I dag vil vi afsætte en samtale til et fænomen som let pres. Overvej præmisserne for opdagelsen og konsekvenserne for videnskaben.
Lys og farve
Mysteriet om menneskelige evner har bekymret folk siden oldtiden. Hvordan ser øjet? Hvorfor findes farver? Hvad er grunden til, at verden er, som vi opfatter den? Hvor langt kan en person se? Eksperimenter med nedbrydning af en solstråle til et spektrum blev udført af Newton i det 17. århundrede. Han lagde også et strengt matematisk grundlag for en række forskellige fakta, som på det tidspunkt var kendt om lys. Og Newtonsk teori forudsagde meget: for eksempel opdagelser, som kun kvantefysikken forklarede (afbøjningen af lys i et gravitationsfelt). Men datidens fysik vidste ikke og forstod ikke lysets nøjagtige natur.
Bølge eller partikel
Siden videnskabsmænd rundt om i verden begyndte at trænge ind i lysets essens, har der været en debat: hvad er stråling, en bølge eller en partikel (korpuskel)? Nogle fakta (brydning, refleksion og polarisering) bekræftede den første teori. Andre (retlineær udbredelse i fravær af forhindringer, let tryk) - den anden. Imidlertid var det kun kvantefysikken, der var i stand til at berolige denne strid ved at kombinere de to versioner til én.generel. Korpuskulær-bølgeteorien siger, at enhver mikropartikel, inklusive en foton, har både egenskaberne af en bølge og en partikel. Det vil sige, at et lyskvantum har sådanne karakteristika som frekvens, amplitude og bølgelængde, såvel som momentum og masse. Lad os tage en reservation med det samme: fotoner har ingen hvilemasse. Da de er en kvante af det elektromagnetiske felt, bærer de kun energi og masse i bevægelsesprocessen. Dette er essensen af begrebet "lys". Fysikken har nu forklaret det tilstrækkeligt detaljeret.
Bølgelængde og energi
Lidt over begrebet "bølgeenergi" blev nævnt. Einstein beviste overbevisende, at energi og masse er identiske begreber. Hvis en foton bærer energi, skal den have masse. Et lyskvante er imidlertid en "udspekuleret" partikel: Når en foton kolliderer med en forhindring, opgiver den fuldstændig sin energi til materien, bliver til den og mister sin individuelle essens. Samtidig kan visse omstændigheder (f.eks. kraftig opvarmning) forårsage, at metaller og gasser tidligere mørke og rolige indre udsender lys. En fotons momentum, en direkte konsekvens af tilstedeværelsen af masse, kan bestemmes ved hjælp af lystrykket. Eksperimenterne udført af Lebedev, en forsker fra Rusland, beviste overbevisende denne fantastiske kendsgerning.
Lebedevs eksperiment
Den russiske videnskabsmand Petr Nikolaevich Lebedev lavede i 1899 følgende eksperiment. På en tynd sølvtråd hang han en tværstang. Til enderne af tværstangen vedhæftede videnskabsmanden to plader af det samme stof. Disse var sølvfolie og guld og endda glimmer. Således blev der skabt en slags vægte. Kun de målte ikke vægten af den last, der presser ovenfra, men af den last, der presser fra siden på hver af pladerne. Lebedev placerede hele denne struktur under et glasdæksel, så vinden og tilfældige udsving i lufttætheden ikke kunne påvirke den. Yderligere vil jeg gerne skrive, at han skabte et vakuum under låget. Men på det tidspunkt var selv et gennemsnitligt vakuum umuligt at opnå. Så vi siger, at han skabte en meget sjælden atmosfære under glasdækslet. Og skiftevis oplyste den ene plade og efterlod den anden i skyggen. Mængden af lys rettet mod overfladerne var forudbestemt. Ud fra afbøjningsvinklen bestemte Lebedev, hvilket momentum der transmitterede lyset til pladerne.
