Vandaag zullen we praten over Lebedevs experiment om de druk van lichtfotonen te bewijzen. We zullen het belang van deze ontdekking onthullen en de achtergrond die ertoe heeft geleid.
Kennis is nieuwsgierigheid
Er zijn twee standpunten over het fenomeen nieuwsgierigheid. De ene wordt uitgedrukt door het gezegde "nieuwsgierig Varvara's neus werd afgescheurd op de markt", en de andere - door het gezegde "nieuwsgierigheid is geen ondeugd". Deze paradox is gemakkelijk op te lossen als men onderscheid maakt tussen gebieden waarvoor interesse niet welkom is of juist wel nodig is.
Johannes Kepler is niet geboren om een wetenschapper te worden: zijn vader vocht in de oorlog en zijn moeder had een taverne. Maar hij had buitengewone capaciteiten en was natuurlijk nieuwsgierig. Daarnaast leed Kepler aan een ernstige visuele beperking. Maar hij was het die ontdekkingen deed, waardoor de wetenschap en de hele wereld zijn waar ze nu zijn. Johannes Kepler staat bekend om het verduidelijken van het planetenstelsel van Copernicus, maar vandaag zullen we het hebben over andere prestaties van de wetenschapper.
Traagheid en golflengte: een middeleeuwse erfenis
Vijftigduizend jaar geleden behoorden wiskunde en natuurkunde tot de sectie 'Kunst'. Daarom hield Copernicus zich bezig met de mechanica van de beweging van lichamen (inclusief hemellichamen), en optica en zwaartekracht. Hij was het die het bestaan van traagheid bewees. uit de conclusiesDeze wetenschapper ontwikkelde moderne mechanica, het concept van de interacties van lichamen, de wetenschap van de uitwisseling van snelheden van contact makende objecten. Copernicus ontwikkelde ook een harmonieus systeem van lineaire optica.
Hij introduceerde concepten zoals:
- "breking van licht";
- "breking";
- "optische as";
- "totale interne reflectie";
- "verlichting".
En zijn onderzoek bewees uiteindelijk het golfkarakter van licht en leidde tot Lebedevs experiment om de druk van fotonen te meten.
Kwantumeigenschappen van licht
Allereerst is het de moeite waard om de essentie van licht te definiëren en te praten over wat het is. Een foton is een kwantum van een elektromagnetisch veld. Het is een pakket van energie dat zich als geheel door de ruimte beweegt. Je kunt een beetje energie van een foton niet "bijten", maar het kan wel worden getransformeerd. Als licht bijvoorbeeld wordt geabsorbeerd door een stof, kan de energie ervan in het lichaam veranderingen ondergaan en een foton met een andere energie terugzenden. Maar formeel zal dit niet dezelfde hoeveelheid licht zijn die werd geabsorbeerd.
Een voorbeeld hiervan is een stevige metalen bal. Als een stuk materie van het oppervlak wordt gescheurd, zal de vorm veranderen, het zal ophouden bolvormig te zijn. Maar als je het hele object smelt, wat vloeibaar metaal neemt en dan een kleinere bal maakt van de restanten, dan wordt het weer een bol, maar anders, niet hetzelfde als voorheen.
Golfeigenschappen van licht
Fotonen hebben de eigenschappen van een golf. Basisparameters zijn:
- golflengte (karakteriseert ruimte);
- frequentie (kenmerkttijd);
- amplitude (kenmerkt de sterkte van de oscillatie).
Als een kwantum van een elektromagnetisch veld heeft een foton echter ook een voortplantingsrichting (aangeduid als een golfvector). Bovendien kan de amplitudevector rond de golfvector roteren en golfpolarisatie creëren. Bij de gelijktijdige emissie van meerdere fotonen wordt ook de fase, of liever het faseverschil, een belangrijke factor. Bedenk dat de fase dat deel van de oscillatie is dat het golffront op een bepaald moment in de tijd heeft (stijging, maximum, daling of minimum).
Massa en energie
Zoals Einstein geestig bewees, is massa energie. Maar in elk specifiek geval kan het zoeken naar een wet volgens welke de ene waarde in de andere verandert, moeilijk zijn. Alle bovengenoemde golfkarakteristieken van licht zijn nauw verwant aan energie. Namelijk: het vergroten van de golflengte en het verlagen van de frequentie betekent minder energie. Maar aangezien er energie is, moet het foton massa hebben, daarom moet er lichte druk zijn.
Ervaar structuur
Omdat fotonen echter erg klein zijn, zou hun massa ook klein moeten zijn. Het was een moeilijke technische taak om een apparaat te bouwen dat het met voldoende nauwkeurigheid kon bepalen. De Russische wetenschapper Lebedev Petr Nikolajevitsj was de eerste die ermee omging.
Het experiment zelf was gebaseerd op het ontwerp van de gewichten die het torsiemoment bepaalden. Aan een zilverdraad werd een dwarslat gehangen. Aan de uiteinden waren identieke dunne platen van verschillendematerialen. Meestal werden metalen (zilver, goud, nikkel) gebruikt in het experiment van Lebedev, maar er was ook mica. De hele structuur werd in een glazen vat geplaatst, waarin een vacuüm werd gecreëerd. Daarna werd één plaat verlicht, terwijl de andere in de schaduw bleef. De ervaring van Lebedev bewees dat verlichting van één kant ertoe leidt dat de weegschaal begint te draaien. Volgens de afwijkingshoek beoordeelde de wetenschapper de sterkte van het licht.
