Danas ćemo posvetiti razgovor takvom fenomenu kao što je lagani pritisak. Razmotrite premise otkrića i posljedice za znanost.
Svjetlo i boja
Misterij ljudskih sposobnosti zabrinjava ljude od davnina. Kako oko vidi? Zašto boje postoje? Koji je razlog zašto je svijet onakav kakav ga doživljavamo? Koliko daleko čovjek može vidjeti? Eksperimente s razgradnjom sunčeve zrake u spektar proveo je Newton u 17. stoljeću. Također je postavio stroge matematičke temelje za niz različitih činjenica koje su u to vrijeme bile poznate o svjetlosti. A Newtonova teorija predvidjela je mnogo: na primjer, otkrića koja je objasnila samo kvantna fizika (otklon svjetlosti u gravitacionom polju). Ali fizika tog vremena nije znala i nije razumjela točnu prirodu svjetlosti.
val ili čestica
Otkad su znanstvenici diljem svijeta počeli prodirati u bit svjetlosti, vodila se rasprava: što je zračenje, val ili čestica (korpuskula)? Neke činjenice (refrakcija, refleksija i polarizacija) potvrdile su prvu teoriju. Drugi (pravolinijsko širenje u odsutnosti prepreka, lagani pritisak) - drugi. Međutim, samo je kvantna fizika uspjela smiriti ovaj spor spajanjem dviju verzija u jednu. Općenito. Korpuskularno-valna teorija kaže da svaka mikročestica, uključujući foton, ima svojstva vala i čestice. Odnosno, kvant svjetlosti ima takve karakteristike kao što su frekvencija, amplituda i valna duljina, kao i zamah i masa. Odmah rezervirajmo: fotoni nemaju masu mirovanja. Budući da su kvant elektromagnetskog polja, oni prenose energiju i masu samo u procesu kretanja. To je bit koncepta "svjetlosti". Fizika je to sada dovoljno detaljno objasnila.
Valna duljina i energija
Nešto iznad je spomenut koncept "valne energije". Einstein je uvjerljivo dokazao da su energija i masa identični pojmovi. Ako foton nosi energiju, mora imati masu. Međutim, kvant svjetlosti je "lukava" čestica: kada se foton sudari s preprekom, on potpuno predaje svoju energiju materiji, postaje to i gubi svoju individualnu bit. Istodobno, određene okolnosti (jako zagrijavanje, na primjer) mogu uzrokovati emitiranje svjetlosti iz prethodno mračnih i mirnih interijera metala i plinova. Zamah fotona, izravna posljedica prisutnosti mase, može se odrediti pomoću pritiska svjetlosti. Eksperimenti Lebedeva, istraživača iz Rusije, uvjerljivo su dokazali ovu nevjerojatnu činjenicu.
Lebedev eksperiment
Ruski znanstvenik Petr Nikolajevič Lebedev je 1899. godine napravio sljedeći eksperiment. Na tanki srebrni konac objesio je prečku. Na krajeve prečke, znanstvenik je pričvrstio dvije ploče iste tvari. To su bile srebrne folije, i zlatne, pa čak i liskuna. Tako su nastale svojevrsne ljestvice. Samo su oni mjerili težinu ne tereta koji pritiska odozgo, već tereta koji pritiska sa strane na svaku ploču. Lebedev je cijelu ovu strukturu stavio pod stakleni pokrov tako da vjetar i nasumične fluktuacije gustoće zraka ne mogu utjecati na nju. Nadalje, želio bih napisati da je stvorio vakuum ispod poklopca. Ali u to vrijeme čak i prosječni vakuum nije bilo moguće postići. Pa kažemo da je stvorio vrlo rijetku atmosferu ispod staklenog pokrova. I naizmjence osvjetljavao jednu ploču, ostavljajući drugu u sjeni. Količina svjetlosti usmjerena na površine bila je unaprijed određena. Iz kuta otklona, Lebedev je odredio koliki je zamah prenosio svjetlost na ploče.
