Šodien sarunu veltīsim tādai parādībai kā viegls spiediens. Apsveriet atklājuma pieņēmumus un sekas zinātnei.
Gaisma un krāsa
Cilvēku spēju noslēpums ir satraucis cilvēkus kopš seniem laikiem. Kā acs redz? Kāpēc krāsas pastāv? Kāds ir iemesls tam, ka pasaule ir tāda, kādu mēs to uztveram? Cik tālu cilvēks var redzēt? Eksperimentus ar saules stara sadalīšanos spektrā veica Ņūtons 17. gadsimtā. Viņš arī ielika stingru matemātisko pamatu vairākiem atšķirīgiem faktiem, kas tajā laikā bija zināmi par gaismu. Un Ņūtona teorija paredzēja daudz: piemēram, atklājumus, ko izskaidroja tikai kvantu fizika (gaismas novirze gravitācijas laukā). Bet tā laika fizika nezināja un nesaprata precīzu gaismas būtību.
Vilnis vai daļiņa
Kopš zinātnieki visā pasaulē sāka iedziļināties gaismas būtībā, ir notikušas debates: kas ir starojums, vilnis vai daļiņa (korpuskula)? Daži fakti (refrakcija, atstarošana un polarizācija) apstiprināja pirmo teoriju. Citi (taisnvirziena izplatīšanās, ja nav šķēršļu, viegls spiediens) - otrais. Tomēr tikai kvantu fizika spēja nomierināt šo strīdu, apvienojot abas versijas vienā.ģenerālis. Korpuskulāro viļņu teorija apgalvo, ka jebkurai mikrodaļiņai, ieskaitot fotonu, ir gan viļņa, gan daļiņas īpašības. Tas ir, gaismas kvantam ir tādas īpašības kā frekvence, amplitūda un viļņa garums, kā arī impulss un masa. Tūlīt izdarīsim atrunu: fotoniem nav miera masas. Būdami elektromagnētiskā lauka kvanti, tie nes enerģiju un masu tikai kustības procesā. Tāda ir jēdziena "gaisma" būtība. Tagad fizika to ir izskaidrojusi pietiekami detalizēti.
Viļņa garums un enerģija
Nedaudz augstāk tika minēts jēdziens "viļņu enerģija". Einšteins pārliecinoši pierādīja, ka enerģija un masa ir identiski jēdzieni. Ja fotonam ir enerģija, tam jābūt masai. Taču gaismas kvants ir “viltīga” daļiņa: fotonam saduroties ar šķērsli, tas pilnībā atdod savu enerģiju matērijai, kļūst par to un zaudē savu individuālo būtību. Tajā pašā laikā daži apstākļi (piemēram, spēcīga apkure) var izraisīt gaismas izstarošanos iepriekš tumšajos un mierīgajos metālu un gāzu interjerā. Fotona impulsu, kas ir tiešas masas klātbūtnes sekas, var noteikt, izmantojot gaismas spiedienu. Šo apbrīnojamo faktu pārliecinoši pierādīja Krievijas pētnieka Ļebedeva eksperimenti.
Ļebedeva eksperiments
Krievu zinātnieks Petrs Nikolajevičs Ļebedevs 1899. gadā veica šādu eksperimentu. Uz tieva sudraba diega viņš piekāra šķērsstieni. Uz šķērsstieņa galiem zinātnieks piestiprināja divas vienas un tās pašas vielas plāksnes. Tās bija sudraba folija, zelts un pat vizla. Tādējādi tika izveidoti sava veida svari. Tikai viņi mērīja svaru nevis slodzei, kas spiež no augšas, bet gan slodzei, kas spiež no sāniem uz katru no plāksnēm. Ļebedevs visu šo konstrukciju novietoja zem stikla pārsega, lai vējš un nejaušas gaisa blīvuma svārstības to nevarētu ietekmēt. Tālāk es gribētu rakstīt, ka viņš zem vāka izveidoja vakuumu. Bet tajā laikā pat vidējo vakuumu nebija iespējams sasniegt. Tāpēc mēs sakām, ka viņš zem stikla pārsega radīja ļoti retu atmosfēru. Un pārmaiņus apgaismoja vienu plāksni, otru atstājot ēnā. Uz virsmām vērstās gaismas daudzums bija iepriekš noteikts. Pēc novirzes leņķa Ļebedevs noteica, kāds impulss pārraida gaismu uz plāksnēm.