Formler til bestemmelse af trykket af elektromagnetisk stråling ved normal stråleindfald
Lad os først forklare, hvad et "norm alt fald" er? Lys falder norm alt ind på en overflade, hvis det rettes strengt vinkelret på overfladen. Dette pålægger problemet begrænsninger: overfladen skal være perfekt glat, og strålingsstrålen skal rettes meget præcist. I dette tilfælde beregnes lystrykket med formlen:
p=(1-k+ρ)I/c, where
k er transmittansen, ρ er refleksionskoefficienten, I er intensiteten af den indfaldende lysstråle, c er lysets hastighed i vakuum.
Men, sandsynligvis, har læseren allerede gættet, at en sådan ideel kombination af faktorer ikke eksisterer. Selvom den ideelle overflade ikke tages i betragtning, er det ret vanskeligt at organisere lysindfaldet strengt vinkelret.
Formler forbestemmelse af trykket af elektromagnetisk stråling, når den falder i en vinkel
Lystrykket på en spejlflade i en vinkel beregnes ved hjælp af en anden formel, der allerede indeholder elementer af vektorer:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Værdierne p, i, i' er vektorer. I dette tilfælde er k og ρ, som i den foregående formel, henholdsvis transmissions- og reflektionskoefficienterne. De nye værdier betyder følgende:
- ω – volumentæthed af strålingsenergi;
- i og i’ er enhedsvektorer, der viser retningen af den indfaldende og reflekterede lysstråle (de angiver retningerne, i hvilke de virkende kræfter skal tilføjes);
- ϴ - vinkel til normalen, hvormed lysstrålen falder (og følgelig reflekteres, da overfladen er spejlet).
Mind læseren om, at normalen er vinkelret på overfladen, så hvis problemet er givet lysets indfaldsvinkel til overfladen, så er ϴ 90 grader minus den givne værdi.
Anvendelse af elektromagnetisk strålingstrykfænomen
En studerende, der studerer fysik, finder mange formler, begreber og fænomener kedelige. Fordi læreren som regel fortæller om de teoretiske aspekter, men sjældent kan give eksempler på fordelene ved visse fænomener. Lad os ikke bebrejde skolens mentorer for dette: de er meget begrænset af programmet, i løbet af lektionen skal du fortælle omfattende materiale og stadig have tid til at tjekke elevernes viden.
Ikke desto mindre har formålet med vores undersøgelse megetinteressante applikationer:
- Nu kan næsten alle studerende i laboratoriet på hans uddannelsesinstitution gentage Lebedevs eksperiment. Men så var sammenfaldet af eksperimentelle data med teoretiske beregninger et reelt gennembrud. Eksperimentet, der blev lavet for første gang med en fejl på 20 %, gjorde det muligt for forskere over hele verden at udvikle en ny gren af fysik - kvanteoptik.
- Produktion af højenergiprotoner (f.eks. til bestråling af forskellige stoffer) ved at accelerere tynde film med en laserpuls.
- Med hensyn til trykket fra solens elektromagnetiske stråling på overfladen af objekter nær Jorden, inklusive satellitter og rumstationer, giver det dig mulighed for at korrigere deres kredsløb med større nøjagtighed og forhindrer disse enheder i at falde til Jorden.
Ovenstående applikationer findes nu i den virkelige verden. Men der er også potentielle muligheder, som endnu ikke er blevet realiseret, fordi menneskehedens teknologi endnu ikke har nået det nødvendige niveau. Blandt dem:
- Solsejlads. Med dens hjælp ville det være muligt at flytte ganske store belastninger i nær-jorden og endda nær-sol-rum. Lys giver en lille impuls, men med den rigtige placering af sejlets overflade ville accelerationen være konstant. I mangel af friktion er det nok at få fart og levere varer til det ønskede punkt i solsystemet.
- Fotonisk motor. Denne teknologi vil måske give en person mulighed for at overvinde sin egen stjernes tiltrækning og flyve til andre verdener. Forskellen fra et solsejl er, at en kunstigt skabt enhed, for eksempel en termonuklear, vil generere solimpulser.motor.
