Днес ще посветим разговор на такъв феномен като лек натиск. Помислете за предпоставките на откритието и последствията за науката.
Светлина и цвят
Мистерията на човешките способности тревожи хората от древни времена. Как вижда окото? Защо съществуват цветове? Каква е причината светът да е такъв, какъвто го възприемаме? Колко далеч може да види човек? Експерименти с разлагането на слънчев лъч в спектър са проведени от Нютон през 17 век. Той също така положи строга математическа основа за редица различни факти, които по това време бяха известни за светлината. И Нютонова теория предсказва много: например открития, които само квантовата физика обяснява (отклонението на светлината в гравитационно поле). Но тогавашната физика не знае и не разбира точната природа на светлината.
Вълна или частица
Откакто учените по целия свят започнаха да проникват в същността на светлината, имаше дебат: какво е радиация, вълна или частица (корпускула)? Някои факти (пречупване, отражение и поляризация) потвърждават първата теория. Други (праволинейно разпространение при отсъствие на препятствия, лек натиск) - второто. Само квантовата физика обаче успя да успокои този спор, като комбинира двете версии в една.общ. Теорията на корпускулярните вълни гласи, че всяка микрочастица, включително фотон, има както свойствата на вълна, така и на частица. Тоест, квантът на светлината има такива характеристики като честота, амплитуда и дължина на вълната, както и импулс и маса. Нека направим резервация веднага: фотоните нямат маса на покой. Като квант на електромагнитното поле, те носят енергия и маса само в процеса на движение. Това е същността на понятието "светлина". Физиката вече го е обяснила достатъчно подробно.
Дължина на вълната и енергия
Малко по-горе беше споменато понятието "енергия на вълната". Айнщайн убедително доказа, че енергията и масата са идентични понятия. Ако фотонът носи енергия, той трябва да има маса. Квантът на светлината обаче е „хитра“частица: когато фотон се сблъска с препятствие, той напълно отдава енергията си на материята, превръща се в нея и губи индивидуалната си същност. В същото време определени обстоятелства (силно нагряване например) могат да доведат до излъчване на светлина от преди това тъмните и спокойни вътрешности на метали и газове. Инерцията на фотона, пряко следствие от наличието на маса, може да бъде определена с помощта на налягането на светлината. Експериментите на Лебедев, изследовател от Русия, убедително доказаха този удивителен факт.
Експериментът на Лебедев
Руският учен Петр Николаевич Лебедев през 1899 г. прави следния експеримент. На тънка сребърна нишка закачи напречна греда. Към краищата на напречната греда ученият прикрепи две плочи от едно и също вещество. Това бяха сребърно фолио, злато и дори слюда. Така бяха създадени един вид везни. Само те измерваха теглото не на товара, който притиска отгоре, а на товара, който притиска отстрани върху всяка една от плочите. Лебедев постави цялата тази конструкция под стъклен капак, така че вятърът и произволните колебания в плътността на въздуха да не могат да й повлияят. Освен това бих искал да напиша, че той създаде вакуум под капака. Но по това време дори среден вакуум беше невъзможно да се постигне. Затова казваме, че той създаде много разредена атмосфера под стъкления капак. И последователно осветява една плоча, оставяйки другата в сянка. Количеството светлина, насочено към повърхностите, беше предварително определено. От ъгъла на отклонение Лебедев определи какъв импулс предава светлината към плочите.
Формули за определяне на налягането на електромагнитното лъчение при нормално падане на лъча
Нека първо обясним какво е „нормално падане“? Светлината пада върху повърхността нормално, ако е насочена строго перпендикулярно на повърхността. Това налага ограничения върху проблема: повърхността трябва да е идеално гладка, а лъчът на излъчване трябва да бъде насочен много точно. В този случай светлинното налягане се изчислява по формулата:
p=(1-k+ρ)I/c, където
k е пропускливостта, ρ е коефициентът на отражение, I е интензитетът на падащия светлинен лъч, c е скоростта на светлината във вакуум.
Но вероятно читателят вече се е досетил, че такава идеална комбинация от фактори не съществува. Дори ако идеалната повърхност не се вземе предвид, е доста трудно да се организира падането на светлината строго перпендикулярно.
Формули заопределяне на налягането на електромагнитното излъчване, когато пада под ъгъл
Налягането на светлината върху огледална повърхност под ъгъл се изчислява с помощта на различна формула, която вече съдържа елементи от вектори:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Стойностите p, i, i' са вектори. В този случай k и ρ, както в предишната формула, са съответно коефициентите на предаване и отражение. Новите стойности означават следното:
- ω – обемна плътност на радиационната енергия;
- i и i' са единични вектори, които показват посоката на падащия и отразения лъч светлина (те задават посоките, в които трябва да се добавят действащите сили);
- ϴ - ъгъл спрямо нормала, под който пада светлинният лъч (и съответно се отразява, тъй като повърхността е огледална).
Напомнете на читателя, че нормата е перпендикулярна на повърхността, така че ако на проблема е даден ъгълът на падане на светлината към повърхността, тогава ϴ е 90 градуса минус дадената стойност.
Прилагане на явлението налягане на електромагнитното излъчване
Ученик, който изучава физика, намира много формули, концепции и явления за скучни. Защото по правило учителят разказва теоретичните аспекти, но рядко може да даде примери за ползите от определени явления. Нека не обвиняваме училищните ментори за това: те са много ограничени от програмата, по време на урока трябва да разкажете обширен материал и все пак да имате време да проверите знанията на учениците.
Въпреки това, обектът на нашето изследване има многоинтересни приложения:
- Сега почти всеки ученик в лабораторията на своето учебно заведение може да повтори експеримента на Лебедев. Но тогава съвпадението на експерименталните данни с теоретичните изчисления беше истински пробив. Експериментът, направен за първи път с 20% грешка, позволи на учени от цял свят да разработят нов клон на физиката - квантовата оптика.
- Производство на високоенергийни протони (например за облъчване на различни вещества) чрез ускоряване на тънки филми с лазерен импулс.
- Отчитането на налягането на електромагнитното лъчение на Слънцето върху повърхността на близки до Земята обекти, включително спътници и космически станции, ви позволява да коригирате орбитата им с по-голяма точност и предотвратява падането на тези устройства на Земята.
Гореописаните приложения съществуват сега в реалния свят. Но има и потенциални възможности, които все още не са реализирани, тъй като технологията на човечеството все още не е достигнала необходимото ниво. Сред тях:
- Слънчево платно. С негова помощ би било възможно да се преместват доста големи товари в близкото до Земята и дори близо до слънчевото пространство. Светлината дава малък импулс, но с правилното положение на повърхността на платното, ускорението би било постоянно. При липса на триене е достатъчно да наберете скорост и да доставите стоките до желаната точка в слънчевата система.
- Фотоничен двигател. Тази технология може би ще позволи на човек да преодолее привличането на собствената си звезда и да полети към други светове. Разликата от слънчево платно е, че изкуствено създадено устройство, например термоядрен, ще генерира слънчеви импулси.двигател.
