I dag vil vi tale om Lebedevs eksperiment med at bevise trykket fra lysfotoner. Vi vil afsløre vigtigheden af denne opdagelse og baggrunden, der førte til den.
Viden er nysgerrighed
Der er to synspunkter om fænomenet nysgerrighed. Den ene udtrykkes med ordsproget "nysgerrige Varvaras næse blev revet af på markedet", og det andet - med ordsproget "nysgerrighed er ikke en last." Dette paradoks løses let, hvis man skelner mellem områder, hvor interessen ikke er velkommen eller tværtimod er nødvendig.
Johannes Kepler blev ikke født til at blive videnskabsmand: hans far kæmpede i krigen, og hans mor holdt et værtshus. Men han havde ekstraordinære evner og var selvfølgelig nysgerrig. Derudover led Kepler af en alvorlig synsnedsættelse. Men det var ham, der gjorde opdagelser, takket være hvilken videnskab og hele verden er, hvor de er nu. Johannes Kepler er berømt for at tydeliggøre Copernicus' planetsystem, men i dag vil vi tale om videnskabsmandens andre bedrifter.
Inertia and Wavelength: A Medieval Legacy
For halvtreds tusinde år siden tilhørte matematik og fysik sektionen "Kunst". Derfor var Copernicus engageret i mekanikken for bevægelse af legemer (inklusive himmelske), og optik og tyngdekraft. Det var ham, der beviste eksistensen af inerti. Fra konklusionerneDenne videnskabsmand dyrkede moderne mekanik, begrebet vekselvirkninger mellem kroppe, videnskaben om udveksling af hastigheder af kontaktobjekter. Copernicus udviklede også et harmonisk system af lineær optik.
Han introducerede begreber som:
- "lysbrydning";
- "refraktion";
- "optisk akse";
- "samlet intern refleksion";
- "belysning".
Og hans forskning beviste til sidst lysets bølgenatur og førte til Lebedevs eksperiment med at måle trykket af fotoner.
Lysets kvanteegenskaber
Først og fremmest er det værd at definere essensen af lys og tale om, hvad det er. En foton er et kvantum af et elektromagnetisk felt. Det er en energipakke, der bevæger sig gennem rummet som helhed. Man kan ikke "bide af" en smule energi fra en foton, men den kan transformeres. For eksempel, hvis lys absorberes af et stof, er dets energi inde i kroppen i stand til at gennemgå ændringer og udsende en foton med en anden energi tilbage. Men formelt set vil dette ikke være den samme mængde lys, som blev absorberet.
Et eksempel på dette ville være en solid metalkugle. Hvis et stykke stof rives fra dets overflade, vil formen ændre sig, det vil ophøre med at være sfærisk. Men hvis du smelter hele genstanden, tager noget flydende metal og så laver en mindre kugle af resterne, så bliver det igen en kugle, men anderledes, ikke det samme som før.
Lysets bølgeegenskaber
Fotoner har egenskaber som en bølge. Grundlæggende parametre er:
- bølgelængde (karakteriserer mellemrum);
- frekvens (karakteriserertid);
- amplitude (karakteriserer styrken af oscillationen).
Men som et kvantum af et elektromagnetisk felt har en foton også en udbredelsesretning (betegnet som en bølgevektor). Derudover er amplitudevektoren i stand til at rotere rundt om bølgevektoren og skabe bølgepolarisering. Med den samtidige udsendelse af flere fotoner bliver fasen, eller rettere sagt faseforskellen, også en vigtig faktor. Husk på, at fasen er den del af oscillationen, som bølgefronten har på et bestemt tidspunkt (stigning, maksimum, nedstigning eller minimum).
Masse og energi
Som Einstein vittigt beviste, er masse energi. Men i hvert enkelt tilfælde kan det være vanskeligt at finde en lov, hvorefter en værdi bliver til en anden. Alle de ovennævnte bølgekarakteristika for lys er tæt forbundet med energi. Nemlig: at øge bølgelængden og mindske frekvensen betyder mindre energi. Men da der er energi, så skal fotonen have masse, derfor skal der være et let tryk.
Oplevelsesstruktur
Men da fotoner er meget små, bør deres masse også være lille. At bygge en enhed, der kunne bestemme den med tilstrækkelig nøjagtighed, var en vanskelig teknisk opgave. Den russiske videnskabsmand Lebedev Petr Nikolaevich var den første til at klare det.
Selve eksperimentet var baseret på designet af vægtene, der bestemte vridningsmomentet. En tværstang blev hængt på en sølvtråd. Fastgjort til dens ender var identiske tynde plader af forskelligematerialer. Oftest brugte man metaller (sølv, guld, nikkel) i Lebedevs forsøg, men der var også glimmer. Hele strukturen blev placeret i en glasbeholder, hvori der blev skabt et vakuum. Derefter blev den ene plade belyst, mens den anden forblev i skyggen. Lebedevs erfaring viste, at belysning af den ene side fører til, at vægten begynder at snurre. Ifølge afvigelsesvinklen bedømte videnskabsmanden lysets styrke.
