Täna räägime Lebedevi katsest valguse footonite rõhu tõestamisel. Avastame selle avastuse tähtsuse ja selleni viinud tausta.
Teadmised on uudishimu
Uudishimu nähtusel on kaks seisukohta. Ühte väljendab ütlus "uudishimulikul Varvaral rebiti turul nina maha", teist aga ütlus "uudishimu pole pahe". See paradoks on kergesti lahendatav, kui teha vahet valdkondade vahel, mille vastu huvi ei ole teretulnud või, vastupidi, vajalik.
Johannes Kepler ei sündinud teadlaseks: tema isa võitles sõjas ja ema pidas kõrtsi. Kuid tal olid erakordsed võimed ja ta oli loomulikult uudishimulik. Lisaks kannatas Kepler raske nägemiskahjustuse all. Kuid just tema tegi avastusi, tänu millele on teadus ja kogu maailm seal, kus nad praegu on. Johannes Kepler on kuulus Koperniku planeedisüsteemi selgitamise poolest, kuid täna räägime teadlase muudest saavutustest.
Inerts ja lainepikkus: keskaegne pärand
Viiskümmend tuhat aastat tagasi kuulusid matemaatika ja füüsika jaotisesse "Kunst". Seetõttu tegeles Kopernik kehade (sealhulgas taevakehade), optika ja gravitatsiooni liikumise mehaanikaga. Just tema tõestas inertsi olemasolu. JäreldustestSee teadlane arendas kaasaegset mehaanikat, kehade vastastikmõju kontseptsiooni, teadust kontaktiobjektide kiiruste vahetamise kohta. Copernicus töötas välja ka harmoonilise lineaarse optika süsteemi.
Ta tutvustas selliseid mõisteid nagu:
- "valguse murdumine";
- "murdumine";
- "optiline telg";
- "täielik sisepeegeldus";
- "valgustus".
Ja lõpuks tõestas tema uurimus valguse lainelist olemust ja viis Lebedevi katseni footonite rõhu mõõtmisel.
Valguse kvantomadused
Kõigepe alt tasub defineerida valguse olemus ja rääkida sellest, mis see on. Footon on elektromagnetvälja kvant. See on energiapakett, mis liigub läbi ruumi tervikuna. Te ei saa footonilt natuke energiat "ära hammustada", kuid seda saab teisendada. Näiteks kui aine neelab valgust, siis keha sees on selle energia võimeline muutuma ja kiirgama tagasi erineva energiaga footoni. Kuid formaalselt ei ole see sama valguskvant, mis neeldus.
Selle näiteks oleks tugev metallkuul. Kui ainetükk selle pinn alt rebitakse, muutub kuju, see lakkab olemast sfääriline. Aga kui sulatate kogu objekti, võtate vedelat metalli ja loote jääkidest väiksema palli, siis on see jälle kera, kuid teistsugune, mitte sama, mis enne.
Valguse laineomadused
Fotonitel on laine omadused. Põhiparameetrid on:
- lainepikkus (iseloomustab ruumi);
- sagedus (iseloomustabaeg);
- amplituud (iseloomustab võnke tugevust).
Kuid elektromagnetvälja kvantina on footonil ka levimise suund (tähistatakse lainevektorina). Lisaks on amplituudivektor võimeline pöörlema ümber lainevektori ja tekitama laine polarisatsiooni. Mitme footoni samaaegsel emissioonil saab oluliseks teguriks ka faas, õigemini faaside erinevus. Tuletage meelde, et faas on see osa võnkumisest, mis lainefrondil teatud ajahetkel on (tõus, maksimum, laskumine või miinimum).
Mass ja energia
Nagu Einstein vaimuk alt tõestas, on mass energia. Kuid igal konkreetsel juhul võib keeruliseks osutuda seaduse otsimine, mille järgi üks väärtus muutub teiseks. Kõik ül altoodud valguse laineomadused on tihed alt seotud energiaga. Nimelt: lainepikkuse suurendamine ja sageduse vähendamine tähendab vähem energiat. Kuid kuna on energiat, peab footonil olema mass, seega peab olema ka kerge rõhk.
Kogemuse struktuur
Kuna footonid on aga väga väikesed, peaks ka nende mass olema väike. Selle piisava täpsusega määrava seadme ehitamine oli keeruline tehniline ülesanne. Vene teadlane Lebedev Petr Nikolajevitš oli esimene, kes sellega hakkama sai.
Katse ise põhines väändemomendi määranud raskuste konstruktsioonil. Hõbedasele niidile riputati põiklatt. Selle otstele olid kinnitatud identsed õhukesed plaadid erinevatestmaterjalid. Kõige sagedamini kasutati Lebedevi katses metalle (hõbe, kuld, nikkel), kuid oli ka vilgukivi. Kogu konstruktsioon asetati klaasnõusse, milles tekkis vaakum. Pärast seda valgustati üks plaat, teine aga jäi varju. Lebedevi kogemus tõestas, et ühe külje valgustamine viib selleni, et kaalud hakkavad pöörlema. Hälbe nurga järgi hindas teadlane valguse tugevust.
