Bugün, hafif basınç gibi bir fenomene bir konuşma ayıracağız. Keşfin öncüllerini ve bilim için sonuçlarını düşünün.
Işık ve renk
İnsan yeteneklerinin gizemi, eski zamanlardan beri insanları endişelendirmiştir. Göz nasıl görür? Renkler neden var? Dünyanın bizim algıladığımız gibi olmasının nedeni nedir? Bir insan ne kadar uzağı görebilir? Bir güneş ışınının bir spektruma ayrıştırılmasıyla ilgili deneyler, 17. yüzyılda Newton tarafından gerçekleştirildi. Ayrıca o zamanlar ışık hakkında bilinen bir dizi farklı gerçek için katı bir matematiksel temel oluşturdu. Ve Newton teorisi çok şey öngördü: örneğin, yalnızca kuantum fiziğinin açıkladığı keşifler (ışık alanında yerçekimi alanındaki sapma). Ama o zamanın fiziği ışığın tam doğasını bilmiyordu ve anlamadı.
Dalga veya parçacık
Dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları ışığın özüne nüfuz etmeye başladığından beri, bir tartışma oldu: radyasyon, dalga veya parçacık (yuvarlak) nedir? Bazı gerçekler (kırılma, yansıma ve kutuplaşma) ilk teoriyi doğruladı. Diğerleri (engel yokluğunda doğrusal yayılma, hafif basınç) - ikincisi. Ancak, yalnızca kuantum fiziği, iki versiyonu tek bir versiyonda birleştirerek bu anlaşmazlığı yatıştırabildi.genel. Parçacık-dalga teorisi, bir foton da dahil olmak üzere herhangi bir mikroparçacığın hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olduğunu belirtir. Yani, bir kuantum ışığın frekans, genlik ve dalga boyu ile momentum ve kütle gibi özellikleri vardır. Hemen bir rezervasyon yapalım: fotonların durgun kütlesi yoktur. Elektromanyetik alanın bir kuantumu olarak, yalnızca hareket sürecinde enerji ve kütle taşırlar. "Işık" kavramının özü budur. Fizik şimdi bunu yeterli ayrıntıda açıkladı.
Dalga boyu ve enerji
Biraz yukarıda "dalga enerjisi" kavramından bahsedildi. Einstein, enerji ve kütlenin özdeş kavramlar olduğunu ikna edici bir şekilde kanıtladı. Bir foton enerji taşıyorsa, kütlesi olmalıdır. Bununla birlikte, bir kuantum ışık "kurnaz" bir parçacıktır: bir foton bir engelle çarpıştığında, enerjisini tamamen maddeye bırakır, o olur ve bireysel özünü kaybeder. Aynı zamanda, belirli koşullar (örneğin güçlü ısıtma), metallerin ve gazların önceden karanlık ve sakin olan iç kısımlarının ışık yaymasına neden olabilir. Kütlenin varlığının doğrudan bir sonucu olan bir fotonun momentumu, ışığın basıncı kullanılarak belirlenebilir. Rusya'dan bir araştırmacı olan Lebedev'in deneyleri, bu şaşırtıcı gerçeği inandırıcı bir şekilde kanıtladı.
Lebedev'in deneyi
Rus bilim adamı Petr Nikolaevich Lebedev 1899'da aşağıdaki deneyi yaptı. İnce gümüş bir ipin üzerine bir çapraz çubuk astı. Enine çubuğun uçlarına, bilim adamı aynı maddenin iki plakasını bağladı. Bunlar gümüş folyo, altın ve hatta mika idi. Böylece bir tür ölçek oluşturuldu. Sadece yukarıdan bastıran yükün değil, her bir levhaya yandan baskı yapan yükün ağırlığını ölçtüler. Lebedev, tüm bu yapıyı, rüzgarın ve hava yoğunluğundaki rastgele dalgalanmaların onu etkilememesi için bir cam örtünün altına yerleştirdi. Ayrıca kapak altında bir boşluk yarattığını da yazmak isterim. Ancak o zaman, ortalama bir boşluk bile elde etmek imkansızdı. Yani cam örtünün altında çok nadide bir atmosfer yarattığını söylüyoruz. Ve dönüşümlü olarak bir plakayı aydınlattı, diğerini gölgede bıraktı. Yüzeylere yönlendirilen ışık miktarı önceden belirlenmiştir. Sapma açısından Lebedev, ışığı plakalara hangi momentumun ilettiğini belirledi.
