Danas ćemo posvetiti razgovor takvom fenomenu kao što je lagani pritisak. Razmotrite premise otkrića i posljedice za nauku.
Svjetlo i boja
Misterija ljudskih sposobnosti zabrinjava ljude od davnina. Kako oko vidi? Zašto boje postoje? Koji je razlog zašto je svijet onakav kakav ga doživljavamo? Koliko daleko čovek može da vidi? Eksperimente sa razlaganjem sunčevog zraka u spektar izveo je Njutn u 17. veku. Takođe je postavio stroge matematičke osnove za brojne različite činjenice koje su u to vreme bile poznate o svetlosti. I Njutnova teorija je mnogo toga predvidjela: na primer, otkrića koja je objasnila samo kvantna fizika (otklon svetlosti u gravitacionom polju). Ali fizika tog vremena nije znala i nije razumjela tačnu prirodu svjetlosti.
Talas ili čestica
Od kada su naučnici širom sveta počeli da prodiru u suštinu svetlosti, vodila se debata: šta je zračenje, talas ili čestica (telešca)? Neke činjenice (refrakcija, refleksija i polarizacija) potvrdile su prvu teoriju. Drugi (pravolinijsko širenje u odsustvu prepreka, lagani pritisak) - drugi. Međutim, samo je kvantna fizika uspjela da smiri ovaj spor spajanjem dvije verzije u jednu.general. Teorija korpuskularnog talasa kaže da svaka mikročestica, uključujući foton, ima svojstva talasa i čestice. Odnosno, kvant svjetlosti ima takve karakteristike kao što su frekvencija, amplituda i valna dužina, kao i impuls i masa. Odmah da rezervišemo: fotoni nemaju masu mirovanja. Budući da su kvant elektromagnetnog polja, oni prenose energiju i masu samo u procesu kretanja. Ovo je suština koncepta "svetlosti". Fizika je to sada dovoljno detaljno objasnila.
Talasna dužina i energija
Nešto iznad je spomenut koncept "talasne energije". Einstein je uvjerljivo dokazao da su energija i masa identični pojmovi. Ako foton nosi energiju, mora imati masu. Međutim, kvant svjetlosti je „lukava“čestica: kada se foton sudari sa preprekom, on potpuno predaje svoju energiju materiji, postaje to i gubi svoju individualnu suštinu. Istovremeno, određene okolnosti (jako zagrijavanje, na primjer) mogu uzrokovati da ranije tamne i mirne unutrašnjosti metala i plinova emituju svjetlost. Impuls fotona, direktna posledica prisustva mase, može se odrediti pomoću pritiska svetlosti. Eksperimenti Lebedeva, istraživača iz Rusije, ubedljivo su dokazali ovu neverovatnu činjenicu.
Lebedev eksperiment
Ruski naučnik Petr Nikolajevič Lebedev je 1899. godine napravio sledeći eksperiment. Na tanki srebrni konac okačio je prečku. Na krajeve prečke naučnik je pričvrstio dvije ploče iste supstance. To je bila srebrna folija, i zlatna, pa čak i liskun. Tako su nastale svojevrsne skale. Samo su oni mjerili težinu ne tereta koji pritiska odozgo, već tereta koji pritiska sa strane na svaku od ploča. Lebedev je cijelu ovu konstrukciju smjestio pod stakleni poklopac tako da vjetar i nasumične fluktuacije gustine zraka ne mogu utjecati na nju. Nadalje, želio bih napisati da je stvorio vakuum ispod poklopca. Ali u to vrijeme, čak i prosječan vakuum nije bilo moguće postići. Dakle, kažemo da je stvorio vrlo rijetku atmosferu ispod staklenog poklopca. I naizmjenično osvjetljavao jednu ploču, ostavljajući drugu u sjeni. Količina svjetlosti usmjerena na površine je unaprijed određena. Iz ugla otklona, Lebedev je odredio koliki je impuls prenosio svjetlost na ploče.