Kogege raskusi
Kahekümnenda sajandi alguses oli piisav alt täpset katset keeruline korraldada. Iga füüsik teadis, kuidas luua vaakumit, töötada klaasiga ja poleerida pindu. Tegelikult saadi teadmisi käsitsi. Sel ajal polnud veel suuri korporatsioone, kes toodaksid vajalikke seadmeid sadade kaupa. Lebedevi seade loodi käsitsi, nii et teadlane seisis silmitsi mitmete raskustega.
Vakuum ei olnud tol ajal isegi keskmine. Teadlane pumpas spetsiaalse pumbaga klaaskorgi alt õhku välja. Kuid katse toimus parimal juhul haruldases õhkkonnas. Valguse rõhku (impulsiülekannet) oli raske eraldada seadme valgustatud poole kuumenemisest: peamiseks takistuseks oli gaasi olemasolu. Kui katse viidaks läbi sügavas vaakumis, siis poleks molekule, mille Browni liikumine valgustatud poolel oleks tugevam.
Paindenurga tundlikkus jättis soovida. Kaasaegsed kruviotsijad suudavad mõõta nurki kuni radiaani miljondikeni. Üheksateistkümnenda sajandi alguses oli skaalat palja silmaga näha. Tehnikaaeg ei suutnud anda plaatide identset kaalu ja suurust. See omakorda muutis võimatuks massi ühtlase jaotamise, mis tekitas raskusi ka pöördemomendi määramisel.
Keerme isolatsioon ja struktuur mõjutavad tulemust suuresti. Kui metallitüki ühte otsa mingil põhjusel rohkem kuumutati (seda nimetatakse temperatuurigradiendiks), võib traat hakata keerduma ilma kerge surveta. Hoolimata asjaolust, et Lebedevi seade oli üsna lihtne ja andis suure vea, leidis valguse footonite abil impulsi ülekande fakt kinnitust.
Valgustusplaatide kuju
Eelmises jaotises loetleti palju tehnilisi raskusi, mis katses esinesid, kuid ei mõjutanud peamist – valgust. Puhtteoreetiliselt kujutame ette, et plaadile langeb monokromaatiliste kiirte kiir, mis on üksteisega rangelt paralleelsed. Kuid kahekümnenda sajandi alguses olid valgusallikaks päike, küünlad ja lihtsad hõõglambid. Kiirte kiirte paralleelseks muutmiseks ehitati keerukad läätsesüsteemid. Ja sel juhul oli kõige olulisem tegur allika valgustugevuse kõver.
Füüsikatunnis öeldakse sageli, et kiired tulevad ühest punktist. Kuid tõelistel valgusgeneraatoritel on teatud mõõtmed. Samuti võib hõõgniidi keskosa kiirata rohkem footoneid kui servad. Selle tulemusena valgustab lamp mõnda ala ümbritsevat paremini kui teisi. Joon, mis läheb antud allikast sama valgustusega ümber kogu ruumi, nimetatakse valgustugevuse kõveraks.
Verikuu ja osaline varjutus
Vampiiriromaanid on täis kohutavaid muutusi, mis juhtuvad inimeste ja loodusega verekuul. Kuid see ei ütle, et seda nähtust ei peaks kartma. Sest see on Päikese suure suuruse tulemus. Meie keskse tähe läbimõõt on ligikaudu 110 Maa läbimõõtu. Samal ajal jõuavad planeedi pinnale nii nähtava ketta ühest kui teisest servast kiirgavad footonid. Seega, kui Kuu langeb Maa poolvarjusse, ei jää see täielikult varju, vaid muutub justkui punaseks. Selles varjundis on süüdi ka planeedi atmosfäär: see neelab kõik nähtavad lainepikkused, välja arvatud oranžid. Pidage meeles, et Päike muutub punaseks ka päikeseloojangul ja seda kõike just seetõttu, et see läbib paksemat atmosfäärikihti.
Kuidas tekib Maa osoonikiht?
Põhjalik lugeja võib küsida: "Mis on valguse rõhul pistmist Lebedevi katsetega?" Valguse keemiline mõju, muide, on tingitud ka sellest, et footon kannab hoogu. Nimelt on see nähtus vastutav mõne planeedi atmosfääri kihi eest.
Nagu teate, neelab meie õhuookean peamiselt päikesevalguse ultraviolettkomponenti. Pealegi oleks elu teadaoleval kujul võimatu, kui maa kivine pind supleks ultraviolettvalguses. Kuid umbes 100 km kõrgusel pole atmosfäär veel piisav alt paks, et kõike neelata. Ja ultraviolett saab võimaluse hapnikuga otse suhelda. See purustab molekulid O2vabad aatomid ja soodustab nende ühendamist teiseks modifikatsiooniks - O3. Puhtal kujul on see gaas surmav. Seetõttu kasutatakse seda õhu, vee, riiete desinfitseerimiseks. Kuid osana Maa atmosfäärist kaitseb see kõiki elusolendeid kahjuliku kiirguse eest, sest osoonikiht neelab väga tõhus alt elektromagnetvälja kvante, mille energia on nähtavast spektrist kõrgemal.
