Ma egy olyan jelenségnek szentelünk egy beszélgetést, mint a könnyű nyomás. Fontolja meg a felfedezés premisszáit és a tudományra gyakorolt következményeit.
Fény és szín
Az emberi képességek rejtélye ősidők óta aggasztja az embereket. Hogyan lát a szem? Miért léteznek színek? Mi az oka annak, hogy a világ olyan, amilyennek látjuk? Milyen messzire lát az ember? Newton a 17. században kísérleteket végzett a napsugárzás spektrummá történő lebontásával. Szigorú matematikai alapokat is lefektetett számos, a fényről akkoriban ismert tényhez. A newtoni elmélet pedig sok mindent megjósolt: például felfedezéseket, amelyeket csak a kvantumfizika magyarázott (a fény eltérülését a gravitációs térben). De az akkori fizika nem ismerte és nem értette a fény pontos természetét.
Hullám vagy részecske
Amióta a tudósok világszerte elkezdtek behatolni a fény lényegébe, vita folyik: mi a sugárzás, a hullám vagy a részecske (test)? Néhány tény (törés, reflexió és polarizáció) megerősítette az első elméletet. Mások (egyenes terjedés akadályok hiányában, könnyű nyomás) - a második. Ezt a vitát azonban csak a kvantumfizika tudta megnyugtatni a két változat egyesítésével. Tábornok. A korpuszkuláris hullámelmélet kimondja, hogy minden mikrorészecske, beleértve a fotont is, rendelkezik hullám és részecske tulajdonságaival is. Vagyis a fénykvantumnak olyan jellemzői vannak, mint a frekvencia, az amplitúdó és a hullámhossz, valamint az impulzus és a tömeg. Azonnal foglaljunk helyet: a fotonoknak nincs nyugalmi tömegük. Mivel az elektromágneses mező kvantumai, csak a mozgás során hordoznak energiát és tömeget. Ez a „fény” fogalmának a lényege. A fizika most kellően részletesen elmagyarázta.
Hullámhossz és energia
Valamivel a "hullámenergia" fogalma fölött került szóba. Einstein meggyőzően bebizonyította, hogy az energia és a tömeg azonos fogalmak. Ha egy foton energiát hordoz, akkor tömeggel kell rendelkeznie. A fénykvantum azonban „ravasz” részecske: amikor egy foton ütközik egy akadállyal, teljesen átadja energiáját az anyagnak, azzá válik, és elveszti egyéni lényegét. Ugyanakkor bizonyos körülmények (például erős fűtés) fényt bocsáthatnak ki a fémek és gázok korábban sötét és nyugodt belső tereiben. A foton lendülete, amely a tömeg jelenlétének egyenes következménye, a fény nyomásával meghatározható. Lebegyev orosz kutató kísérletei meggyőzően igazolták ezt a csodálatos tényt.
Lebegyev kísérlete
Petr Nyikolajevics Lebegyev orosz tudós 1899-ben a következő kísérletet végezte. Egy vékony ezüstszálra keresztrudat akasztott. A keresztrúd végeihez a tudós két lemezt rögzített ugyanabból az anyagból. Ez ezüstfólia volt, arany, sőt csillám is. Így létrejött egyfajta mérleg. Csak ők nem a felülről nyomó, hanem az oldalról nyomó terhelés súlyát mérték az egyes lemezeken. Lebegyev ezt az egész szerkezetet üvegburkolat alá helyezte, hogy a szél és a levegősűrűség véletlenszerű ingadozása ne befolyásolhassa. Továbbá azt szeretném írni, hogy vákuumot hozott létre a fedél alatt. De akkoriban még egy átlagos vákuumot sem lehetett elérni. Tehát azt mondjuk, hogy nagyon ritka hangulatot teremtett az üvegburkolat alatt. És felváltva megvilágította az egyik tányért, a másikat árnyékban hagyva. A felületekre irányított fény mennyisége előre meg volt határozva. Az elhajlási szögből Lebegyev meghatározta, milyen lendület közvetíti a fényt a lemezekre.
