Danas ćemo govoriti o Lebedjevom eksperimentu u dokazivanju pritiska svjetlosnih fotona. Otkrit ćemo važnost ovog otkrića i pozadinu koja ga je dovela.
Znanje je radoznalost
Postoje dvije točke gledišta o fenomenu radoznalosti. Jedno se izražava izrekom "znatiželjnoj Varvari otkinulo nos na pijaci", a drugo - izrekom "znatiželja nije porok". Ovaj paradoks je lako razriješiti ako se napravi razlika između područja u kojima interes nije dobrodošao ili, naprotiv, potreban.
Johannes Kepler nije rođen da postane znanstvenik: njegov otac se borio u ratu, a majka je držala konobu. Ali imao je izvanredne sposobnosti i, naravno, bio je znatiželjan. Osim toga, Kepler je patio od teškog oštećenja vida. Ali on je bio taj koji je napravio otkrića, zahvaljujući kojima su znanost i cijeli svijet tu gdje su sada. Johannes Kepler poznat je po razjašnjavanju planetarnog sustava Kopernika, ali danas ćemo govoriti o drugim dostignućima znanstvenika.
Inercija i valna duljina: srednjovjekovno nasljeđe
Prije pedeset tisuća godina matematika i fizika pripadale su dijelu "Umjetnost". Stoga se Kopernik bavio mehanikom kretanja tijela (uključujući i nebeska), optikom i gravitacijom. On je bio taj koji je dokazao postojanje inercije. Iz zaključakaOvaj znanstvenik razvijao je modernu mehaniku, koncept interakcije tijela, znanost o razmjeni brzina dodirujućih objekata. Kopernik je također razvio skladan sustav linearne optike.
Uveo je koncepte kao što su:
- "lom svjetlosti";
- "refrakcija";
- "optička os";
- "potpuni unutarnji odraz";
- "osvjetljenje".
I njegovo istraživanje je na kraju dokazalo valnu prirodu svjetlosti i dovelo do Lebedevovog eksperimenta u mjerenju pritiska fotona.
Kvantna svojstva svjetlosti
Prije svega vrijedi definirati bit svjetlosti i govoriti o tome što ona jest. Foton je kvant elektromagnetskog polja. To je paket energije koji se kreće kroz prostor u cjelini. Ne možete "odgristi" malo energije od fotona, ali se može transformirati. Na primjer, ako tvar apsorbira svjetlost, tada se unutar tijela njezina energija može podvrgnuti promjenama i emitirati natrag foton s drugom energijom. Ali formalno, to neće biti isti kvant svjetlosti koji je apsorbiran.
Primjer ovoga bi bila čvrsta metalna lopta. Ako se komad materije otrgne s njegove površine, tada će se oblik promijeniti, prestat će biti sferičan. Ali ako otopite cijeli predmet, uzmete malo tekućeg metala, a zatim napravite manju kuglicu od ostataka, onda će to opet biti kugla, ali drugačija, ne ista kao prije.
Valana svojstva svjetlosti
Fotoni imaju svojstva vala. Osnovni parametri su:
- valna duljina (karakterizira prostor);
- frekvencija (karakteriziravrijeme);
- amplituda (karakterizira snagu oscilacije).
Međutim, kao kvant elektromagnetskog polja, foton također ima smjer širenja (označen kao valni vektor). Osim toga, vektor amplitude može se rotirati oko valnog vektora i stvoriti polarizaciju vala. Uz istodobnu emisiju nekoliko fotona, faza, odnosno fazna razlika, također postaje važan čimbenik. Podsjetimo da je faza onaj dio oscilacije koji fronta vala ima u određenom trenutku (uzrast, maksimum, pad ili minimum).
Masa i energija
Kao što je Einstein duhovito dokazao, masa je energija. Ali u svakom konkretnom slučaju, potraga za zakonom prema kojem se jedna vrijednost pretvara u drugu može biti teška. Sve gore navedene valne karakteristike svjetlosti usko su povezane s energijom. Naime: povećanje valne duljine i smanjenje frekvencije znači manje energije. Ali budući da postoji energija, foton mora imati masu, dakle, mora postojati svjetlosni pritisak.
Struktura iskustva
Međutim, budući da su fotoni vrlo mali, njihova bi masa također trebala biti mala. Izgraditi uređaj koji bi ga mogao odrediti s dovoljnom točnošću bio je težak tehnički zadatak. Ruski znanstvenik Lebedev Petr Nikolajevič prvi se s tim nosio.
Sam eksperiment temeljio se na dizajnu utega koji je određivao moment torzije. Na srebrni konac bila je obješena prečka. Na njegove krajeve bile su pričvršćene identične tanke ploče raznihmaterijala. U pokusu Lebedeva najčešće su korišteni metali (srebro, zlato, nikal), ali je bilo i liskuna. Cijela je konstrukcija stavljena u staklenu posudu, u kojoj je stvoren vakuum. Nakon toga jedna ploča je osvijetljena, dok je druga ostala u sjeni. Lebedevovo iskustvo je pokazalo da osvjetljenje jedne strane dovodi do činjenice da se vaga počinje okretati. Prema kutu odstupanja, znanstvenik je ocjenjivao snagu svjetlosti.
