Днес ще говорим за експеримента на Лебедев за доказване на налягането на светлинните фотони. Ще разкрием важността на това откритие и фона, който е довел до него.
Знанието е любопитство
Има две гледни точки относно феномена на любопитството. Едното се изразява с поговорката "на любопитната Варвара откъснаха носа на пазара", а другото - с поговорката "любопитството не е порок". Този парадокс е лесно разрешен, ако се разграничат областите, в които интересът не е добре дошъл или, напротив, е необходим.
Йоханес Кеплер не е роден, за да стане учен: баща му е воювал във войната, а майка му поддържа механа. Но той имаше необикновени способности и, разбира се, беше любопитен. Освен това Кеплер страда от тежко зрително увреждане. Но именно той направи открития, благодарение на които науката и целият свят са там, където са сега. Йоханес Кеплер е известен с изясняването на планетарната система на Коперник, но днес ще говорим за други постижения на учения.
Инерция и дължина на вълната: Средновековно наследство
Преди петдесет хиляди години математиката и физиката принадлежаха към раздела "Изкуство". Следователно Коперник се занимава с механиката на движението на телата (включително небесните), оптиката и гравитацията. Именно той доказа съществуването на инерцията. От заключениятаТози учен развива съвременната механика, концепцията за взаимодействията на телата, науката за обмена на скорости на контактуващите обекти. Коперник също разработи хармонична система от линейна оптика.
Той въведе понятия като:
- "пречупване на светлината";
- "пречупване";
- "оптична ос";
- "пълно вътрешно отражение";
- "осветяване".
И изследванията му в крайна сметка доказаха вълновата природа на светлината и доведе до експеримента на Лебедев за измерване на налягането на фотоните.
Квантови свойства на светлината
На първо място, струва си да дефинираме същността на светлината и да говорим какво е тя. Фотонът е квант на електромагнитно поле. Това е пакет от енергия, който се движи в пространството като цяло. Не можете да „отхапете“малко енергия от фотон, но може да бъде трансформирана. Например, ако светлината се абсорбира от вещество, тогава вътре в тялото неговата енергия може да претърпи промени и да излъчи обратно фотон с различна енергия. Но формално това няма да е същият квант светлина, който е бил погълнат.
Пример за това би била твърда метална топка. Ако парче материя бъде откъснато от повърхността му, тогава формата ще се промени, тя ще престане да бъде сферична. Но ако разтопите целия обект, вземете малко течен метал и след това създадете по-малка топка от остатъците, тогава тя отново ще бъде сфера, но различна, не същата като преди.
Вълнови свойства на светлината
Фотоните имат свойствата на вълна. Основните параметри са:
- дължина на вълната (характеризира пространството);
- честота (характеризиравреме);
- амплитуда (характеризира силата на трептене).
Въпреки това, като квант на електромагнитно поле, фотонът също има посока на разпространение (означена като вълнов вектор). В допълнение, амплитудният вектор е в състояние да се върти около вълновия вектор и да създава поляризация на вълната. При едновременното излъчване на няколко фотона фазата, или по-точно фазовата разлика, също става важен фактор. Припомнете си, че фазата е тази част от трептене, която фронтът на вълната има в определен момент от време (покачване, максимум, спускане или минимум).
Маса и енергия
Както Айнщайн остроумно доказа, масата е енергия. Но във всеки конкретен случай търсенето на закон, според който една стойност се превръща в друга, може да бъде трудно. Всички горепосочени вълнови характеристики на светлината са тясно свързани с енергията. А именно: увеличаването на дължината на вълната и намаляването на честотата означава по-малко енергия. Но тъй като има енергия, тогава фотонът трябва да има маса, следователно трябва да има леко налягане.
Структура за изживяване
Въпреки това, тъй като фотоните са много малки, тяхната маса също трябва да бъде малка. Създаването на устройство, което може да го определи с достатъчна точност, беше трудна техническа задача. Руският учен Лебедев Петр Николаевич беше първият, който се справи с това.
Самият експеримент се основаваше на дизайна на тежестите, които определяха момента на усукване. На сребърна нишка беше окачена напречна греда. Към краищата му бяха прикрепени еднакви тънки плочи от различниматериали. Най-често в експеримента на Лебедев са използвани метали (сребро, злато, никел), но имаше и слюда. Цялата конструкция е поставена в стъклен съд, в който се създава вакуум. След това едната плоча беше осветена, а другата остана в сянка. Опитът на Лебедев доказа, че осветяването на едната страна води до факта, че везните започват да се въртят. Според ъгъла на отклонение ученият преценява силата на светлината.
