Avui dedicarem una conversa a un fenomen com la pressió lleugera. Considereu les premisses del descobriment i les conseqüències per a la ciència.
Llum i color
El misteri de les habilitats humanes ha preocupat la gent des de l'antiguitat. Com veu l'ull? Per què existeixen els colors? Quina és la raó per la qual el món és com el percebem? Fins on pot veure una persona? Newton va fer experiments amb la descomposició d'un raig solar en un espectre al segle XVII. També va establir una base matemàtica estricta per a una sèrie de fets dispars que en aquell moment es coneixien sobre la llum. I la teoria newtoniana va predir moltes coses: per exemple, descobriments que només explicava la física quàntica (la desviació de la llum en un camp gravitatori). Però la física d'aquella època no sabia ni entenia la naturalesa exacta de la llum.
Ona o partícula
Des que els científics de tot el món van començar a penetrar en l'essència de la llum, hi ha hagut un debat: què és la radiació, una ona o una partícula (corpúscul)? Alguns fets (refracció, reflexió i polarització) van confirmar la primera teoria. Altres (propagació rectilínia en absència d'obstacles, pressió lleugera) - el segon. Tanmateix, només la física quàntica va poder calmar aquesta disputa combinant les dues versions en una sola.general. La teoria de les ones corpusculars afirma que qualsevol micropartícula, inclòs un fotó, té les propietats d'una ona i d'una partícula. És a dir, un quàntic de llum té característiques com la freqüència, l'amplitud i la longitud d'ona, així com el moment i la massa. Fem una reserva de seguida: els fotons no tenen massa en repòs. En ser un quàntic del camp electromagnètic, només transporten energia i massa en el procés de moviment. Aquesta és l'essència del concepte de "llum". La física ara ho ha explicat amb prou detall.
Longitud d'ona i energia
Es va esmentar una mica per sobre del concepte "energia ondulatòria". Einstein va demostrar de manera convincent que energia i massa són conceptes idèntics. Si un fotó transporta energia, ha de tenir massa. Tanmateix, un quàntic de llum és una partícula "astuta": quan un fotó xoca amb un obstacle, cedeix completament la seva energia a la matèria, es converteix en ella i perd la seva essència individual. Al mateix temps, determinades circumstàncies (escalfament fort, per exemple) poden provocar que els interiors abans foscos i tranquils dels metalls i gasos emetin llum. El moment d'un fotó, conseqüència directa de la presència de massa, es pot determinar mitjançant la pressió de la llum. Els experiments de Lebedev, un investigador de Rússia, van demostrar de manera convincent aquest fet sorprenent.
experiment de Lebedev
El científic rus Petr Nikolaevich Lebedev el 1899 va fer el següent experiment. D'un fil de plata fi va penjar una barra transversal. Als extrems de la barra transversal, el científic va enganxar dues plaques de la mateixa substància. Aquests eren paper de plata, or, i fins i tot mica. Així, es van crear una mena d'escales. Només van mesurar el pes no de la càrrega que prem des de d alt, sinó de la càrrega que prem des del costat sobre cadascuna de les plaques. Lebedev va col·locar tota aquesta estructura sota una coberta de vidre perquè el vent i les fluctuacions aleatòries de la densitat de l'aire no la poguessin afectar. A més, m'agradaria escriure que va crear un buit sota la tapa. Però en aquell moment, fins i tot un buit mitjà era impossible d'aconseguir. Així que diem que va crear una atmosfera molt enrarit sota la coberta de vidre. I il·luminava alternativament un plat, deixant l' altre a l'ombra. La quantitat de llum dirigida a les superfícies estava predeterminada. A partir de l'angle de deflexió, Lebedev va determinar quin impuls transmetia la llum a les plaques.
Fórmules per determinar la pressió de la radiació electromagnètica amb incidència normal del feix
Primer expliquem què és una "caiguda normal"? La llum incideix sobre una superfície normalment si es dirigeix estrictament perpendicular a la superfície. Això imposa restriccions al problema: la superfície ha de ser perfectament llisa i el feix de radiació s'ha de dirigir amb molta precisió. En aquest cas, la pressió lleugera es calcula amb la fórmula:
p=(1-k+ρ)I/c, on
k és la transmitància, ρ és el coeficient de reflexió, I és la intensitat del feix de llum incident, c és la velocitat de la llum en el buit.
Però, probablement, el lector ja ha endevinat que aquesta combinació ideal de factors no existeix. Encara que no es tingui en compte la superfície ideal, és bastant difícil organitzar la incidència de la llum de manera estrictament perpendicular.
Fórmules per adeterminant la pressió de la radiació electromagnètica quan cau en un angle
La pressió de la llum sobre la superfície d'un mirall en un angle es calcula mitjançant una fórmula diferent que ja conté elements de vectors:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Els valors p, i, i' són vectors. En aquest cas, k i ρ, com en la fórmula anterior, són els coeficients de transmissió i de reflexió, respectivament. Els nous valors signifiquen el següent:
- ω - densitat de volum de l'energia de radiació;
- i i i’ són vectors unitaris que mostren la direcció del feix de llum incident i reflectit (estableixen les direccions en què s'han d'afegir les forces actuants);
- ϴ - angle respecte a la normal en què cau el raig de llum (i, en conseqüència, es reflecteix, ja que la superfície es reflecteix).
Recordeu al lector que la normal és perpendicular a la superfície, de manera que si al problema se li dóna l'angle d'incidència de la llum a la superfície, aleshores ϴ és 90 graus menys el valor donat.
Aplicació del fenomen de pressió de radiació electromagnètica
Un estudiant que estudia física troba avorrits moltes fórmules, conceptes i fenòmens. Perquè, per regla general, el professor explica els aspectes teòrics, però poques vegades pot donar exemples dels beneficis de determinats fenòmens. No culpem d'això els mentors de l'escola: estan molt limitats pel programa, durant la lliçó cal explicar material extens i encara tens temps de comprovar els coneixements dels alumnes.
No obstant això, l'objecte del nostre estudi té moltaplicacions interessants:
- Ara gairebé tots els estudiants del laboratori de la seva institució educativa poden repetir l'experiment de Lebedev. Però aleshores la coincidència de dades experimentals amb càlculs teòrics va ser un autèntic avenç. L'experiment, fet per primera vegada amb un error del 20%, va permetre a científics de tot el món desenvolupar una nova branca de la física: l'òptica quàntica.
- Producció de protons d' alta energia (per exemple, per a la irradiació de diverses substàncies) accelerant pel·lícules primes amb un pols làser.
- Tenir en compte la pressió de la radiació electromagnètica del Sol a la superfície dels objectes propers a la Terra, inclosos satèl·lits i estacions espacials, permet corregir-ne l'òrbita amb més precisió i evita que aquests dispositius caiguin a la Terra.
Les aplicacions anteriors existeixen ara al món real. Però també hi ha oportunitats potencials que encara no s'han realitzat, perquè la tecnologia de la humanitat encara no ha arribat al nivell requerit. Entre ells:
- Vela solar. Amb la seva ajuda, seria possible moure càrregues bastant grans a l'espai proper a la Terra i fins i tot prop del solar. La llum dóna un petit impuls, però amb la posició correcta de la superfície de la vela, l'acceleració seria constant. En absència de fricció, n'hi ha prou per guanyar velocitat i lliurar mercaderies al punt desitjat del sistema solar.
- Motor fotònic. Aquesta tecnologia, potser, permetrà a una persona superar l'atracció de la seva pròpia estrella i volar a altres mons. La diferència amb una vela solar és que un dispositiu creat artificialment, per exemple, un termonuclear, generarà polsos solars.motor.
