Vandaag zullen we een gesprek wijden aan een fenomeen als lichte druk. Overweeg de premissen van de ontdekking en de gevolgen voor de wetenschap.
Licht en kleur
Het mysterie van menselijke vermogens houdt mensen al sinds de oudheid bezig. Hoe ziet het oog? Waarom zijn er kleuren? Wat is de reden dat de wereld is zoals wij die waarnemen? Hoe ver kan een mens kijken? In de 17e eeuw voerde Newton experimenten uit met de ontleding van een zonnestraal in een spectrum. Hij legde ook een strikt wiskundig fundament voor een aantal ongelijksoortige feiten die in die tijd bekend waren over licht. En de Newtoniaanse theorie voorspelde veel: bijvoorbeeld ontdekkingen die alleen de kwantumfysica verklaarde (de afbuiging van licht in een zwaartekrachtveld). Maar de fysica van die tijd kende en begreep de exacte aard van licht niet.
Golf of deeltje
Sinds wetenschappers over de hele wereld begonnen door te dringen in de essentie van licht, is er een debat geweest: wat is straling, een golf of een deeltje (lichaampje)? Enkele feiten (breking, reflectie en polarisatie) bevestigden de eerste theorie. Anderen (rechtlijnige voortplanting bij afwezigheid van obstakels, lichte druk) - de tweede. Alleen de kwantumfysica was echter in staat om dit geschil te kalmeren door de twee versies in één te combineren.algemeen. De corpusculaire golftheorie stelt dat elk microdeeltje, inclusief een foton, zowel de eigenschappen van een golf als een deeltje heeft. Dat wil zeggen, een lichtkwantum heeft kenmerken als frequentie, amplitude en golflengte, evenals momentum en massa. Laten we meteen een reservering maken: fotonen hebben geen rustmassa. Omdat ze een kwantum van het elektromagnetische veld zijn, dragen ze energie en massa alleen tijdens het bewegingsproces. Dit is de essentie van het begrip "licht". Natuurkunde heeft het nu voldoende gedetailleerd uitgelegd.
Golflengte en energie
Iets daarboven werd het begrip "golfenergie" genoemd. Einstein bewees overtuigend dat energie en massa identieke concepten zijn. Als een foton energie draagt, moet het massa hebben. Een lichtkwantum is echter een "sluw" deeltje: wanneer een foton op een obstakel botst, geeft het zijn energie volledig af aan de materie, wordt het en verliest zijn individuele essentie. Tegelijkertijd kunnen bepaalde omstandigheden (bijvoorbeeld sterke verwarming) ervoor zorgen dat het voorheen donkere en rustige interieur van metalen en gassen licht uitstra alt. Het momentum van een foton, een direct gevolg van de aanwezigheid van massa, kan worden bepaald met behulp van de lichtdruk. De experimenten van Lebedev, een onderzoeker uit Rusland, hebben dit verbazingwekkende feit overtuigend bewezen.
Lebedevs experiment
Russische wetenschapper Petr Nikolajevitsj Lebedev deed in 1899 het volgende experiment. Aan een dunne zilverdraad hing hij een dwarsbalk. Aan de uiteinden van de dwarsbalk bevestigde de wetenschapper twee platen van dezelfde stof. Dit waren zilverfolie, en goud, en zelfs mica. Zo ontstond een soort weegschaal. Alleen maten ze het gewicht niet van de last die van bovenaf drukt, maar van de last die vanaf de zijkant op elk van de platen drukt. Lebedev plaatste deze hele structuur onder een glazen kap zodat de wind en willekeurige schommelingen in de luchtdichtheid er geen invloed op konden uitoefenen. Verder zou ik willen schrijven dat hij een vacuüm heeft gecreëerd onder het deksel. Maar in die tijd was zelfs een gemiddeld vacuüm onmogelijk te bereiken. Dus we zeggen dat hij een zeer ijle atmosfeer creëerde onder de glazen kap. En belicht afwisselend de ene plaat, de andere in de schaduw. De hoeveelheid op de oppervlakken gericht licht was vooraf bepaald. Vanuit de afbuighoek bepaalde Lebedev welk momentum het licht naar de platen doorgaf.
