Šiandien pokalbį skirsime tokiam reiškiniui kaip lengvas spaudimas. Apsvarstykite atradimo prielaidas ir pasekmes mokslui.
Šviesa ir spalvos
Žmogaus gebėjimų paslaptis žmonėms nerimą kelia nuo seno. Kaip akis mato? Kodėl spalvos egzistuoja? Kokia priežastis, kodėl pasaulis yra toks, kokį mes jį suvokiame? Kaip toli žmogus gali matyti? Saulės spindulio skaidymo į spektrą eksperimentus Niutonas atliko XVII a. Jis taip pat padėjo griežtą matematinį pagrindą daugeliui skirtingų faktų, kurie tuo metu buvo žinomi apie šviesą. O Niutono teorija daug ką numatė: pavyzdžiui, atradimus, kuriuos paaiškino tik kvantinė fizika (šviesos nukreipimas gravitaciniame lauke). Tačiau to meto fizika nežinojo ir nesuprato tikslios šviesos prigimties.
Banga ar dalelė
Nuo tada, kai mokslininkai visame pasaulyje pradėjo skverbtis į šviesos esmę, kilo diskusijos: kas yra spinduliuotė, banga ar dalelė (kūnelis)? Kai kurie faktai (lūžis, atspindys ir poliarizacija) patvirtino pirmąją teoriją. Kiti (tiesia linija, kai nėra kliūčių, lengvas slėgis) - antrasis. Tačiau tik kvantinė fizika sugebėjo nuraminti šį ginčą, sujungdama dvi versijas į vieną.bendras. Korpuskulinės bangos teorija teigia, kad bet kuri mikrodalelė, įskaitant fotoną, turi ir bangos, ir dalelės savybių. Tai reiškia, kad šviesos kvantas turi tokias charakteristikas kaip dažnis, amplitudė ir bangos ilgis, taip pat impulsas ir masė. Iš karto padarykime išlygą: fotonai neturi ramybės masės. Būdami elektromagnetinio lauko kvantai, jie neša energiją ir masę tik judėjimo procese. Tai yra „šviesos“sąvokos esmė. Dabar fizika pakankamai išsamiai paaiškino.
Bangos ilgis ir energija
Šiek tiek aukščiau buvo paminėta „bangų energijos“sąvoka. Einšteinas įtikinamai įrodė, kad energija ir masė yra tapačios sąvokos. Jei fotonas neša energiją, jis turi turėti masę. Tačiau šviesos kvantas yra „gudri“dalelė: fotonas susidūręs su kliūtimi visiškai atiduoda savo energiją materijai, tampa ja ir praranda individualią esmę. Tuo pačiu metu tam tikros aplinkybės (pavyzdžiui, stiprus kaitinimas) gali sukelti šviesą anksčiau tamsiuose ir ramiuose metalų ir dujų interjeruose. Fotono impulsas, tiesioginė masės buvimo pasekmė, gali būti nustatytas naudojant šviesos slėgį. Rusijos mokslininko Lebedevo eksperimentai įtikinamai įrodė šį nuostabų faktą.
Lebedevo eksperimentas
Rusų mokslininkas Petras Nikolajevičius Lebedevas 1899 m. atliko tokį eksperimentą. Ant plono sidabrinio siūlo pakabino skersinį. Prie skersinio galų mokslininkas pritvirtino dvi tos pačios medžiagos plokštes. Tai buvo sidabrinė folija, auksas ir net žėrutis. Taip buvo sukurtos savotiškos svarstyklės. Tik jie matavo ne iš viršaus spaudžiančio krovinio, o iš šono spaudžiančio kiekvienos plokštės svorį. Lebedevas visą šią konstrukciją pakišo po stikliniu dangteliu, kad vėjas ir atsitiktiniai oro tankio svyravimai jo nepaveiktų. Be to, norėčiau parašyti, kad jis sukūrė vakuumą po dangčiu. Tačiau tuo metu buvo neįmanoma pasiekti net vidutinio vakuumo. Taigi sakome, kad po stikliniu gaubtu jis sukūrė labai išretintą atmosferą. Ir pakaitomis apšviesdavo vieną plokštę, kitą palikdamas šešėlyje. Šviesos, nukreiptos į paviršius, kiekis buvo iš anksto nustatytas. Remdamasis nukreipimo kampu, Lebedevas nustatė, koks impulsas perdavė šviesą į plokštes.