Formulas elektromagnētiskā starojuma spiediena noteikšanai pie parastā staru kūļa krišanas
Vispirms paskaidrosim, kas ir "parasts kritiens"? Gaisma parasti krīt uz virsmas, ja tā ir vērsta stingri perpendikulāri virsmai. Tas nosaka problēmas ierobežojumus: virsmai jābūt pilnīgi gludai, un starojuma staram jābūt ļoti precīzi virzītam. Šajā gadījumā gaismas spiedienu aprēķina pēc formulas:
p=(1-k+ρ)I/c, kur
k ir caurlaidība, ρ ir atstarošanas koeficients, I ir krītošā gaismas stara intensitāte, c ir gaismas ātrums vakuumā.
Bet, iespējams, lasītājs jau ir uzminējis, ka tik ideāla faktoru kombinācija neeksistē. Pat ja neņem vērā ideālo virsmu, ir diezgan grūti organizēt gaismas krišanu stingri perpendikulāri.
Formulas priekšelektromagnētiskā starojuma spiediena noteikšana, kad tas krīt leņķī
Gaismas spiedienu uz spoguļa virsmu leņķī aprēķina, izmantojot citu formulu, kas jau satur vektoru elementus:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Vērtības p, i, i' ir vektori. Šajā gadījumā k un ρ, tāpat kā iepriekšējā formulā, ir attiecīgi caurlaidības un atstarošanas koeficienti. Jaunās vērtības nozīmē:
- ω – starojuma enerģijas tilpuma blīvums;
- i un i’ ir vienības vektori, kas parāda krītošā un atstarotā gaismas stara virzienu (tie nosaka virzienus, kuros jāpievieno iedarbīgie spēki);
- ϴ - leņķis pret normālu, kurā gaismas stars krīt (un attiecīgi tiek atstarots, jo virsma tiek atspoguļota).
Atgādiniet lasītājam, ka norma ir perpendikulāra virsmai, tādēļ, ja uzdevumam ir dots gaismas krišanas leņķis pret virsmu, tad ϴ ir 90 grādi mīnus dotā vērtība.
Elektromagnētiskā starojuma spiediena fenomena pielietojums
Studentam, kurš studē fiziku, daudzas formulas, jēdzieni un parādības šķiet garlaicīgas. Jo, kā likums, skolotājs stāsta teorētiskos aspektus, bet reti var sniegt piemērus par atsevišķu parādību priekšrocībām. Nevainosim par to skolas mentorus: viņus ļoti ierobežo programma, stundas laikā jāpastāsta plašs materiāls un vēl jāpaspēj pārbaudīt skolēnu zināšanas.
Tomēr mūsu pētījuma objektā ir daudzinteresantas lietojumprogrammas:
- Tagad gandrīz katrs skolēns savas izglītības iestādes laboratorijā var atkārtot Ļebedeva eksperimentu. Bet tad eksperimentālo datu sakritība ar teorētiskajiem aprēķiniem bija īsts izrāviens. Eksperiments, kas pirmo reizi tika veikts ar 20% kļūdu, ļāva zinātniekiem visā pasaulē izstrādāt jaunu fizikas nozari - kvantu optiku.
- Augstas enerģijas protonu ražošana (piemēram, dažādu vielu apstarošanai), paātrinot plānās kārtiņas ar lāzera impulsu.
- Ņemot vērā Saules elektromagnētiskā starojuma spiedienu uz Zemei tuvu objektu, tostarp satelītu un kosmosa staciju, virsmu, ļauj ar lielāku precizitāti koriģēt to orbītu un neļauj šīm ierīcēm nokrist uz Zemi.
Iepriekš minētās lietojumprogrammas tagad pastāv reālajā pasaulē. Taču ir arī potenciālas iespējas, kas vēl nav realizētas, jo cilvēces tehnoloģijas vēl nav sasniegušas vajadzīgo līmeni. Starp tiem:
- Saules bura. Ar tās palīdzību būtu iespējams pārvietot diezgan lielas kravas zemei un pat tuvu Saulei. Gaisma dod nelielu impulsu, bet ar pareizu buras virsmas pozīciju paātrinājums būtu nemainīgs. Ja nav berzes, pietiek ar to, lai palielinātu ātrumu un nogādātu preces vēlamajā Saules sistēmas punktā.
- Fotonisks dzinējs. Šī tehnoloģija, iespējams, ļaus cilvēkam pārvarēt savas zvaigznes pievilcību un aizlidot uz citām pasaulēm. Atšķirība no saules buras ir tāda, ka mākslīgi izveidota ierīce, piemēram, kodoltermiskā, radīs saules impulsus.dzinējs.