Ervaar moeilijkheden
Aan het begin van de twintigste eeuw was het moeilijk om een voldoende nauwkeurig experiment op te zetten. Elke natuurkundige wist hoe hij een vacuüm moest creëren, met glas moest werken en oppervlakken moest polijsten. In feite werd kennis handmatig verkregen. In die tijd waren er geen grote bedrijven die de benodigde apparatuur in honderden stukken zouden produceren. Het apparaat van Lebedev is met de hand gemaakt, dus de wetenschapper had een aantal problemen.
Het vacuüm in die tijd was niet eens gemiddeld. De wetenschapper pompte met een speciale pomp lucht onder een glazen kap vandaan. Maar het experiment vond op zijn best plaats in een ijle atmosfeer. Het was moeilijk om de lichtdruk (impulsoverdracht) te scheiden van de verwarming van de verlichte kant van het apparaat: het belangrijkste obstakel was de aanwezigheid van gas. Als het experiment in een diep vacuüm zou worden uitgevoerd, zouden er geen moleculen zijn waarvan de Brownse beweging aan de verlichte kant sterker zou zijn.
De gevoeligheid van de afbuighoek liet veel te wensen over. Moderne schroefvinders kunnen hoeken meten tot op een miljoenste van een radiaal. Aan het begin van de negentiende eeuw was de schaal met het blote oog te zien. Techniektijd kon niet identiek gewicht en grootte van de platen opleveren. Dit maakte het op zijn beurt onmogelijk om de massa gelijkmatig te verdelen, wat ook problemen veroorzaakte bij het bepalen van het koppel.
De isolatie en structuur van de draad hebben grote invloed op het resultaat. Als een uiteinde van het metalen stuk om de een of andere reden meer werd verwarmd (dit wordt een temperatuurgradiënt genoemd), dan zou de draad kunnen beginnen te draaien zonder lichte druk. Ondanks het feit dat het apparaat van Lebedev vrij eenvoudig was en een grote fout gaf, werd het feit van impulsoverdracht door fotonen van licht bevestigd.
Vorm van verlichtingsplaten
In het vorige gedeelte werden veel technische problemen genoemd die in het experiment bestonden, maar die geen invloed hadden op het belangrijkste - licht. Puur theoretisch stellen we ons voor dat een bundel monochromatische stralen op de plaat v alt, die strikt evenwijdig aan elkaar zijn. Maar aan het begin van de twintigste eeuw waren de zon, kaarsen en eenvoudige gloeilampen de lichtbron. Om de stralenbundel evenwijdig te maken, werden complexe lenssystemen gebouwd. En in dit geval was de lichtsterktecurve van de bron de belangrijkste factor.
In de natuurkundeles wordt vaak gezegd dat stralen uit één punt komen. Maar echte lichtgeneratoren hebben bepaalde afmetingen. Ook kan het midden van een gloeidraad meer fotonen uitzenden dan de randen. Hierdoor verlicht de lamp sommige gebieden eromheen beter dan andere. De lijn die door de hele ruimte loopt met dezelfde verlichting van een bepaalde bron, wordt de lichtsterktecurve genoemd.
Bloedmaan en gedeeltelijke zonsverduistering
Vampierromans staan vol met verschrikkelijke transformaties die mensen en de natuur in de bloedmaan overkomen. Maar er staat niet dat dit fenomeen niet gevreesd hoeft te worden. Omdat het het resultaat is van de grote omvang van de zon. De diameter van onze centrale ster is ongeveer 110 diameters van de aarde. Tegelijkertijd bereiken fotonen die worden uitgezonden door zowel de ene als de andere rand van de zichtbare schijf het oppervlak van de planeet. Dus wanneer de maan in de halfschaduw van de aarde v alt, wordt ze niet volledig verduisterd, maar wordt ze als het ware rood. De atmosfeer van de planeet is ook verantwoordelijk voor deze schaduw: het absorbeert alle zichtbare golflengten, behalve oranje. Bedenk dat de zon ook rood wordt bij zonsondergang, en dat allemaal precies omdat hij door een dikkere laag van de atmosfeer gaat.
Hoe ontstaat de ozonlaag van de aarde?
Een nauwgezette lezer kan zich afvragen: "Wat heeft de lichtdruk te maken met de experimenten van Lebedev?" Het chemische effect van licht is trouwens ook te wijten aan het feit dat het foton momentum draagt. Dit fenomeen is namelijk verantwoordelijk voor sommige lagen van de atmosfeer van de planeet.
Zoals je weet, absorbeert onze luchtoceaan voornamelijk de ultraviolette component van zonlicht. Bovendien zou leven in een bekende vorm onmogelijk zijn als het rotsachtige oppervlak van de aarde zou baden in ultraviolet licht. Maar op een hoogte van zo'n 100 km is de atmosfeer nog niet dik genoeg om alles op te nemen. En ultraviolet krijgt de mogelijkheid om rechtstreeks met zuurstof in wisselwerking te staan. Het breekt de moleculen O2 invrije atomen en bevordert hun combinatie in een andere wijziging - O3. In zijn pure vorm is dit gas dodelijk. Daarom wordt het gebruikt om lucht, water, kleding te desinfecteren. Maar als onderdeel van de atmosfeer van de aarde beschermt het alle levende wezens tegen de effecten van schadelijke straling, omdat de ozonlaag zeer effectief kwanta van het elektromagnetische veld absorbeert met energieën boven het zichtbare spectrum.
