Täna pühendame vestluse sellisele nähtusele nagu kerge surve. Mõelge avastuse eeldustele ja tagajärgedele teadusele.
Valgus ja värv
Inimvõimete mõistatus on inimesi iidsetest aegadest saati murelikuks teinud. Kuidas silm näeb? Miks värvid eksisteerivad? Mis on põhjus, miks maailm on selline, nagu me seda tajume? Kui kaugele inimene näeb? Katsed päikesekiire lammutamiseks spektriks viis Newton läbi 17. sajandil. Ta pani ka range matemaatilise aluse mitmetele erinevatele faktidele, mida sel ajal valguse kohta teati. Ja Newtoni teooria ennustas palju: näiteks avastused, mida seletas ainult kvantfüüsika (valguse kõrvalekaldumine gravitatsiooniväljas). Kuid tolleaegne füüsika ei teadnud ega mõistnud valguse täpset olemust.
Laine või osake
Sellest ajast, kui teadlased üle kogu maailma hakkasid valguse olemusse tungima, on vaieldud selle üle, mis on kiirgus, laine või osake (kehake)? Mõned faktid (murdumine, peegeldus ja polarisatsioon) kinnitasid esimest teooriat. Teised (sirgjooneline levimine takistuste puudumisel, kerge rõhk) - teine. Kuid ainult kvantfüüsika suutis selle vaidluse rahustada, ühendades need kaks versiooni üheks.üldine. Korpuskulaarlaine teooria väidab, et igal mikroosakel, sealhulgas footonil, on nii laine kui ka osakese omadused. See tähendab, et valguse kvantil on sellised omadused nagu sagedus, amplituud ja lainepikkus, aga ka impulss ja mass. Teeme kohe reservatsiooni: footonitel pole puhkemassi. Olles elektromagnetvälja kvant, kannavad nad energiat ja massi ainult liikumise käigus. See on mõiste "valgus" olemus. Füüsika on seda nüüd piisav alt üksikasjalikult selgitanud.
Lainepikkus ja energia
Veidi eespool mainiti mõistet "laineenergia". Einstein tõestas veenv alt, et energia ja mass on identsed mõisted. Kui footon kannab energiat, peab sellel olema mass. Valguskvant on aga “kaval” osake: kui footon põrkab kokku takistusega, loovutab ta oma energia täielikult mateeriale, muutub selleks ja kaotab oma individuaalse olemuse. Samal ajal võivad teatud asjaolud (näiteks tugev kuumutamine) põhjustada metallide ja gaaside varem pimedas ja rahulikus sisemuses valguse kiirgamist. Footoni impulsi, mis on massi olemasolu otsene tagajärg, saab määrata valguse rõhu abil. Venemaa teadlase Lebedevi katsed tõestasid seda hämmastavat tõsiasja veenv alt.
Lebedevi eksperiment
Vene teadlane Petr Nikolajevitš Lebedev tegi 1899. aastal järgmise katse. Peenikese hõbedase niidi külge riputas ta risttala. Risttala otstesse kinnitas teadlane kaks samast ainest valmistatud plaati. Need olid hõbefoolium, kuld ja isegi vilgukivi. Seega tekkisid omamoodi kaalud. Ainult nemad mõõtsid mitte ülev alt vajutava koormuse, vaid iga plaadi külje pe alt pressiva koormuse kaalu. Lebedev asetas kogu selle konstruktsiooni klaaskatte alla, et tuul ja juhuslikud õhutiheduse kõikumised seda mõjutada ei saaks. Edasi tahaksin kirjutada, et ta lõi kaane alla vaakumi. Kuid sel ajal oli isegi keskmist vaakumit võimatu saavutada. Nii et me ütleme, et ta lõi klaaskatte alla väga haruldase atmosfääri. Ja vaheldumisi valgustas üht plaati, jättes teise varju. Pindadele suunatud valguse hulk oli ette määratud. Paindenurga põhjal tegi Lebedev kindlaks, milline impulss valgust plaatidele edastas.
