Dnes budeme věnovat rozhovor takovému jevu, jako je lehký tlak. Zvažte premisy objevu a důsledky pro vědu.
Světlo a barva
Záhada lidských schopností znepokojovala lidi od pradávna. Jak vidí oko? Proč existují barvy? Jaký je důvod, že svět je takový, jak ho vnímáme? Jak daleko člověk vidí? Experimenty s rozkladem slunečního paprsku na spektrum prováděl Newton v 17. století. Položil také přísný matematický základ pro řadu nesourodých faktů, které byly v té době o světle známé. A newtonovská teorie předpověděla mnohé: například objevy, které vysvětlila pouze kvantová fyzika (odchylka světla v gravitačním poli). Ale fyzika té doby neznala a nechápala přesnou povahu světla.
Vlna nebo částice
Od té doby, co vědci z celého světa začali pronikat do podstaty světla, došlo k debatě: co je záření, vlna nebo částice (tělíska)? Některá fakta (refrakce, odraz a polarizace) potvrdila první teorii. Ostatní (přímočaré šíření v nepřítomnosti překážek, lehký tlak) - druhá. Teprve kvantová fyzika však dokázala tento spor uklidnit spojením dvou verzí do jedné. Všeobecné. Teorie korpuskulárních vln říká, že každá mikročástice, včetně fotonu, má vlastnosti vlny i částice. To znamená, že kvantum světla má takové charakteristiky, jako je frekvence, amplituda a vlnová délka, stejně jako hybnost a hmotnost. Udělejme hned rezervaci: fotony nemají klidovou hmotnost. Protože jsou kvantem elektromagnetického pole, přenášejí energii a hmotu pouze v procesu pohybu. To je podstata pojmu „světlo“. Fyzika to nyní vysvětlila dostatečně podrobně.
Vlnová délka a energie
Poněkud výše byl zmíněn pojem „vlnová energie“. Einstein přesvědčivě dokázal, že energie a hmotnost jsou totožné pojmy. Pokud foton nese energii, musí mít hmotnost. Kvantum světla je však „mazaná“částice: když foton narazí na překážku, zcela odevzdá svou energii hmotě, stane se jí a ztratí svou individuální podstatu. Určité okolnosti (například silné zahřívání) přitom mohou způsobit, že dříve tmavé a klidné vnitřky kovů a plynů vyzařují světlo. Hybnost fotonu, přímý důsledek přítomnosti hmoty, lze určit pomocí tlaku světla. Experimenty Lebeděva, výzkumníka z Ruska, tuto úžasnou skutečnost přesvědčivě prokázaly.
Lebedevův experiment
Ruský vědec Petr Nikolajevič Lebeděv provedl v roce 1899 následující experiment. Na tenkou stříbrnou nit zavěsil břevno. Ke koncům příčky vědec připevnil dvě desky stejné látky. Byly to stříbrné fólie, zlato a dokonce slída. Vznikly tak jakési váhy. Pouze měřili hmotnost nikoli zátěže, která tlačí shora, ale zátěže, která tlačí ze strany na každou z desek. Lebeděv celou tuto konstrukci umístil pod skleněný kryt, aby ji nemohl ovlivnit vítr a náhodné výkyvy hustoty vzduchu. Dále bych chtěl napsat, že pod pokličkou vytvořil podtlak. Ale v té době nebylo možné dosáhnout ani průměrného vakua. Říkáme tedy, že pod skleněným krytem vytvořil velmi vzácnou atmosféru. A střídavě osvětloval jednu desku a druhou nechával ve stínu. Množství světla směrovaného na povrchy bylo předem určeno. Z úhlu vychýlení Lebeděv určil, jakou hybnost přenáší světlo na desky.
Vzorce pro stanovení tlaku elektromagnetického záření při normálním dopadu paprsku
Pojďme nejprve vysvětlit, co je to „normální pád“? Světlo dopadá na povrch normálně, pokud je nasměrováno přesně kolmo k povrchu. To klade omezení na problém: povrch musí být dokonale hladký a paprsek záření musí být nasměrován velmi přesně. V tomto případě se tlak světla vypočítá podle vzorce:
p=(1-k+ρ)I/c, kde
k je propustnost, ρ je koeficient odrazu, I je intenzita dopadajícího světelného paprsku, c je rychlost světla ve vakuu.
Čtenář už ale pravděpodobně uhodl, že taková ideální kombinace faktorů neexistuje. I když nebereme v úvahu ideální povrch, je poměrně obtížné uspořádat dopad světla přísně kolmo.
Vzorce prourčení tlaku elektromagnetického záření při dopadu pod úhlem
Tlak světla na zrcadlový povrch pod úhlem se vypočítá pomocí jiného vzorce, který již obsahuje prvky vektorů:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Hodnoty p, i, i' jsou vektory. V tomto případě k a ρ, stejně jako v předchozím vzorci, jsou koeficienty prostupu a odrazu. Nové hodnoty znamenají následující:
- ω – objemová hustota energie záření;
- i a i’ jsou jednotkové vektory, které znázorňují směr dopadajícího a odraženého paprsku světla (určují směry, do kterých se mají sčítat působící síly);
- ϴ - úhel k normále, pod kterým světelný paprsek dopadá (a podle toho se odráží, protože povrch je zrcadlený).
Připomeňte čtenáři, že normála je kolmá k povrchu, takže pokud je problém dán úhlem dopadu světla na povrch, pak ϴ je 90 stupňů mínus daná hodnota.
Použití jevu tlaku elektromagnetického záření
Student, který studuje fyziku, považuje mnoho vzorců, konceptů a jevů za nudných. Protože učitel zpravidla vypráví teoretické aspekty, ale zřídka může uvést příklady výhod určitých jevů. Neobviňujme z toho školní mentory: jsou velmi omezeni programem, během lekce musíte vyprávět obsáhlou látku a ještě mít čas zkontrolovat znalosti studentů.
Přesto má předmět naší studie hodnězajímavé aplikace:
- Nyní může Lebedevův experiment zopakovat téměř každý student v laboratoři jeho vzdělávací instituce. Ale pak byla shoda experimentálních dat s teoretickými výpočty skutečným průlomem. Experiment, který byl poprvé proveden s 20% chybou, umožnil vědcům z celého světa vyvinout nové odvětví fyziky – kvantovou optiku.
- Produkce vysokoenergetických protonů (například pro ozařování různých látek) urychlováním tenkých vrstev laserovým pulzem.
- Zohlednění tlaku elektromagnetického záření Slunce na povrch objektů v blízkosti Země, včetně satelitů a vesmírných stanic, umožňuje korigovat jejich dráhu s větší přesností a zabraňuje pádu těchto zařízení na Zemi.
Výše uvedené aplikace nyní existují v reálném světě. Existují však i potenciální příležitosti, které dosud nebyly realizovány, protože technologie lidstva ještě nedosáhla požadované úrovně. Mezi nimi:
- Solární plachta. S jeho pomocí by bylo možné přemisťovat poměrně velké náklady v blízkém zemském a dokonce i blízkém slunečním prostoru. Světlo dává malý impuls, ale při správné poloze povrchu plachty by zrychlení bylo konstantní. Při absenci tření stačí získat rychlost a doručit zboží do požadovaného bodu sluneční soustavy.
- Fotonický engine. Tato technologie možná člověku umožní překonat přitažlivost vlastní hvězdy a letět do jiných světů. Rozdíl od sluneční plachty je v tom, že uměle vytvořené zařízení, například termonukleární, bude generovat sluneční pulsy.motor.
