Avui parlarem de l'experiment de Lebedev per demostrar la pressió dels fotons de llum. Desvelarem la importància d'aquest descobriment i els antecedents que el van portar.
El coneixement és curiositat
Hi ha dos punts de vista sobre el fenomen de la curiositat. Una s'expressa amb la dita "a la curiosa Varvara li van arrencar el nas al mercat", i l' altra, amb la dita "la curiositat no és un vici". Aquesta paradoxa es resol fàcilment si es distingeix entre àmbits en què l'interès no és benvingut o, per contra, és necessari.
Johannes Kepler no va néixer per convertir-se en científic: el seu pare va lluitar a la guerra i la seva mare tenia una taverna. Però tenia habilitats extraordinàries i, per descomptat, era curiós. A més, Kepler patia una greu discapacitat visual. Però va ser ell qui va fer descobriments, gràcies als quals la ciència i el món sencer són on són ara. Johannes Kepler és famós per aclarir el sistema planetari de Copèrnic, però avui parlarem d' altres èxits del científic.
Inèrcia i longitud d'ona: un llegat medieval
Fa cinquanta mil anys, les matemàtiques i la física pertanyien a la secció "Art". Per tant, Copèrnic es va dedicar a la mecànica del moviment dels cossos (inclosos els celestes), l'òptica i la gravetat. Va ser ell qui va demostrar l'existència de la inèrcia. A partir de les conclusionsAquest científic va fer créixer la mecànica moderna, el concepte de les interaccions dels cossos, la ciència de l'intercanvi de velocitats dels objectes en contacte. Copèrnic també va desenvolupar un sistema harmoniós d'òptica lineal.
Va introduir conceptes com ara:
- "refracció de la llum";
- "refracció";
- "eix òptic";
- "reflexió interna total";
- "il·luminació".
I la seva investigació finalment va demostrar la naturalesa ondulatòria de la llum i va portar a l'experiment de Lebedev per mesurar la pressió dels fotons.
Propietats quàntiques de la llum
En primer lloc, val la pena definir l'essència de la llum i parlar de què és. Un fotó és un quàntic d'un camp electromagnètic. És un paquet d'energia que es mou per l'espai com un tot. No es pot "mossegar" una mica d'energia d'un fotó, però es pot transformar. Per exemple, si la llum és absorbida per una substància, aleshores dins del cos la seva energia és capaç de patir canvis i emetre un fotó amb una energia diferent. Però formalment, aquest no serà el mateix quàntic de llum que es va absorbir.
Un exemple d'això seria una bola de metall sòlida. Si es treu un tros de matèria de la seva superfície, la forma canviarà, deixarà de ser esfèrica. Però si foneu tot l'objecte, agafeu una mica de metall líquid i després creeu una bola més petita a partir de les restes, tornarà a ser una esfera, però diferent, no és la mateixa que abans.
Propietats ondulatòries de la llum
Els fotons tenen les propietats d'una ona. Els paràmetres bàsics són:
- longitud d'ona (caracteritza l'espai);
- freqüència (caracteritzatemps);
- amplitud (caracteritza la força de l'oscil·lació).
No obstant això, com a quàntica d'un camp electromagnètic, un fotó també té una direcció de propagació (indicada com a vector d'ona). A més, el vector d'amplitud és capaç de girar al voltant del vector d'ona i crear polarització d'ona. Amb l'emissió simultània de diversos fotons, la fase, o més aviat la diferència de fase, també esdevé un factor important. Recordeu que la fase és aquella part de l'oscil·lació que té el front d'ona en un moment determinat (pujada, màxima, baixada o mínima).
Massa i energia
Com va demostrar enginyosament Einstein, la massa és energia. Però en cada cas concret, la recerca d'una llei segons la qual un valor es converteixi en un altre pot ser difícil. Totes les característiques ondulatòries anteriors de la llum estan estretament relacionades amb l'energia. És a dir: augmentar la longitud d'ona i disminuir la freqüència significa menys energia. Però com que hi ha energia, aleshores el fotó ha de tenir massa, per tant, hi ha d'haver una lleugera pressió.
Estructura de l'experiència
No obstant això, com que els fotons són molt petits, la seva massa també hauria de ser petita. Construir un dispositiu que pogués determinar-lo amb prou precisió era una tasca tècnica difícil. El científic rus Lebedev Petr Nikolaevich va ser el primer a fer-hi front.
L'experiment en si es va basar en el disseny dels pesos que determinaven el moment de torsió. Es penjava una barra transversal d'un fil de plata. Adossades als seus extrems hi havia plaques fines idèntiques de diversesmaterials. Molt sovint, en l'experiment de Lebedev es van utilitzar metalls (plata, or, níquel), però també hi havia mica. Tota l'estructura es va col·locar en un recipient de vidre, en el qual es creava un buit. Després d'això, una placa es va il·luminar, mentre que l' altra va romandre a l'ombra. L'experiència de Lebedev va demostrar que la il·luminació d'un costat porta al fet que les escales comencen a girar. Segons l'angle de desviació, el científic va jutjar la força de la llum.
