Dnes budeme venovať rozhovor takému fenoménu, akým je ľahký tlak. Zvážte predpoklady objavu a dôsledky pre vedu.
Svetlo a farba
Záhada ľudských schopností znepokojovala ľudí už od staroveku. Ako vidí oko? Prečo existujú farby? Aký je dôvod, že svet je taký, ako ho vnímame? Ako ďaleko môže človek vidieť? Experimenty s rozkladom slnečného lúča na spektrum uskutočnil Newton v 17. storočí. Tiež položil prísny matematický základ pre množstvo rozdielnych faktov, ktoré boli v tom čase známe o svetle. A newtonovská teória predpovedala veľa: napríklad objavy, ktoré vysvetlila iba kvantová fyzika (vychýlenie svetla v gravitačnom poli). Ale fyzika tej doby nepoznala a nechápala presnú povahu svetla.
Vlna alebo častice
Odkedy vedci z celého sveta začali prenikať do podstaty svetla, začala sa diskusia: čo je žiarenie, vlna alebo častica (telieska)? Niektoré fakty (refrakcia, odraz a polarizácia) potvrdili prvú teóriu. Iné (priamočiare šírenie v neprítomnosti prekážok, ľahký tlak) - druhé. Tento spor však dokázala upokojiť až kvantová fyzika spojením dvoch verzií do jednej.všeobecný. Teória korpuskulárnych vĺn uvádza, že každá mikročastica, vrátane fotónu, má vlastnosti vlny aj častice. To znamená, že kvantum svetla má také charakteristiky, ako je frekvencia, amplitúda a vlnová dĺžka, ako aj hybnosť a hmotnosť. Okamžite urobme rezerváciu: fotóny nemajú žiadnu pokojovú hmotnosť. Keďže ide o kvantum elektromagnetického poľa, nesú energiu a hmotu iba v procese pohybu. Toto je podstata pojmu „svetlo“. Fyzika to teraz vysvetlila dostatočne podrobne.
Vlnová dĺžka a energia
Trochu vyššie bol spomenutý pojem „vlnová energia“. Einstein presvedčivo dokázal, že energia a hmotnosť sú totožné pojmy. Ak fotón nesie energiu, musí mať hmotnosť. Kvantum svetla je však „prefíkaná“častica: keď sa fotón zrazí s prekážkou, úplne odovzdá svoju energiu hmote, stane sa ňou a stratí svoju individuálnu podstatu. Zároveň môžu určité okolnosti (napríklad silné zahrievanie) spôsobiť, že predtým tmavé a pokojné interiéry kovov a plynov vyžarujú svetlo. Hybnosť fotónu, priamy dôsledok prítomnosti hmoty, možno určiť pomocou tlaku svetla. Experimenty Lebedeva, výskumníka z Ruska, presvedčivo dokázali túto úžasnú skutočnosť.
Lebedevov experiment
Ruský vedec Petr Nikolajevič Lebedev v roku 1899 uskutočnil nasledujúci experiment. Na tenkú striebornú niť zavesil brvno. Na konce brvna vedec pripevnil dve dosky tej istej látky. Boli to strieborné fólie, zlato a dokonca aj sľuda. Tak vznikli akési váhy. Len merali váhu nie záťaže, ktorá tlačí zhora, ale záťaže, ktorá tlačí zboku na každú z platní. Lebedev umiestnil celú túto konštrukciu pod sklenený kryt, aby ju vietor a náhodné výkyvy hustoty vzduchu nemohli ovplyvniť. Ďalej by som chcel napísať, že pod vekom vytvoril vákuum. V tom čase však nebolo možné dosiahnuť ani priemerné vákuum. Hovoríme teda, že pod skleneným krytom vytvoril veľmi vzácnu atmosféru. A striedavo osvetľoval jednu platňu, pričom druhú nechal v tieni. Množstvo svetla smerovaného na povrchy bolo vopred určené. Z uhla vychýlenia Lebedev určil, aká hybnosť prenášala svetlo na dosky.