Képletek az elektromágneses sugárzás nyomásának meghatározásához normál sugárbeesés esetén
Először magyarázzuk el, mi az a "normál esés"? A fény általában akkor esik a felületre, ha szigorúan a felületre merőlegesen irányul. Ez korlátozza a problémát: a felületnek tökéletesen simának kell lennie, és a sugárnyalábnak nagyon pontosan kell irányítania. Ebben az esetben a fénynyomást a következő képlettel számítjuk ki:
p=(1-k+ρ)I/c, hol
k az áteresztőképesség, ρ a visszaverődési együttható, I a beeső fénysugár intenzitása, c a fény sebessége vákuumban.
De valószínűleg az olvasó már sejtette, hogy a tényezők ilyen ideális kombinációja nem létezik. Még ha az ideális felületet nem is vesszük figyelembe, meglehetősen nehéz a fény beesését szigorúan merőlegesen megszervezni.
Képletekaz elektromágneses sugárzás nyomásának meghatározása, amikor az szögben esik
A tükörfelületre szögben álló fénynyomást egy másik képlet segítségével számítjuk ki, amely már tartalmaz vektorelemeket:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
A p, i, i' értékek vektorok. Ebben az esetben k és ρ, mint az előző képletben, az átviteli, illetve a reflexiós együttható. Az új értékek a következőket jelentik:
- ω – a sugárzási energia térfogatsűrűsége;
- i és i’ egységvektorok, amelyek a beeső és visszavert fénysugár irányát mutatják (ezek határozzák meg azokat az irányokat, amelyekben a ható erőket össze kell adni);
- ϴ - a normálhoz képesti szög, amelybe a fénysugár esik (és ennek megfelelően visszaverődik, mivel a felület tükröződik).
Emlékeztessük az olvasót, hogy a normál merőleges a felületre, tehát ha a feladat adott a fény beesési szöge a felületre, akkor ϴ 90 fok mínusz a megadott érték.
Az elektromágneses sugárzás nyomásjelenségének alkalmazása
Egy fizikát tanuló diák sok képletet, fogalmat és jelenséget unalmasnak talál. Mert általában a tanár elmondja az elméleti szempontokat, de ritkán tud példát mondani egyes jelenségek előnyeire. Ne az iskolai mentorokat hibáztassuk ezért: nagyon behatárolja őket a program, az óra alatt bőséges anyagot kell elmondani, és még van időd ellenőrizni a tanulók tudását.
Mindazonáltal tanulmányunk tárgya sok mindent tartalmazérdekes alkalmazások:
- Most oktatási intézményének laboratóriumában szinte minden diák megismételheti Lebegyev kísérletét. Ekkor azonban a kísérleti adatok és az elméleti számítások egybeesése igazi áttörést jelentett. Az első alkalommal 20%-os hibával végzett kísérlet lehetővé tette a tudósok számára a fizika új ágának, a kvantumoptikának a kifejlesztését világszerte.
- Nagy energiájú protonok előállítása (például különféle anyagok besugárzására) vékony filmek lézerimpulzussal történő gyorsításával.
- A Nap elektromágneses sugárzásának a Föld-közeli objektumok felszínére gyakorolt nyomásának figyelembevétele, beleértve a műholdakat és az űrállomásokat, lehetővé teszi a pályájuk pontosabb korrigálását, és megakadályozza, hogy ezek az eszközök a Földre essenek.
A fenti alkalmazások már léteznek a való világban. De vannak olyan potenciális lehetőségek is, amelyek még nem valósultak meg, mert az emberiség technológiája még nem érte el a szükséges szintet. Köztük:
- Szolárvitorla. Segítségével meglehetősen nagy terheket lehetne mozgatni a Föld-közeli, sőt napközeli térben is. A fény kis impulzust ad, de a vitorla felületének megfelelő helyzetével a gyorsulás állandó lenne. Súrlódás hiányában elég felgyorsítani és az árukat a naprendszer kívánt pontjára szállítani.
- Fotónikus motor. Ez a technológia talán lehetővé teszi az ember számára, hogy legyőzze saját csillaga vonzerejét, és más világokba repüljön. A különbség a napvitorlától az, hogy egy mesterségesen létrehozott eszköz, például egy termonukleáris, napimpulzusokat generál.motor.