Valemid elektromagnetilise kiirguse rõhu määramiseks kiire normaalse langemise korral
Selgitame kõigepe alt, mis on "tavaline kukkumine"? Valgus langeb pinnale tavaliselt siis, kui see on suunatud pinnaga rangelt risti. See seab probleemile piirangud: pind peab olema täiesti sile ja kiirguskiir peab olema väga täpselt suunatud. Sel juhul arvutatakse valgusrõhk järgmise valemiga:
p=(1-k+ρ)I/c, kus
k on läbilaskvus, ρ on peegelduskoefitsient, I on langeva valguskiire intensiivsus, c on valguse kiirus vaakumis.
Aga ilmselt on lugeja juba aimanud, et sellist ideaalset tegurite kombinatsiooni pole olemas. Isegi kui ideaalset pinda arvesse ei võeta, on valguse langemist üsna keeruline korraldada rangelt risti.
Valemid jaokselektromagnetilise kiirguse rõhu määramine, kui see langeb nurga all
Valguse rõhk nurga all olevale peegelpinnale arvutatakse erineva valemi abil, mis sisaldab juba vektorite elemente:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Väärtused p, i, i' on vektorid. Sel juhul on k ja ρ, nagu ka eelmises valemis, vastav alt ülekande- ja peegelduskoefitsiendid. Uued väärtused tähendavad järgmist:
- ω – kiirgusenergia mahutihedus;
- i ja i’ on ühikvektorid, mis näitavad langeva ja peegeldunud valguskiire suunda (need määravad suunad, milles mõjuvad jõud tuleks liita);
- ϴ - nurk normaalväärtuse suhtes, mille alla valguskiir langeb (ja vastav alt peegeldub, kuna pind peegeldub).
Tuletage lugejale meelde, et normaal on pinnaga risti, nii et kui ülesandele on antud valguse langemisnurk pinna suhtes, siis ϴ on 90 kraadi miinus antud väärtus.
Elektromagnetilise kiirguse rõhunähtuse rakendamine
Füüsikat õppiv üliõpilane peab paljusid valemeid, mõisteid ja nähtusi igavaks. Sest reeglina ütleb õpetaja ära teoreetilised aspektid, kuid harva saab tuua näiteid teatud nähtuste kasulikkusest. Ärgem süüdistagem selles kooli mentoreid: nad on programmi poolt väga piiratud, tunnis on vaja rääkida mahukat materjali ja veel jääb aega õpilaste teadmisi kontrollida.
Sellegipoolest on meie uuringu objektil paljuhuvitavad rakendused:
- Nüüd saab peaaegu iga õpilane oma õppeasutuse laboris Lebedevi katset korrata. Kuid siis oli eksperimentaalsete andmete kokkulangemine teoreetiliste arvutustega tõeline läbimurre. Esmakordselt 20% veaga tehtud katse võimaldas teadlastel üle maailma välja töötada uue füüsikaharu – kvantoptika.
- Suure energiaga prootonite tootmine (näiteks erinevate ainete kiiritamiseks) õhukeste kilede kiirendamise teel laserimpulsiga.
- Võttes arvesse Päikese elektromagnetilise kiirguse survet Maa-lähedaste objektide, sealhulgas satelliitide ja kosmosejaamade pinnale, saate nende orbiiti täpsem alt korrigeerida ja takistab nende seadmete Maale kukkumist.
Ülalnimetatud rakendused on nüüd reaalses maailmas olemas. Kuid on ka potentsiaalseid võimalusi, mis pole veel realiseerunud, sest inimkonna tehnoloogia pole veel saavutanud nõutavat taset. Nende hulgas:
- Päikesepuri. Tema abiga oleks võimalik liigutada maalähedases ja isegi päikeselähedases ruumis päris suuri koormaid. Valgus annab väikese impulsi, aga purje pinna õige asendi korral oleks kiirendus konstantne. Hõõrdumise puudumisel piisab kiiruse suurendamisest ja kauba kohaletoimetamisest päikesesüsteemi soovitud punkti.
- Fotooniline mootor. Võib-olla võimaldab see tehnoloogia inimesel ületada oma tähe külgetõmbejõud ja lennata teistesse maailmadesse. Erinevus päikesepurjest seisneb selles, et kunstlikult loodud seade, näiteks termotuumaseade, tekitab päikeseimpulsse.mootor.
