα τα έμβια όντα από τις επιπτώσεις της επιβλαβούς ακτινοβολίας, επειδή το στρώμα του όζοντος απορροφά πολύ αποτελεσματικά κβάντα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με ενέργειες πάνω από το ορατό φάσμα.