Vzorce na určenie tlaku elektromagnetického žiarenia pri normálnom dopade lúča
Vysvetlime si najprv, čo je „normálny pád“? Svetlo dopadá na povrch normálne, ak je nasmerované presne kolmo na povrch. To obmedzuje problém: povrch musí byť dokonale hladký a lúč žiarenia musí byť nasmerovaný veľmi presne. V tomto prípade sa tlak svetla vypočíta podľa vzorca:
p=(1-k+ρ)I/c, kde
k je priepustnosť, ρ je koeficient odrazu, I je intenzita dopadajúceho svetelného lúča, c je rýchlosť svetla vo vákuu.
Čitateľ však už pravdepodobne uhádol, že takáto ideálna kombinácia faktorov neexistuje. Aj keď sa neberie do úvahy ideálny povrch, je dosť ťažké zorganizovať dopad svetla striktne kolmo.
Vzorce preurčenie tlaku elektromagnetického žiarenia pri dopade pod uhlom
Tlak svetla na zrkadlovom povrchu pod uhlom sa vypočíta pomocou iného vzorca, ktorý už obsahuje prvky vektorov:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Hodnoty p, i, i' sú vektory. V tomto prípade k a ρ, ako v predchádzajúcom vzorci, sú koeficienty priepustnosti a koeficientu odrazu. Nové hodnoty znamenajú nasledovné:
- ω – objemová hustota energie žiarenia;
- i a i’ sú jednotkové vektory, ktoré znázorňujú smer dopadajúceho a odrazeného lúča svetla (určujú smery, v ktorých sa majú sčítať pôsobiace sily);
- ϴ - uhol k normále, pod ktorým svetelný lúč dopadá (a teda sa odráža, pretože povrch je zrkadlový).
Pripomeňte čitateľovi, že normála je kolmá na povrch, takže ak je problém daný uhlom dopadu svetla na povrch, potom ϴ je 90 stupňov mínus daná hodnota.
Aplikácia javu tlaku elektromagnetického žiarenia
Študentovi, ktorý študuje fyziku, pripadajú mnohé vzorce, pojmy a javy nudné. Pretože učiteľ spravidla hovorí o teoretických aspektoch, ale zriedka môže uviesť príklady výhod určitých javov. Neobviňme z toho školských mentorov: sú veľmi limitovaní programom, počas hodiny potrebujete rozprávať obsiahlu látku a ešte máte čas skontrolovať vedomosti študentov.
Cieľ našej štúdie má však veľazaujímavé aplikácie:
- Teraz môže Lebedevov experiment zopakovať takmer každý študent v laboratóriu jeho vzdelávacej inštitúcie. Ale potom bola zhoda experimentálnych údajov s teoretickými výpočtami skutočným prielomom. Experiment, ktorý sa prvýkrát uskutočnil s 20% chybou, umožnil vedcom z celého sveta vyvinúť nové odvetvie fyziky – kvantovú optiku.
- Produkcia vysokoenergetických protónov (napríklad na ožarovanie rôznych látok) urýchľovaním tenkých vrstiev laserovým pulzom.
- Zohľadnenie tlaku elektromagnetického žiarenia Slnka na povrch objektov v blízkosti Zeme, vrátane satelitov a vesmírnych staníc, umožňuje korigovať ich obežnú dráhu s väčšou presnosťou a zabraňuje pádu týchto zariadení na Zem.
Vyššie uvedené aplikácie už existujú v reálnom svete. Existujú však aj potenciálne príležitosti, ktoré sa zatiaľ nerealizovali, pretože technika ľudstva ešte nedosiahla požadovanú úroveň. Medzi nimi:
- Slnečná plachta. S jeho pomocou by bolo možné premiestňovať pomerne veľké náklady v blízkozemskom a dokonca blízkom slnečnom priestore. Svetlo dáva malý impulz, ale pri správnej polohe povrchu plachty by bolo zrýchlenie konštantné. Pri absencii trenia stačí nabrať rýchlosť a dodať tovar do požadovaného bodu v slnečnej sústave.
- Fotonický motor. Táto technológia možno umožní človeku prekonať príťažlivosť svojej vlastnej hviezdy a letieť do iných svetov. Rozdiel od slnečnej plachty je v tom, že umelo vytvorené zariadenie, napríklad termonukleárne, bude generovať slnečné impulzy.motor.