Formules voor het bepalen van de druk van elektromagnetische straling bij normale bundelinval
Laten we eerst uitleggen wat een "normale val" is? Licht v alt normaal op een oppervlak in als het strikt loodrecht op het oppervlak is gericht. Dit stelt beperkingen aan het probleem: het oppervlak moet perfect glad zijn en de stralingsbundel moet zeer nauwkeurig worden gericht. In dit geval wordt de lichte druk berekend met de formule:
p=(1-k+ρ)I/c, waar
k is de transmissie, ρ is de reflectiecoëfficiënt, I is de intensiteit van de invallende lichtstraal, c is de lichtsnelheid in vacuüm.
Maar waarschijnlijk heeft de lezer al geraden dat zo'n ideale combinatie van factoren niet bestaat. Zelfs als er geen rekening wordt gehouden met het ideale oppervlak, is het nogal moeilijk om de lichtinval strikt loodrecht te organiseren.
Formules voorhet bepalen van de druk van elektromagnetische straling wanneer deze onder een hoek v alt
De druk van licht op een spiegelend oppervlak onder een hoek wordt berekend met een andere formule die al elementen van vectoren bevat:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
De waarden p, i, i' zijn vectoren. In dit geval zijn k en ρ, zoals in de vorige formule, respectievelijk de transmissie- en reflectiecoëfficiënten. De nieuwe waarden betekenen het volgende:
- ω – volumedichtheid van stralingsenergie;
- i en i' zijn eenheidsvectoren die de richting van de invallende en gereflecteerde lichtstraal aangeven (ze geven de richting aan waarin de werkende krachten moeten worden opgeteld);
- ϴ - hoek met de normaal waarop de lichtstraal v alt (en dienovereenkomstig wordt gereflecteerd, aangezien het oppervlak wordt gespiegeld).
Herinner de lezer eraan dat de normaal loodrecht op het oppervlak staat, dus als het probleem de hoek van lichtinval op het oppervlak wordt gegeven, dan is ϴ 90 graden minus de gegeven waarde.
Toepassing van het fenomeen van elektromagnetische stralingsdruk
Een student die natuurkunde studeert, vindt veel formules, concepten en fenomenen saai. Omdat de leraar in de regel de theoretische aspecten vertelt, maar zelden voorbeelden kan geven van de voordelen van bepaalde verschijnselen. Laten we de schoolmentoren hier niet de schuld van geven: ze zijn erg beperkt door het programma, tijdens de les moet je uitgebreid materiaal vertellen en toch tijd hebben om de kennis van de studenten te controleren.
Desalniettemin heeft het object van onze studie veelinteressante toepassingen:
- Nu kan bijna elke student in het laboratorium van zijn onderwijsinstelling het experiment van Lebedev herhalen. Maar toen was het samenvallen van experimentele gegevens met theoretische berekeningen een echte doorbraak. Het experiment, dat voor het eerst werd uitgevoerd met een fout van 20%, stelde wetenschappers over de hele wereld in staat een nieuwe tak van de natuurkunde te ontwikkelen: kwantumoptica.
- Productie van hoogenergetische protonen (bijvoorbeeld voor bestraling van verschillende stoffen) door dunne films te versnellen met een laserpuls.
- Rekening houdend met de druk van de elektromagnetische straling van de zon op het oppervlak van nabije aardse objecten, inclusief satellieten en ruimtestations, kun je hun baan nauwkeuriger corrigeren en voorkomen dat deze apparaten naar de aarde vallen.
De bovenstaande applicaties bestaan nu in de echte wereld. Maar er zijn ook potentiële kansen die nog niet zijn gerealiseerd, omdat de technologie van de mens nog niet het vereiste niveau heeft bereikt. Onder hen:
- Zonnezeil. Met zijn hulp zou het mogelijk zijn om vrij grote ladingen te verplaatsen in de buurt van de aarde en zelfs in de buurt van de zon. Licht geeft een kleine impuls, maar met de juiste positie van het zeiloppervlak zou de versnelling constant zijn. Als er geen wrijving is, is het voldoende om snelheid te winnen en goederen naar het gewenste punt in het zonnestelsel te brengen.
- Fotonische motor. Deze technologie zal iemand misschien in staat stellen de aantrekkingskracht van zijn eigen ster te overwinnen en naar andere werelden te vliegen. Het verschil met een zonnezeil is dat een kunstmatig gemaakt apparaat, bijvoorbeeld een thermonucleair apparaat, zonnepulsen zal genereren.motor.
