Šodien runāsim par Ļebedeva eksperimentu gaismas fotonu spiediena pierādīšanā. Mēs atklāsim šī atklājuma nozīmi un to, kas to izraisīja.
Zināšanas ir zinātkāre
Par zinātkāres fenomenu ir divi viedokļi. Vienu izsaka teiciens "tirgū ziņkārīgajam Varvaram norauta degunu", bet otru - teiciens "ziņkāre nav netikums". Šis paradokss ir viegli atrisināms, ja izšķir jomas, par kurām interese nav vēlama vai, gluži pretēji, ir nepieciešama.
Johannes Keplers nav dzimis, lai kļūtu par zinātnieku: viņa tēvs cīnījās karā, bet māte turēja krogu. Bet viņam bija neparastas spējas un, protams, viņš bija zinātkārs. Turklāt Keplers cieta no smagiem redzes traucējumiem. Bet tieši viņš izdarīja atklājumus, pateicoties kuriem zinātne un visa pasaule ir tur, kur tagad. Johanness Keplers ir slavens ar Kopernika planētu sistēmas noskaidrošanu, taču šodien mēs runāsim par citiem zinātnieka sasniegumiem.
Inerce un viļņa garums: viduslaiku mantojums
Pirms piecdesmit tūkstošiem gadu matemātika un fizika piederēja sadaļai "Māksla". Tāpēc Koperniks nodarbojās ar ķermeņu (arī debesu) kustības mehāniku, optiku un gravitāciju. Tas bija viņš, kurš pierādīja inerces esamību. No secinājumiemŠis zinātnieks attīstīja moderno mehāniku, ķermeņu mijiedarbības jēdzienu, zinātni par saskares objektu ātrumu apmaiņu. Koperniks izstrādāja arī harmonisku lineārās optikas sistēmu.
Viņš ieviesa tādus jēdzienus kā:
- "gaismas laušana";
- "refrakcija";
- "optiskā ass";
- "kopējais iekšējais atspoguļojums";
- "apgaismojums".
Un viņa pētījumi galu galā pierādīja gaismas viļņu raksturu un noveda pie Ļebedeva eksperimenta fotonu spiediena mērīšanā.
Gaismas kvantu īpašības
Pirmkārt, ir vērts definēt gaismas būtību un parunāt par to, kas tā ir. Fotons ir elektromagnētiskā lauka kvants. Tā ir enerģijas pakete, kas pārvietojas pa telpu kopumā. Jūs nevarat "nokost" no fotona mazliet enerģijas, bet to var pārveidot. Piemēram, ja viela absorbē gaismu, tad ķermeņa iekšienē tās enerģija spēj izmainīties un izstarot atpakaļ fotonu ar atšķirīgu enerģiju. Bet formāli tas nebūs tas pats gaismas kvants, kas tika absorbēts.
Piemērs tam varētu būt cieta metāla bumbiņa. Ja matērijas gabals tiek noplēsts no tās virsmas, tad mainīsies forma, tā pārstās būt sfēriska. Bet, ja izkausēsiet visu priekšmetu, paņemiet šķidru metālu un pēc tam izveidosiet mazāku lodi no paliekām, tad tā atkal būs sfēra, bet savādāka, nevis tāda pati kā iepriekš.
Gaismas viļņu īpašības
Fotoniem ir viļņa īpašības. Pamatparametri ir:
- viļņa garums (raksturo telpu);
- frekvence (raksturolaiks);
- amplitūda (raksturo svārstību stiprumu).
Tomēr fotonam kā elektromagnētiskā lauka kvantam ir arī izplatīšanās virziens (apzīmēts kā viļņu vektors). Turklāt amplitūdas vektors spēj griezties ap viļņu vektoru un radīt viļņu polarizāciju. Vienlaicīgi izstarojot vairākus fotonus, par svarīgu faktoru kļūst arī fāze vai drīzāk fāzes starpība. Atcerieties, ka fāze ir tā svārstību daļa, kas viļņu frontei piemīt noteiktā laika momentā (pieaugums, maksimums, nolaišanās vai minimums).
Masa un enerģija
Kā Einšteins asprātīgi pierādīja, masa ir enerģija. Taču katrā konkrētajā gadījumā likuma meklēšana, saskaņā ar kuru viena vērtība pārtop citā, var būt apgrūtināta. Visas iepriekš minētās gaismas viļņu īpašības ir cieši saistītas ar enerģiju. Proti: viļņa garuma palielināšana un frekvences samazināšana nozīmē mazāk enerģijas. Bet, tā kā ir enerģija, tad fotonam ir jābūt masai, tāpēc ir jābūt vieglam spiedienam.
Pieredzes struktūra
Tomēr, tā kā fotoni ir ļoti mazi, arī to masai jābūt mazai. Izgatavot ierīci, kas to varētu pietiekami precīzi noteikt, bija sarežģīts tehnisks uzdevums. Krievu zinātnieks Ļebedevs Petrs Nikolajevičs bija pirmais, kas ar to tika galā.
Pats eksperiments tika balstīts uz to atsvaru konstrukciju, kas noteica vērpes momentu. Uz sudraba diega tika piekārts šķērsstienis. Tās galiem bija piestiprinātas identiskas plānas dažādu veidu plāksnesmateriāliem. Visbiežāk Ļebedeva eksperimentā tika izmantoti metāli (sudrabs, zelts, niķelis), taču bija arī vizla. Visa konstrukcija tika ievietota stikla traukā, kurā tika izveidots vakuums. Pēc tam viena plāksne tika izgaismota, bet otra palika ēnā. Ļebedeva pieredze pierādīja, ka vienas puses apgaismojums noved pie tā, ka svari sāk griezties. Pēc novirzes leņķa zinātnieks novērtēja gaismas stiprumu.