Normal ışın insidansında elektromanyetik radyasyon basıncını belirlemek için formüller
Önce "normal düşüş" nedir onu açıklayalım mı? Işık, yüzeye kesinlikle dik olarak yönlendirilirse, normal olarak bir yüzeye gelir. Bu, soruna kısıtlamalar getirir: yüzey mükemmel bir şekilde pürüzsüz olmalı ve radyasyon ışını çok doğru bir şekilde yönlendirilmelidir. Bu durumda, hafif basınç şu formülle hesaplanır:
p=(1-k+ρ)I/c, nerede
k geçirgenlik, ρ yansıma katsayısı, I gelen ışık demetinin yoğunluğu, c ışığın boşluktaki hızıdır.
Ancak, muhtemelen okuyucu böyle ideal bir faktör kombinasyonunun mevcut olmadığını tahmin etmiştir. İdeal yüzey hesaba katılmasa bile ışığın geliş gidişini tam olarak dik olarak düzenlemek oldukça zordur.
Formüllerbir açıyla düştüğünde elektromanyetik radyasyonun basıncını belirleme
Işığın bir ayna yüzeyindeki bir açıdaki basıncı, zaten vektör öğelerini içeren farklı bir formül kullanılarak hesaplanır:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
p, i, i' değerleri vektörlerdir. Bu durumda k ve ρ önceki formülde olduğu gibi sırasıyla iletim ve yansıma katsayılarıdır. Yeni değerler şu anlama gelir:
- ω – radyasyon enerjisinin hacim yoğunluğu;
- i ve i' olayın ve yansıyan ışık demetinin yönünü gösteren birim vektörlerdir (etki kuvvetlerin eklenmesi gereken yönleri belirlerler);
- ϴ - ışık ışınının düştüğü normalin açısı (ve buna göre yüzey yansıtıldığından yansıtılır).
Okuyucuya normalin yüzeye dik olduğunu hatırlatın, bu nedenle probleme ışığın yüzeye gelme açısı verilirse, o zaman ϴ 90 derece eksi verilen değerdir.
Elektromanyetik radyasyon basıncı olgusunun uygulanması
Fizik okuyan bir öğrenci birçok formülü, kavramı ve olayı sıkıcı bulur. Çünkü, kural olarak, öğretmen teorik yönleri anlatır, ancak nadiren belirli fenomenlerin faydalarına örnekler verebilir. Bunun için okul danışmanlarını suçlamayalım: Program tarafından çok sınırlılar, ders sırasında kapsamlı materyal anlatmanız ve öğrencilerin bilgilerini kontrol etmek için hala zamanınız olması gerekiyor.
Yine de, çalışmamızın amacı birçokilginç uygulamalar:
- Artık eğitim kurumunun laboratuvarındaki hemen hemen her öğrenci Lebedev'in deneyini tekrarlayabilir. Ancak deneysel verilerin teorik hesaplamalarla çakışması gerçek bir atılımdı. İlk kez %20 hatayla yapılan deney, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamlarının yeni bir fizik dalı olan kuantum optiği geliştirmesine olanak sağladı.
- Bir lazer darbesiyle ince filmleri hızlandırarak yüksek enerjili protonların üretimi (örneğin, çeşitli maddelerin ışınlanması için).
- Güneş'in elektromanyetik radyasyonunun uydular ve uzay istasyonları da dahil olmak üzere Dünya'ya yakın nesnelerin yüzeyindeki basıncını hesaba katmak, yörüngelerini daha doğru bir şekilde düzeltmenizi sağlar ve bu cihazların Dünya'ya düşmesini önler.
Yukarıdaki uygulamalar artık gerçek dünyada var. Ancak henüz gerçekleşmemiş potansiyel fırsatlar da var, çünkü insanlığın teknolojisi henüz gerekli seviyeye ulaşmadı. Aralarında:
- Güneş yelkeni. Onun yardımıyla, Dünya'ya yakın ve hatta güneşe yakın uzayda oldukça büyük yükleri taşımak mümkün olacaktı. Işık küçük bir dürtü verir, ancak yelken yüzeyinin doğru konumu ile ivme sabit olacaktır. Sürtünme olmaması durumunda hız kazanmak ve güneş sisteminde istenilen noktaya mal teslim etmek yeterlidir.
- Fotonik motor. Bu teknoloji belki de bir kişinin kendi yıldızının cazibesini aşmasına ve başka dünyalara uçmasına izin verecektir. Bir güneş yelkeninden farkı, yapay olarak oluşturulmuş bir cihazın, örneğin termonükleer bir cihazın güneş darbeleri üretecek olmasıdır.motor.