Experimenta dificultats
A principis del segle XX, era difícil establir un experiment prou precís. Tots els físics sabien crear un buit, treballar amb vidre i polir superfícies. De fet, el coneixement s'obtenia manualment. En aquella època, no hi havia grans corporacions que produís l'equip necessari en centenars de peces. El dispositiu de Lebedev es va crear a mà, de manera que el científic es va enfrontar a diverses dificultats.
El buit en aquell moment no era ni tan sols mitjà. El científic va treure aire de sota una tapa de vidre amb una bomba especial. Però l'experiment va tenir lloc, en el millor dels casos, en una atmosfera enraritzada. Era difícil separar la pressió de la llum (transferència d'impuls) de l'escalfament del costat il·luminat del dispositiu: el principal obstacle era la presència de gas. Si l'experiment es fes en un buit profund, no hi hauria molècules el moviment brownià de les quals al costat il·luminat seria més fort.
La sensibilitat de l'angle de deflexió deixava molt a desitjar. Els cercadors de cargols moderns poden mesurar angles fins a milionèsimes de radià. A principis del segle XIX, l'escala es podia veure a ull nu. Tècnicael temps no podia proporcionar el mateix pes i mida de les plaques. Això, al seu torn, va fer impossible distribuir uniformement la massa, la qual cosa també va crear dificultats per determinar el parell.
L'aïllament i l'estructura del fil afecta molt el resultat. Si un extrem de la peça metàl·lica s'escalfava més per algun motiu (això s'anomena gradient de temperatura), el cable podria començar a torçar-se sense pressió lleugera. Malgrat que el dispositiu de Lebedev era bastant senzill i donava un gran error, es va confirmar el fet de la transferència de moment per fotons de llum.
Forma de les plaques d'il·luminació
La secció anterior enumerava moltes dificultats tècniques que hi havia a l'experiment, però no van afectar el principal: la llum. Purament teòricament, imaginem que un feix de raigs monocromàtics cau sobre la placa, que són estrictament paral·lels entre si. Però a principis del segle XX, la font de llum era el sol, les espelmes i les simples làmpades incandescents. Per fer el feix de raigs paral·lel, es van construir sistemes de lents complexos. I en aquest cas, la corba d'intensitat lluminosa de la font va ser el factor més important.
A la classe de física sovint es diu que els raigs provenen d'un punt. Però els generadors de llum reals tenen certes dimensions. A més, el centre d'un filament pot emetre més fotons que les vores. Com a resultat, el llum il·lumina algunes zones del seu voltant millor que altres. La línia que recorre tot l'espai amb la mateixa il·luminació d'una font determinada s'anomena corba d'intensitat lluminosa.
Lluna de sang i eclipsi parcial
Les novel·les de vampirs estan plenes de terribles transformacions que succeeixen a les persones i a la natura a la lluna de sang. Però no diu que aquest fenomen no s'hagi de témer. Perquè és el resultat de la gran mida del Sol. El diàmetre de la nostra estrella central és d'aproximadament 110 diàmetres terrestres. Al mateix temps, els fotons emesos tant per una com per l' altra vora del disc visible arriben a la superfície del planeta. Així, quan la Lluna cau a la penombra de la Terra, no queda completament enfosquida, sinó que, per dir-ho, es torna vermella. L'atmosfera del planeta també és la culpable d'aquesta tonalitat: absorbeix totes les longituds d'ona visibles, excepte les de color taronja. Recordeu que el Sol també es torna vermell al capvespre, i tot precisament perquè travessa una capa més gruixuda de l'atmosfera.
Com es crea la capa d'ozó de la Terra?
Un lector meticulós pot preguntar-se: "Què té a veure la pressió de la llum amb els experiments de Lebedev?" L'efecte químic de la llum, per cert, també es deu al fet que el fotó porta impuls. És a dir, aquest fenomen és responsable d'algunes capes de l'atmosfera del planeta.
Com ja sabeu, el nostre oceà d'aire absorbeix principalment el component ultraviolat de la llum solar. A més, la vida en una forma coneguda seria impossible si la superfície rocosa de la terra es banyés amb llum ultraviolada. Però a uns 100 km d' altitud, l'atmosfera encara no és prou espessa per absorbir-ho tot. I l'ultraviolat té l'oportunitat d'interaccionar directament amb l'oxigen. Trenca les molècules O2 enàtoms lliures i promou la seva combinació en una altra modificació: O3. En la seva forma pura, aquest gas és mortal. És per això que s'utilitza per desinfectar l'aire, l'aigua, la roba. Però com a part de l'atmosfera terrestre, protegeix tots els éssers vius dels efectes de la radiació nociva, perquè la capa d'ozó absorbeix de manera molt eficaç quantes del camp electromagnètic amb energies per sobre de l'espectre visible.
