Bugün Lebedev'in ışık fotonlarının basıncını kanıtlama deneyinden bahsedeceğiz. Bu keşfin önemini ve buna yol açan arka planı ortaya çıkaracağız.
Bilgi meraktır
Merak olgusu hakkında iki bakış açısı vardır. Biri "meraklı Varvara'nın burnu pazarda yırtıldı", diğeri ise "merak kusur değildir" sözüyle ifade edilir. Bu paradoks, ilginin hoş karşılanmadığı veya tam tersine ihtiyaç duyulan alanlar arasında ayrım yapıldığında kolayca çözülebilir.
Johannes Kepler bilim adamı olmak için doğmadı: babası savaşta savaştı ve annesi bir meyhane işletti. Ama olağanüstü yetenekleri vardı ve elbette meraklıydı. Ek olarak, Kepler ciddi bir görme bozukluğundan muzdaripti. Ancak, hangi bilim ve tüm dünyanın şu anda bulundukları yerde olduğu sayesinde keşifler yapan oydu. Johannes Kepler, Kopernik'in gezegen sistemini aydınlatmasıyla ünlüdür, ancak bugün bilim adamının diğer başarılarından bahsedeceğiz.
Atalet ve Dalga Boyu: Bir Orta Çağ Mirası
Elli bin yıl önce matematik ve fizik "Sanat" bölümüne aitti. Bu nedenle, Kopernik, cisimlerin (göksel olanlar dahil) hareketinin mekaniği, optik ve yerçekimi ile uğraştı. Eylemsizliğin varlığını kanıtlayan oydu. SonuçlardanBu bilim adamı, modern mekaniği, cisimlerin etkileşimi kavramını, temas eden nesnelerin hızlarının değişiminin bilimini geliştirdi. Copernicus ayrıca uyumlu bir lineer optik sistemi geliştirdi.
Şunun gibi kavramları tanıttı:
- "ışığın kırılması";
- "kırılma";
- "optik eksen";
- "toplam iç yansıma";
- "aydınlatma".
Ve araştırması sonunda ışığın dalga doğasını kanıtladı ve Lebedev'in fotonların basıncını ölçme deneyine yol açtı.
Işığın kuantum özellikleri
Öncelikle ışığın özünü tanımlamaya ve ne olduğundan bahsetmeye değer. Bir foton, bir elektromanyetik alanın kuantumudur. Bir bütün olarak uzayda hareket eden bir enerji paketidir. Bir fotondan birazcık enerji "ısıramazsınız", ancak dönüştürülebilir. Örneğin, ışık bir madde tarafından emilirse, o zaman vücudun içinde enerjisi değişime uğrayabilir ve farklı bir enerjiye sahip bir foton yayabilir. Ama resmi olarak, bu emilen ışık miktarıyla aynı olmayacak.
Bunun bir örneği, sağlam bir metal top olabilir. Bir madde yüzeyinden koparsa şekli değişir, küre olmaktan çıkar. Ancak tüm nesneyi eritirseniz, biraz sıvı metal alırsanız ve ardından kalıntılardan daha küçük bir top oluşturursanız, o zaman yine bir küre olacaktır, ancak farklı, eskisi gibi olmayacaktır.
Işığın dalga özellikleri
Fotolar bir dalganın özelliklerine sahiptir. Temel parametreler:
- dalga boyu (boşluğu karakterize eder);
- frekans (karakterize ederzaman);
- genlik (salınımın gücünü karakterize eder).
Ancak, bir elektromanyetik alanın kuantumu olarak, bir fotonun aynı zamanda bir yayılma yönü vardır (dalga vektörü olarak gösterilir). Ek olarak, genlik vektörü dalga vektörü etrafında dönebilir ve dalga polarizasyonu oluşturabilir. Birkaç fotonun eşzamanlı emisyonu ile faz veya daha doğrusu faz farkı da önemli bir faktör haline gelir. Fazın, dalga cephesinin zaman içinde belirli bir anda (yükselme, maksimum, alçalma veya minimum) sahip olduğu salınımın parçası olduğunu hatırlayın.
Kütle ve enerji
Einstein'ın zekice kanıtladığı gibi, kütle enerjidir. Ancak her özel durumda, bir değerin diğerine dönüştüğü bir yasa arayışı zor olabilir. Işığın yukarıdaki dalga özelliklerinin tümü, enerji ile yakından ilişkilidir. Yani: dalga boyunu arttırmak ve frekansı az altmak daha az enerji demektir. Ama enerji olduğuna göre fotonun kütlesi olmalı, dolayısıyla hafif basınç olmalı.
Deneyim yapısı
Ancak, fotonlar çok küçük olduğu için kütleleri de küçük olmalıdır. Onu yeterli doğrulukla belirleyebilecek bir cihaz yapmak zor bir teknik görevdi. Rus bilim adamı Lebedev Petr Nikolaevich bununla başa çıkan ilk kişi oldu.
Deneyin kendisi, burulma momentini belirleyen ağırlıkların tasarımına dayanıyordu. Gümüş bir ipe bir çapraz çubuk asıldı. Uçlarına çeşitli şekillerden aynı ince plakalar yapıştırılmıştır.malzemeler. Lebedev'in deneyinde çoğunlukla metaller (gümüş, altın, nikel) kullanıldı, ancak mika da vardı. Tüm yapı, içinde bir vakumun oluşturulduğu bir cam kaba yerleştirildi. Bundan sonra bir plaka aydınlanırken diğeri gölgede kaldı. Lebedev'in deneyimi, bir tarafın aydınlatılmasının, terazinin dönmeye başlamasına yol açtığını kanıtladı. Bilim adamı, sapma açısına göre ışığın gücünü değerlendirdi.