Formulės elektromagnetinės spinduliuotės slėgiui nustatyti esant normaliam pluošto kritimui
Pirmiausia paaiškinkime, kas yra „normalus kritimas“? Šviesa paprastai patenka į paviršių, jei ji nukreipta griežtai statmenai paviršiui. Tai nustato problemos apribojimus: paviršius turi būti idealiai lygus, o spinduliuotės spindulys turi būti nukreiptas labai tiksliai. Šiuo atveju šviesos slėgis apskaičiuojamas pagal formulę:
p=(1-k+ρ)I/c, kur
k yra pralaidumas, ρ yra atspindžio koeficientas, I yra krintančios šviesos pluošto intensyvumas, c yra šviesos greitis vakuume.
Bet, tikriausiai, skaitytojas jau atspėjo, kad tokio idealaus veiksnių derinio nėra. Net jei neatsižvelgiama į idealų paviršių, gana sunku organizuoti šviesos kritimą griežtai statmenai.
Formulėselektromagnetinės spinduliuotės slėgio nustatymas, kai jis krenta kampu
Šviesos slėgis veidrodžio paviršiuje kampu apskaičiuojamas naudojant kitą formulę, kurioje jau yra vektorių elementų:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Vertės p, i, i' yra vektoriai. Šiuo atveju k ir ρ, kaip ir ankstesnėje formulėje, yra atitinkamai perdavimo ir atspindžio koeficientai. Naujos reikšmės reiškia:
- ω – spinduliuotės energijos tūrinis tankis;
- i ir i’ yra vienetiniai vektoriai, rodantys krintančio ir atspindėto šviesos pluošto kryptį (jie nustato kryptis, kuriomis turi būti pridedamos veikiančios jėgos);
- ϴ – kampas į normalų, kuriuo šviesos spindulys krinta (ir atitinkamai atsispindi, nes paviršius yra veidrodinis).
Priminkite skaitytojui, kad normalioji yra statmena paviršiui, taigi, jei uždavinyje nurodytas šviesos kritimo į paviršių kampas, tada ϴ yra 90 laipsnių atėmus nurodytą reikšmę.
Elektromagnetinės spinduliuotės slėgio reiškinio taikymas
Fiziką studijuojančiam studentui daug formulių, sąvokų ir reiškinių atrodo nuobodu. Nes, kaip taisyklė, mokytojas pasakoja teorinius aspektus, bet retai gali pateikti tam tikrų reiškinių naudos pavyzdžių. Nek altinkime dėl to mokyklos mentorių: juos labai riboja programa, per pamoką reikia pasakoti plačią medžiagą ir dar spėti pasitikrinti mokinių žinias.
Nepaisant to, mūsų tyrimo objektas turi daugįdomios programos:
- Dabar beveik kiekvienas studentas savo mokymo įstaigos laboratorijoje gali pakartoti Lebedevo eksperimentą. Tačiau tuomet eksperimentinių duomenų sutapimas su teoriniais skaičiavimais buvo tikras lūžis. Eksperimentas, atliktas pirmą kartą su 20 % paklaida, leido mokslininkams visame pasaulyje sukurti naują fizikos šaką – kvantinę optiką.
- Didelės energijos protonų gamyba (pavyzdžiui, įvairioms medžiagoms švitinti) greitinant plonas plėveles lazerio impulsu.
- Atsižvelgiant į Saulės elektromagnetinės spinduliuotės slėgį netoli Žemės esančių objektų, įskaitant palydovus ir kosmines stotis, paviršiuje, galima tiksliau koreguoti jų orbitą ir neleidžiama šiems įrenginiams nukristi į Žemę.
Aukščiau nurodytos programos dabar egzistuoja realiame pasaulyje. Tačiau yra ir potencialių galimybių, kurios dar neįgyvendintos, nes žmonijos technologijos dar nepasiekė reikiamo lygio. Tarp jų:
- Saulės burė. Su jo pagalba būtų galima perkelti gana didelius krovinius artimoje žemei ir net arti Saulės erdvėje. Šviesa duoda nedidelį impulsą, tačiau esant teisingai burės paviršiaus padėtimi, pagreitis būtų pastovus. Nesant trinties, pakanka padidinti greitį ir pristatyti prekes į norimą saulės sistemos tašką.
- Fotoninis variklis. Galbūt ši technologija leis žmogui įveikti savo žvaigždės trauką ir skristi į kitus pasaulius. Skirtumas nuo saulės burės yra tas, kad dirbtinai sukurtas įrenginys, pavyzdžiui, termobranduolinis, generuos saulės impulsus.variklis.