Formule za određivanje tlaka elektromagnetskog zračenja pri normalnoj incidenciji snopa
Objasnimo prvo što je "normalan pad"? Svjetlost normalno pada na površinu ako je usmjerena strogo okomito na površinu. To nameće ograničenja problemu: površina mora biti savršeno glatka, a zraka zračenja mora biti usmjerena vrlo točno. U ovom slučaju, svjetlosni tlak se izračunava po formuli:
p=(1-k+ρ)I/c, gdje
k je propusnost, ρ je koeficijent refleksije, I je intenzitet upadnog svjetlosnog snopa, c je brzina svjetlosti u vakuumu.
No, vjerojatno je čitatelj već pogodio da takva idealna kombinacija čimbenika ne postoji. Čak i ako se idealna površina ne uzme u obzir, prilično je teško organizirati upad svjetlosti strogo okomito.
Formule zaodređivanje tlaka elektromagnetskog zračenja kada ono pada pod kutom
Pritisak svjetlosti na površinu zrcala pod kutom izračunava se pomoću druge formule koja već sadrži elemente vektora:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Vrijednosti p, i, i' su vektori. U ovom slučaju, k i ρ, kao u prethodnoj formuli, su koeficijenti prijenosa i refleksije. Nove vrijednosti znače sljedeće:
- ω – volumna gustoća energije zračenja;
- i i i' su jedinični vektori koji pokazuju smjer upadnog i reflektiranog snopa svjetlosti (oni postavljaju smjerove u kojima treba dodati djelujuće sile);
- ϴ - kut u odnosu na normalu pod kojom svjetlosna zraka pada (i, prema tome, reflektira se, budući da je površina zrcalna).
Podsjetite čitatelja da je normala okomita na površinu, pa ako je problemu zadan kut upada svjetlosti na površinu, tada je ϴ 90 stupnjeva minus zadana vrijednost.
Primjena fenomena pritiska elektromagnetskog zračenja
Učeniku koji studira fiziku mnoge formule, koncepti i fenomeni su dosadni. Jer, u pravilu nastavnik govori o teoretskim aspektima, ali rijetko može dati primjere prednosti određenih pojava. Nemojmo kriviti školske mentore za to: oni su jako ograničeni programom, tijekom lekcije morate ispričati opsežan materijal i još uvijek imati vremena provjeriti znanje učenika.
Ipak, predmet našeg proučavanja ima mnogozanimljive aplikacije:
- Sada gotovo svaki student u laboratoriju svoje obrazovne ustanove može ponoviti Lebedev eksperiment. Ali tada je podudarnost eksperimentalnih podataka s teorijskim izračunima bio pravi proboj. Eksperiment, napravljen po prvi put s greškom od 20%, omogućio je znanstvenicima diljem svijeta da razviju novu granu fizike - kvantnu optiku.
- Proizvodnja protona visoke energije (na primjer, za zračenje različitih tvari) ubrzavanjem tankih filmova laserskim impulsom.
- Uzimajući u obzir pritisak elektromagnetskog zračenja Sunca na površinu objekata u blizini Zemlje, uključujući satelite i svemirske stanice, omogućuje vam da ispravite njihovu orbitu s većom preciznošću i sprječavate da ti uređaji padnu na Zemlju.
Gore navedene aplikacije sada postoje u stvarnom svijetu. Ali postoje i potencijalne prilike koje još nisu realizirane, jer tehnologija čovječanstva još nije dosegla potrebnu razinu. Među njima:
- Solno jedro. Uz njegovu pomoć bilo bi moguće premjestiti prilično velike terete u bliskozemaljski, pa čak i blizu solarni prostor. Svjetlost daje mali impuls, ali uz pravilan položaj površine jedra, ubrzanje bi bilo konstantno. U nedostatku trenja, dovoljno je dobiti brzinu i isporučiti robu do željene točke u Sunčevom sustavu.
- Fotonički motor. Ova tehnologija će možda omogućiti osobi da prevlada privlačnost vlastite zvijezde i odleti u druge svjetove. Razlika od solarnog jedra je u tome što će umjetno stvoreni uređaj, na primjer, termonuklearni, generirati solarne impulse.motor.