Изпитайте трудности
В началото на двадесети век беше трудно да се постави достатъчно точен експеримент. Всеки физик знаеше как да създава вакуум, да работи със стъкло и да полира повърхности. Всъщност знанията се получават ръчно. По това време нямаше големи корпорации, които да произвеждат необходимото оборудване на стотици бройки. Устройството на Лебедев е създадено на ръка, така че ученият е изправен пред редица трудности.
Вакуумът по това време дори не беше среден. Ученият изпомпва въздух изпод стъклена капачка със специална помпа. Но експериментът се проведе в най-добрия случай в разредена атмосфера. Беше трудно да се отдели налягането на светлината (пренос на импулс) от нагряването на осветената страна на устройството: основната пречка беше наличието на газ. Ако експериментът се проведе в дълбок вакуум, тогава нямаше да има молекули, чието Брауново движение на осветената страна би било по-силно.
Чувствителността на ъгъла на отклонение оставя много да се желае. Съвременните винтотърсачи могат да измерват ъгли до милионни от радиана. В началото на деветнадесети век мащабът може да се види с просто око. Техникавремето не може да осигури идентично тегло и размер на плочите. Това от своя страна направи невъзможно равномерното разпределение на масата, което също създаде трудности при определянето на въртящия момент.
Изолацията и структурата на конеца оказват голямо влияние върху резултата. Ако единият край на металното парче се нагрее повече по някаква причина (това се нарича температурен градиент), тогава жицата може да започне да се усуква без лек натиск. Въпреки факта, че устройството на Лебедев беше доста просто и даде голяма грешка, фактът на предаване на импулса от фотони на светлината беше потвърден.
Форма на осветителните плочи
Предишният раздел изброи много технически трудности, които съществуваха в експеримента, но не засегнаха основното нещо - светлината. Чисто теоретично си представяме, че върху плочата пада лъч монохроматични лъчи, които са строго успоредни един на друг. Но в началото на двадесети век източникът на светлина е слънцето, свещите и обикновените лампи с нажежаема жичка. За да се направи лъчът успореден, бяха изградени сложни системи от лещи. И в този случай кривата на светлинния интензитет на източника беше най-важният фактор.
В часовете по физика често се казва, че лъчите идват от една точка. Но истинските светлинни генератори имат определени размери. Освен това средата на нишката може да излъчва повече фотони от ръбовете. В резултат на това лампата осветява някои области около себе си по-добре от други. Линията, която обикаля цялото пространство с една и съща осветеност от даден източник, се нарича крива на интензитета на светлината.
Кървава луна и частично затъмнение
Вампирските романи са пълни с ужасни трансформации, които се случват на хората и природата в кървавата луна. Но това не казва, че това явление не трябва да се страхува. Защото е резултат от големия размер на Слънцето. Диаметърът на нашата централна звезда е приблизително 110 земни диаметъра. В същото време фотоните, излъчвани както от единия, така и от другия край на видимия диск, достигат повърхността на планетата. По този начин, когато Луната попадне в полусяната на Земята, тя не е напълно затъмнена, а като че ли става червена. За този нюанс е виновна и атмосферата на планетата: тя поглъща всички видими дължини на вълните, с изключение на оранжевите. Не забравяйте, че Слънцето също става червено при залез, и всичко това именно защото преминава през по-дебел слой на атмосферата.
Как се създава озоновият слой на Земята?
Един щателен читател може да попита: "Какво общо има натискът на светлината с експериментите на Лебедев?" Химическият ефект на светлината, между другото, се дължи и на факта, че фотонът носи инерция. А именно, този феномен е отговорен за някои слоеве от атмосферата на планетата.
Както знаете, нашият въздушен океан поглъща основно ултравиолетовия компонент на слънчевата светлина. Освен това животът в известна форма би бил невъзможен, ако скалистата повърхност на земята се къпе в ултравиолетова светлина. Но на височина от около 100 км атмосферата все още не е достатъчно дебела, за да поеме всичко. И ултравиолетовата получава възможност да взаимодейства директно с кислорода. Той разбива молекулите O2 насвободни атоми и насърчава тяхното комбиниране в друга модификация - O3. В чиста форма този газ е смъртоносен. Ето защо се използва за дезинфекция на въздух, вода, дрехи. Но като част от земната атмосфера, той предпазва всички живи същества от въздействието на вредните лъчения, тъй като озоновият слой много ефективно абсорбира квантите на електромагнитното поле с енергии над видимия спектър.
