Tänään omistamme keskustelun sellaiselle ilmiölle kuin kevyt paine. Harkitse löydön lähtökohtia ja seurauksia tieteelle.
Valo ja väri
Ihmiskykyjen mysteeri on huolestuttanut ihmisiä muinaisista ajoista lähtien. Miten silmä näkee? Miksi värejä on olemassa? Mikä on syy siihen, että maailma on sellainen kuin me sen näemme? Kuinka kauas ihminen näkee? Newton suoritti kokeita auringonsäteen hajottamiseksi spektriksi 1600-luvulla. Hän loi myös tiukan matemaattisen perustan useille erilaisille faktoille, jotka tuolloin tiedettiin valosta. Ja Newtonin teoria ennusti paljon: esimerkiksi löytöjä, jotka vain kvanttifysiikka selitti (valon taipuminen gravitaatiokentässä). Mutta tuon ajan fysiikka ei tiennyt eikä ymmärtänyt valon tarkkaa luonnetta.
A alto tai hiukkanen
Siitä lähtien, kun tiedemiehet ympäri maailmaa alkoivat tunkeutua valon olemukseen, on käyty keskustelua: mikä on säteily, a alto vai hiukkanen (korpuskkeli)? Jotkut tosiasiat (taittuminen, heijastus ja polarisaatio) vahvistivat ensimmäisen teorian. Muut (suoraviivainen eteneminen esteiden puuttuessa, kevyt paine) - toinen. Kuitenkin vain kvanttifysiikka pystyi rauhoittamaan tämän kiistan yhdistämällä kaksi versiota yhdeksi.yleistä. Korpuskulaaristen a altojen teoria väittää, että kaikilla mikrohiukkasilla, mukaan lukien fotonilla, on sekä aallon että hiukkasen ominaisuuksia. Eli valon kvantilla on sellaisia ominaisuuksia kuin taajuus, amplitudi ja aallonpituus sekä liikemäärä ja massa. Tehdään varaus heti: fotoneilla ei ole lepomassaa. Koska ne ovat sähkömagneettisen kentän kvantti, ne kuljettavat energiaa ja massaa vain liikkeen aikana. Tämä on "valon" käsitteen ydin. Fysiikka on nyt selittänyt sen riittävän yksityiskohtaisesti.
Aallonpituus ja energia
Hieman edellä mainittiin "a altoenergian" käsite. Einstein osoitti vakuuttavasti, että energia ja massa ovat identtisiä käsitteitä. Jos fotoni kuljettaa energiaa, sillä on oltava massa. Valon kvantti on kuitenkin "ovela" hiukkanen: kun fotoni törmää esteeseen, se luovuttaa energiansa kokonaan aineelle, muuttuu sellaiseksi ja menettää yksilöllisen olemuksensa. Samanaikaisesti tietyt olosuhteet (esim. voimakas kuumennus) voivat aiheuttaa metallien ja kaasujen aiemmin pimeät ja rauhalliset sisätilat säteilemään valoa. Fotonin liikemäärä, joka on suora seuraus massan läsnäolosta, voidaan määrittää valon paineella. Venäläisen tutkijan Lebedevin kokeet osoittivat tämän hämmästyttävän tosiasian vakuuttavasti.
Lebedevin kokeilu
Venäläinen tiedemies Petr Nikolajevitš Lebedev teki vuonna 1899 seuraavan kokeen. Hän ripusti ohuen hopealangan päälle poikkitangon. Poikkipalkin päihin tiedemies kiinnitti kaksi levyä samaa ainetta. Nämä olivat hopeakalvoa, kultaa ja jopa kiilleä. Siten syntyi eräänlainen mittakaava. Vain he eivät mitanneet ylhäältä puristavan kuorman painoa, vaan sen kuorman, joka painaa jokaista levyä sivulta. Lebedev asetti koko tämän rakenteen lasikannen alle, jotta tuuli ja satunnaiset ilmantiheyden vaihtelut eivät vaikuttaneet siihen. Lisäksi haluaisin kirjoittaa, että hän loi tyhjiön kannen alle. Mutta tuolloin jopa keskimääräistä tyhjiötä oli mahdotonta saavuttaa. Joten sanomme, että hän loi erittäin harvinaisen tunnelman lasikannen alle. Ja vuorotellen valaisi yhden levyn jättäen toisen varjoon. Pinnoille suunnatun valon määrä oli enn alta määrätty. Lebedev määritti poikkeutuskulman perusteella, mikä liikemäärä välitti valon levyille.