Piedzīvo grūtības
Divdesmitā gadsimta sākumā bija grūti izveidot pietiekami precīzu eksperimentu. Katrs fiziķis prata izveidot vakuumu, strādāt ar stiklu un pulēt virsmas. Patiesībā zināšanas tika iegūtas manuāli. Tolaik nebija lielu korporāciju, kas ražotu nepieciešamo aprīkojumu simtos gabalos. Ļebedeva ierīce tika izveidota ar rokām, tāpēc zinātnieks saskārās ar vairākām grūtībām.
Vakuums tajā laikā nebija pat vidējs. Zinātnieks ar speciālu sūkni izsūknēja gaisu no stikla vāciņa. Taču eksperiments labākajā gadījumā notika retā atmosfērā. Gaismas spiedienu (impulsu pārnesi) bija grūti nodalīt no ierīces apgaismotās puses sildīšanas: galvenais šķērslis bija gāzes klātbūtne. Ja eksperimentu veiktu dziļā vakuumā, tad nebūtu tādu molekulu, kuru Brauna kustība apgaismotajā pusē būtu spēcīgāka.
Novirzes leņķa jutīgums atstāja daudz vēlamo. Mūsdienu skrūvju meklētāji var izmērīt leņķus līdz pat miljondaļām radiāna. Deviņpadsmitā gadsimta sākumā mērogu varēja redzēt ar neapbruņotu aci. Tehnikalaiks nevarēja nodrošināt identisku plākšņu svaru un izmēru. Tas savukārt neļāva vienmērīgi sadalīt masu, kas arī radīja grūtības ar griezes momenta noteikšanu.
Viega izolācija un struktūra lielā mērā ietekmē rezultātu. Ja viens metāla gabala gals kāda iemesla dēļ tika vairāk uzkarsēts (to sauc par temperatūras gradientu), tad vads varētu sākt griezties bez neliela spiediena. Neskatoties uz to, ka Ļebedeva ierīce bija diezgan vienkārša un deva lielu kļūdu, impulsa pārnešanas fakts ar gaismas fotoniem tika apstiprināts.
Apgaismojuma plākšņu forma
Iepriekšējā sadaļā bija uzskaitītas daudzas tehniskas grūtības, kas pastāvēja eksperimentā, bet neietekmēja galveno - gaismu. Tīri teorētiski mēs iedomājamies, ka uz plāksnes krīt monohromatisku staru kūlis, kas ir stingri paralēli viens otram. Bet divdesmitā gadsimta sākumā gaismas avots bija saule, sveces un vienkāršas kvēlspuldzes. Lai staru kūlis būtu paralēls, tika uzbūvētas sarežģītas lēcu sistēmas. Un šajā gadījumā vissvarīgākais faktors bija avota gaismas intensitātes līkne.
Fizikas stundās mēdz teikt, ka stari nāk no viena punkta. Bet īstiem gaismas ģeneratoriem ir noteikti izmēri. Arī kvēldiega vidusdaļa var izstarot vairāk fotonu nekā malas. Rezultātā lampa izgaismo dažus apgabalus labāk nekā citus. Līniju, kas iet ap visu telpu ar tādu pašu apgaismojumu no noteikta avota, sauc par gaismas intensitātes līkni.
Asinsmēness un daļējs aptumsums
Vampīru romāni ir pilni ar šausmīgām pārvērtībām, kas notiek ar cilvēkiem un dabu asinsmēness laikā. Bet tas nenozīmē, ka no šīs parādības nevajadzētu baidīties. Jo tas ir Saules lielā izmēra rezultāts. Mūsu centrālās zvaigznes diametrs ir aptuveni 110 Zemes diametru. Tajā pašā laikā fotoni, kas izstaro gan no vienas, gan no otras redzamā diska malas, sasniedz planētas virsmu. Tādējādi, Mēnesim iekrītot Zemes pustumsā, tas netiek pilnībā aizsegts, bet it kā kļūst sarkans. Pie šīs nokrāsas ir vainojama arī planētas atmosfēra: tā absorbē visus redzamos viļņu garumus, izņemot oranžos. Atcerieties, ka Saule kļūst sarkana arī saulrieta laikā, un tas viss tieši tāpēc, ka tā iet cauri biezākam atmosfēras slānim.
Kā veidojas Zemes ozona slānis?
Rūpīgs lasītājs var jautāt: "Kāds sakars gaismas spiedienam ar Ļebedeva eksperimentiem?" Starp citu, gaismas ķīmiskais efekts ir saistīts arī ar faktu, ka fotonam ir impulss. Proti, šī parādība ir atbildīga par dažiem planētas atmosfēras slāņiem.
Kā jūs zināt, mūsu gaisa okeāns galvenokārt absorbē saules gaismas ultravioleto komponentu. Turklāt dzīvība zināmā veidā būtu neiespējama, ja zemes akmeņainā virsma tiktu peldēta ultravioletā gaismā. Taču aptuveni 100 km augstumā atmosfēra vēl nav tik bieza, lai visu absorbētu. Un ultravioletais iegūst iespēju tieši mijiedarboties ar skābekli. Tas sadala molekulas O2brīvos atomus un veicina to apvienošanu citā modifikācijā - O3. Tīrā veidā šī gāze ir nāvējoša. Tāpēc to izmanto gaisa, ūdens, apģērbu dezinfekcijai. Bet kā daļa no zemes atmosfēras tas aizsargā visu dzīvo būtņu no kaitīgā starojuma ietekmes, jo ozona slānis ļoti efektīvi absorbē elektromagnētiskā lauka kvantus ar enerģijām virs redzamā spektra.