Oplev vanskeligheder
I begyndelsen af det tyvende århundrede var det svært at opstille et tilstrækkeligt præcist eksperiment. Enhver fysiker vidste, hvordan man skaber et vakuum, arbejder med glas og polerer overflader. Faktisk blev viden opnået manuelt. På det tidspunkt var der ingen store virksomheder, der ville producere det nødvendige udstyr i hundredvis af stykker. Lebedevs enhed blev skabt i hånden, så videnskabsmanden stod over for en række vanskeligheder.
Støvsuget på det tidspunkt var ikke engang gennemsnitligt. Forskeren pumpede luft ud under en glashætte med en speciel pumpe. Men eksperimentet foregik i bedste fald i en sjælden atmosfære. Det var vanskeligt at adskille lystrykket (impulsoverførsel) fra opvarmningen af den oplyste side af enheden: den største hindring var tilstedeværelsen af gas. Hvis eksperimentet blev udført i et dybt vakuum, ville der ikke være nogen molekyler, hvis Brownske bevægelse på den belyste side ville være stærkere.
Følsomheden af afbøjningsvinklen lod meget tilbage at ønske. Moderne skruesøgere kan måle vinkler ned til milliontedele af en radian. I begyndelsen af det nittende århundrede kunne skalaen ses med det blotte øje. Tekniktid kunne ikke give identisk vægt og størrelse af pladerne. Dette gjorde det til gengæld umuligt at fordele massen jævnt, hvilket også skabte vanskeligheder med at bestemme drejningsmomentet.
Trådens isolering og struktur påvirker resultatet i høj grad. Hvis den ene ende af metalstykket af en eller anden grund blev opvarmet mere (dette kaldes en temperaturgradient), så kunne ledningen begynde at sno sig uden let tryk. På trods af at Lebedevs enhed var ret enkel og gav en stor fejl, blev kendsgerningen om momentumoverførsel af lysfotoner bekræftet.
Form på belysningsplader
Det forrige afsnit oplistede mange tekniske vanskeligheder, der fandtes i eksperimentet, men påvirkede ikke hovedsagen - lys. Rent teoretisk forestiller vi os, at en stråle af monokromatiske stråler falder på pladen, som er strengt parallelle med hinanden. Men i begyndelsen af det tyvende århundrede var lyskilden solen, stearinlys og simple glødelamper. For at gøre strålen af stråler parallel blev der bygget komplekse linsesystemer. Og i dette tilfælde var kildens lysstyrkekurve den vigtigste faktor.
I fysiktimer siges det ofte, at stråler kommer fra et punkt. Men rigtige lysgeneratorer har visse dimensioner. Desuden kan midten af et filament udsende flere fotoner end kanterne. Som følge heraf oplyser lampen nogle områder omkring den bedre end andre. Linjen, der går rundt i hele rummet med samme belysning fra en given kilde, kaldes lysstyrkekurven.
Blodmåne og delvis formørkelse
Vampyrromaner er fyldt med forfærdelige transformationer, der sker med mennesker og natur i blodmånen. Men det siger ikke, at dette fænomen ikke skal frygtes. Fordi det er resultatet af Solens store størrelse. Diameteren af vores centrale stjerne er cirka 110 jorddiametre. Samtidig når fotoner udsendt fra både den ene og den anden kant af den synlige skive planetens overflade. Når Månen falder ind i Jordens penumbra, er den således ikke helt tilsløret, men bliver ligesom rød. Atmosfæren på planeten er også skyld i denne skygge: den absorberer alle synlige bølgelængder, undtagen orange. Husk, at Solen også bliver rød ved solnedgang, og det netop fordi den passerer gennem et tykkere lag af atmosfæren.
Hvordan skabes jordens ozonlag?
En omhyggelig læser kan spørge: "Hvad har lystrykket at gøre med Lebedevs eksperimenter?" Lysets kemiske effekt skyldes i øvrigt også, at fotonen bærer momentum. Dette fænomen er nemlig ansvarlig for nogle lag af planetens atmosfære.
Som du ved, absorberer vores lufthav hovedsageligt den ultraviolette komponent af sollys. Desuden ville liv i kendt form være umuligt, hvis jordens stenede overflade var badet i ultraviolet lys. Men i en højde af omkring 100 km er atmosfæren endnu ikke tyk nok til at absorbere alt. Og ultraviolet får mulighed for at interagere med ilt direkte. Det bryder molekylerne O2 ifrie atomer og fremmer deres kombination til en anden modifikation - O3. I sin rene form er denne gas dødelig. Det er derfor, det bruges til at desinficere luft, vand, tøj. Men som en del af jordens atmosfære beskytter den alt levende mod virkningerne af skadelig stråling, fordi ozonlaget meget effektivt absorberer kvanta af det elektromagnetiske felt med energier over det synlige spektrum.