Kaavat sähkömagneettisen säteilyn paineen määrittämiseksi normaalilla säteen tulolla
Selvitetään ensin, mitä "normaali pudotus" on? Valo osuu pinnalle normaalisti, jos se on suunnattu tiukasti kohtisuoraan pintaan nähden. Tämä asettaa ongelmalle rajoituksia: pinnan tulee olla täysin sileä ja säteilysäteen tulee olla suunnattu erittäin tarkasti. Tässä tapauksessa valonpaine lasketaan kaavalla:
p=(1-k+ρ)I/c, missä
k on läpäisykyky, ρ on heijastuskerroin, I on tulevan valonsäteen intensiteetti, c on valon nopeus tyhjiössä.
Mutta luultavasti lukija on jo arvannut, ettei tällaista ihanteellista tekijöiden yhdistelmää ole olemassa. Vaikka ihanteellista pintaa ei otettaisi huomioon, on melko vaikeaa järjestää valon tulo tiukasti kohtisuoraan.
Kaavatsähkömagneettisen säteilyn paineen määrittäminen, kun se putoaa kulmaan
Valon paine peilipinnalle kulmassa lasketaan eri kaavalla, joka sisältää jo vektorien elementtejä:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Arvot p, i, i' ovat vektoreita. Tässä tapauksessa k ja ρ, kuten edellisessä kaavassa, ovat vastaavasti läpäisy- ja heijastuskertoimet. Uudet arvot tarkoittavat seuraavaa:
- ω – säteilyenergian tilavuustiheys;
- i ja i’ ovat yksikkövektoreita, jotka osoittavat tulevan ja heijastuneen valonsäteen suunnan (ne määrittävät suunnat, joihin vaikuttavat voimat tulee lisätä);
- ϴ - kulma normaaliin, johon valonsäde putoaa (ja vastaavasti heijastuu, koska pinta on peilattu).
Muistuta lukijaa, että normaali on kohtisuorassa pintaan nähden, joten jos ongelmalle annetaan valon tulokulma pintaan, niin ϴ on 90 astetta miinus annettu arvo.
Sähkömagneettisen säteilyn paineilmiön soveltaminen
Fysiikkaa opiskelevan opiskelijan mielestä monet kaavat, käsitteet ja ilmiöt ovat tylsiä. Koska pääsääntöisesti opettaja kertoo teoreettiset näkökohdat, mutta harvoin voi antaa esimerkkejä tiettyjen ilmiöiden hyödyistä. Älkäämme syyttelekö tästä koulumentoreita: he ovat ohjelman rajoittamia, tunnilla pitää kertoa laajaa materiaalia ja vielä ehtii tarkistaa oppilaiden tiedot.
Tutkimuksemme kohteella on kuitenkin paljonmielenkiintoisia sovelluksia:
- Nyt melkein jokainen oppilaitoksensa laboratorion opiskelija voi toistaa Lebedevin kokeen. Mutta sitten kokeellisten tietojen ja teoreettisten laskelmien yhteensopivuus oli todellinen läpimurto. Ensimmäistä kertaa 20 prosentin virheellä tehdyn kokeen ansiosta tutkijat ympäri maailmaa pystyivät kehittämään uuden fysiikan alan – kvanttioptiikan.
- Suurienergisten protonien tuotanto (esimerkiksi erilaisten aineiden säteilytykseen) kiihdyttämällä ohuita kalvoja laserpulssilla.
- Ottamalla huomioon Auringon sähkömagneettisen säteilyn paineen lähellä maapalloa olevien kohteiden, mukaan lukien satelliitit ja avaruusasemat, voit korjata niiden kiertorataa tarkemmin ja estää näitä laitteita putoamasta Maahan.
Yllä olevat sovellukset ovat nyt olemassa todellisessa maailmassa. Mutta on myös potentiaalisia mahdollisuuksia, joita ei ole vielä toteutunut, koska ihmiskunnan teknologia ei ole vielä saavuttanut vaadittua tasoa. Heidän joukossaan:
- Aurinkopurje. Sen avulla olisi mahdollista siirtää varsin suuria kuormia lähellä maapalloa ja jopa lähellä aurinkoa. Valo antaa pienen impulssin, mutta purjeen pinnan oikeassa asennossa kiihtyvyys olisi vakio. Kitkan puuttuessa riittää nopeuden lisääminen ja tavaran toimittaminen haluttuun paikkaan aurinkokunnassa.
- Photonic-moottori. Tämän tekniikan avulla ihminen voi ehkä voittaa oman tähtensä vetovoiman ja lentää muihin maailmoihin. Erona aurinkopurjeeseen on se, että keinotekoisesti luotu laite, esimerkiksi lämpöydin, tuottaa aurinkopulsseja.moottori.