Yaşanan zorluklar
Yirminci yüzyılın başında, yeterince doğru bir deney oluşturmak zordu. Her fizikçi bir vakum yaratmayı, camla çalışmayı ve yüzeyleri cilalamayı biliyordu. Aslında, bilgi elle elde edildi. O zamanlar gerekli ekipmanı yüzlerce parça halinde üretecek büyük şirketler yoktu. Lebedev'in cihazı elle yapıldı, bu yüzden bilim adamı bir takım zorluklarla karşılaştı.
O zamanki boşluk ortalama bile değildi. Bilim adamı, özel bir pompa ile cam bir kapağın altından hava pompaladı. Ancak deney en iyi ihtimalle nadir bulunan bir atmosferde gerçekleşti. Işık basıncını (impuls aktarımı) cihazın aydınlatılmış tarafının ısınmasından ayırmak zordu: ana engel gazın varlığıydı. Deney derin bir vakumda gerçekleştirilseydi, aydınlatılmış taraftaki Brownian hareketi daha güçlü olacak hiçbir molekül olmazdı.
Sapma açısının hassasiyeti arzulanan çok şey bıraktı. Modern vida bulucular, açıları bir radyanın milyonda birine kadar ölçebilir. On dokuzuncu yüzyılın başlarında, ölçek çıplak gözle görülebiliyordu. teknikzaman plakaların aynı ağırlık ve boyutunu sağlayamadı. Bu da kütleyi eşit olarak dağıtmayı imkansız hale getirdi ve bu da torkun belirlenmesinde zorluklar yarattı.
İpliğin yalıtımı ve yapısı sonucu büyük ölçüde etkiler. Metal parçanın bir ucu herhangi bir nedenle daha fazla ısıtılırsa (buna sıcaklık gradyanı denir), o zaman tel hafif basınç olmadan bükülmeye başlayabilir. Lebedev'in cihazının oldukça basit olmasına ve büyük bir hata vermesine rağmen, ışık fotonları ile momentum aktarımı gerçeği doğrulandı.
Aydınlatma plakalarının şekli
Önceki bölüm, deneyde var olan ancak ana şeyi etkilemeyen birçok teknik zorluğu listeledi - ışık. Tamamen teorik olarak, plaka üzerine birbirine kesinlikle paralel olan bir monokromatik ışın demetinin düştüğünü hayal ediyoruz. Ancak yirminci yüzyılın başında ışık kaynağı güneş, mumlar ve basit akkor lambalardı. Işın demetini paralel yapmak için karmaşık mercek sistemleri inşa edildi. Ve bu durumda kaynağın ışık şiddeti eğrisi en önemli faktördü.
Fizik dersinde genellikle ışınların bir noktadan geldiği söylenir. Ancak gerçek ışık jeneratörlerinin belirli boyutları vardır. Ayrıca, bir filamanın ortası, kenarlarından daha fazla foton yayabilir. Sonuç olarak, lamba etrafındaki bazı alanları diğerlerinden daha iyi aydınlatır. Belirli bir kaynaktan gelen aynı aydınlatma ile tüm uzayı dolaşan çizgiye ışık şiddeti eğrisi denir.
Kanlı ay ve parçalı tutulma
Vampir romanları, kanlı ayda insanların ve doğanın başına gelen korkunç dönüşümlerle doludur. Ancak bu fenomenden korkulmamalı demiyor. Çünkü Güneş'in büyüklüğünün bir sonucudur. Merkez yıldızımızın çapı yaklaşık 110 Dünya çapıdır. Aynı zamanda, görünür diskin hem bir hem de diğer ucundan yayılan fotonlar gezegenin yüzeyine ulaşır. Böylece, Ay, Dünya'nın yarı gölgesine düştüğünde, tamamen gizlenmez, ancak olduğu gibi kırmızıya döner. Gezegenin atmosferi de bu gölgeden sorumludur: turuncu olanlar hariç tüm görünür dalga boylarını emer. Unutmayın, Güneş de gün batımında kırmızıya döner ve bunun nedeni atmosferin daha kalın bir katmanından geçmesidir.
Dünya'nın ozon tabakası nasıl oluşur?
Titiz bir okuyucu şunu sorabilir: "Işık basıncının Lebedev'in deneyleriyle ne ilgisi var?" Bu arada ışığın kimyasal etkisi de fotonun momentum taşımasından kaynaklanmaktadır. Yani bu fenomen gezegenin atmosferinin bazı katmanlarından sorumludur.
Bildiğiniz gibi, hava okyanusumuz esas olarak güneş ışığının ultraviyole bileşenini emer. Ayrıca, dünyanın kayalık yüzeyi ultraviyole ışıkla yıkanmış olsaydı, bilinen bir biçimde yaşam imkansız olurdu. Ancak yaklaşık 100 km yükseklikte, atmosfer henüz her şeyi emecek kadar kalın değil. Ve ultraviyole, oksijenle doğrudan etkileşime girme fırsatını yakalar. O2 moleküllerini parçalara ayırır.atomları serbest bırakır ve kombinasyonlarını başka bir modifikasyona teşvik eder - O3. Saf haliyle, bu gaz ölümcüldür. Bu nedenle havayı, suyu, giysileri dezenfekte etmek için kullanılır. Ancak dünya atmosferinin bir parçası olarak, tüm canlıları zararlı radyasyonun etkilerinden korur, çünkü ozon tabakası, görünür spektrumun üzerindeki enerjilere sahip elektromanyetik alanın kuantumlarını çok etkili bir şekilde emer.