Formule za određivanje pritiska elektromagnetnog zračenja pri normalnom upadu zraka
Da prvo objasnimo šta je "normalan pad"? Svjetlost normalno pada na površinu ako je usmjerena striktno okomito na površinu. Ovo nameće ograničenja problemu: površina mora biti savršeno glatka, a snop zračenja mora biti usmjeren vrlo precizno. U ovom slučaju, svjetlosni pritisak se izračunava po formuli:
p=(1-k+ρ)I/c, gdje
k je propusnost, ρ je koeficijent refleksije, I je intenzitet upadnog svjetlosnog snopa, c je brzina svjetlosti u vakuumu.
Ali, vjerovatno je čitalac već pretpostavio da takva idealna kombinacija faktora ne postoji. Čak i ako se idealna površina ne uzme u obzir, prilično je teško organizirati upad svjetlosti strogo okomito.
Formule zaodređivanje pritiska elektromagnetnog zračenja kada ono pada pod uglom
Pritisak svjetlosti na površinu ogledala pod uglom izračunava se korištenjem druge formule koja već sadrži elemente vektora:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Vrijednosti p, i, i' su vektori. U ovom slučaju, k i ρ, kao u prethodnoj formuli, su koeficijenti prijenosa i refleksije, respektivno. Nove vrijednosti znače sljedeće:
- ω – zapreminska gustina energije zračenja;
- i i i' su jedinični vektori koji pokazuju smjer upadnog i reflektovanog snopa svjetlosti (oni postavljaju smjerove u kojima treba dodati djelujuće sile);
- ϴ - ugao u odnosu na normalu pod kojim svetlosni zrak pada (i, shodno tome, reflektuje se, pošto je površina zrcaljena).
Podsjetite čitaoca da je normala okomita na površinu, pa ako je problemu dat ugao upada svjetlosti na površinu, onda je ϴ 90 stepeni minus data vrijednost.
Primjena fenomena pritiska elektromagnetnog zračenja
Učeniku koji studira fiziku mnoge formule, koncepti i fenomeni su dosadni. Jer, po pravilu, nastavnik govori o teoretskim aspektima, ali retko može dati primere o prednostima određenih pojava. Nemojmo kriviti školske mentore za ovo: oni su veoma ograničeni programom, tokom časa morate ispričati obiman materijal i još uvijek imati vremena da provjerite znanje učenika.
Ipak, predmet našeg proučavanja ima mnogozanimljive aplikacije:
- Sada skoro svaki student u laboratoriji svoje obrazovne ustanove može ponoviti Lebedev eksperiment. Ali tada je podudarnost eksperimentalnih podataka sa teorijskim proračunima bio pravi proboj. Eksperiment, napravljen po prvi put sa greškom od 20%, omogućio je naučnicima širom svijeta da razviju novu granu fizike - kvantnu optiku.
- Proizvodnja protona visoke energije (na primjer, za zračenje različitih supstanci) ubrzavanjem tankih filmova laserskim impulsom.
- Uzimanje pritiska elektromagnetnog zračenja Sunca na površinu objekata blizu Zemlje, uključujući satelite i svemirske stanice, omogućava vam da ispravite njihovu orbitu sa većom preciznošću i sprečavate da ovi uređaji padnu na Zemlju.
Gore navedene aplikacije sada postoje u stvarnom svijetu. Ali postoje i potencijalne mogućnosti koje još nisu realizovane, jer tehnologija čovječanstva još nije dostigla potreban nivo. Među njima:
- Solarna jedra. Uz njegovu pomoć bilo bi moguće premjestiti prilično velike terete u blizu Zemlje, pa čak i blizu solarnog prostora. Svjetlost daje mali impuls, ali uz pravilan položaj površine jedra, ubrzanje bi bilo konstantno. U nedostatku trenja, dovoljno je dobiti brzinu i isporučiti robu do željene tačke u solarnom sistemu.
- Photonic engine. Ova tehnologija će možda omogućiti osobi da prevlada privlačnost vlastite zvijezde i odleti u druge svjetove. Razlika od solarnog jedra je u tome što će umjetno stvoren uređaj, na primjer, termonuklearni, generirati solarne impulse.motor.