Iskusite poteškoće
Početkom dvadesetog stoljeća bilo je teško postaviti dovoljno točan eksperiment. Svaki je fizičar znao stvoriti vakuum, raditi sa staklom i polirati površine. Zapravo, znanje se dobivalo ručno. U to vrijeme nije bilo velikih korporacija koje bi potrebnu opremu proizvodile u stotinama komada. Lebedev je uređaj izrađen ručno, pa se znanstvenik suočio s brojnim poteškoćama.
Vakum u to vrijeme nije bio ni prosječan. Znanstvenik je posebnom pumpom ispumpao zrak ispod staklene kapice. Ali eksperiment se u najboljem slučaju odvijao u razrijeđenoj atmosferi. Bilo je teško odvojiti pritisak svjetlosti (prijenos impulsa) od zagrijavanja osvijetljene strane uređaja: glavna prepreka bila je prisutnost plina. Ako bi se eksperiment provodio u dubokom vakuumu, tada ne bi bilo molekula čije bi Brownovo gibanje na osvijetljenoj strani bilo jače.
Osjetljivost kuta otklona ostavila je mnogo za poželjeti. Moderni vijčani nalazači mogu mjeriti kutove do milijuntih dijelova radijana. Početkom devetnaestog stoljeća razmjer se mogao vidjeti golim okom. Tehnikavrijeme nije moglo osigurati identičnu težinu i veličinu ploča. To je pak onemogućilo ravnomjernu raspodjelu mase, što je također stvaralo poteškoće u određivanju zakretnog momenta.
Izolacija i struktura niti uvelike utječu na rezultat. Ako se jedan kraj metalnog komada iz nekog razloga više zagrije (to se zove temperaturni gradijent), tada bi se žica mogla početi uvijati bez laganog pritiska. Unatoč činjenici da je Lebedevov uređaj bio prilično jednostavan i dao veliku pogrešku, potvrđena je činjenica prijenosa momenta fotonima svjetlosti.
Oblik rasvjetnih ploča
U prethodnom dijelu navedene su mnoge tehničke poteškoće koje su postojale u eksperimentu, ali nisu utjecale na glavnu stvar - svjetlo. Čisto teoretski, zamišljamo da na ploču pada snop monokromatskih zraka, koje su međusobno strogo paralelne. No, početkom dvadesetog stoljeća izvor svjetlosti bilo je sunce, svijeće i jednostavne žarulje sa žarnom niti. Kako bi snop zraka bio paralelan, izgrađeni su složeni sustavi leća. I u ovom slučaju, krivulja svjetlosnog intenziteta izvora bila je najvažniji faktor.
Na satu fizike često se kaže da zrake dolaze iz jedne točke. Ali pravi generatori svjetla imaju određene dimenzije. Također, sredina filamenta može emitirati više fotona od rubova. Kao rezultat toga, svjetiljka osvjetljava neka područja oko sebe bolje od drugih. Linija koja obilazi cijeli prostor s istim osvjetljenjem iz danog izvora naziva se krivulja svjetlosnog intenziteta.
Krvavi mjesec i djelomična pomrčina
Vampirski romani prepuni su strašnih transformacija koje se događaju ljudima i prirodi na krvavom mjesecu. Ali ne kaže da se ovog fenomena ne treba bojati. Budući da je to rezultat velike veličine Sunca. Promjer naše središnje zvijezde je otprilike 110 Zemljinih promjera. Istovremeno, fotoni emitirani i s jednog i s drugog ruba vidljivog diska dopiru do površine planeta. Dakle, kada Mjesec padne u polusjenu Zemlje, nije potpuno zatamnjen, već, takoreći, postaje crven. Za ovu nijansu kriva je i atmosfera planeta: apsorbira sve vidljive valne duljine, osim narančastih. Zapamtite, Sunce također postaje crveno pri zalasku, a sve upravo zato što prolazi kroz deblji sloj atmosfere.
Kako nastaje Zemljin ozonski omotač?
Pažljivi čitatelj može se zapitati: "Kakve veze ima pritisak svjetlosti s Lebedevovim eksperimentima?" Kemijski učinak svjetlosti, inače, također je posljedica činjenice da foton nosi zamah. Naime, ovaj fenomen je odgovoran za neke slojeve atmosfere planeta.
Kao što znate, naš zračni ocean uglavnom apsorbira ultraljubičastu komponentu sunčeve svjetlosti. Štoviše, život u poznatom obliku bio bi nemoguć da je stjenovita površina zemlje okupana ultraljubičastim svjetlom. No, na visini od oko 100 km atmosfera još nije dovoljno gusta da sve upije. I ultraljubičasto dobiva priliku za izravnu interakciju s kisikom. Razbija molekule O2 uslobodnih atoma i promovira njihovu kombinaciju u drugu modifikaciju - O3. U svom čistom obliku, ovaj plin je smrtonosan. Zato se koristi za dezinfekciju zraka, vode, odjeće. Ali kao dio zemljine atmosfere, štiti sva živa bića od djelovanja štetnog zračenja, jer ozonski omotač vrlo učinkovito apsorbira kvante elektromagnetskog polja s energijama iznad vidljivog spektra.
