Oggi dedicheremo una conversazione a un fenomeno come la pressione leggera. Considera le premesse della scoperta e le conseguenze per la scienza.
Luce e colore
Il mistero delle capacità umane ha preoccupato le persone fin dai tempi antichi. Come vede l'occhio? Perché esistono i colori? Qual è il motivo per cui il mondo è il modo in cui lo percepiamo? Quanto lontano può vedere una persona? Gli esperimenti con la scomposizione di un raggio solare in uno spettro furono condotti da Newton nel XVII secolo. Ha anche posto una rigida base matematica per una serie di fatti disparati che a quel tempo erano conosciuti sulla luce. E la teoria newtoniana prevedeva molto: per esempio, scoperte che solo la fisica quantistica spiegava (la deflessione della luce in un campo gravitazionale). Ma la fisica di quel tempo non conosceva e non comprendeva l'esatta natura della luce.
Onda o particella
Da quando gli scienziati di tutto il mondo hanno iniziato a penetrare nell'essenza della luce, c'è stato un dibattito: cos'è la radiazione, un'onda o una particella (corpuscolo)? Alcuni fatti (rifrazione, riflessione e polarizzazione) hanno confermato la prima teoria. Altri (propagazione rettilinea in assenza di ostacoli, leggera pressione) - il secondo. Tuttavia, solo la fisica quantistica è stata in grado di calmare questa disputa combinando le due versioni in una.generale. La teoria delle onde corpuscolari afferma che qualsiasi microparticella, incluso un fotone, ha sia le proprietà di un'onda che di una particella. Cioè, un quanto di luce ha caratteristiche come frequenza, ampiezza e lunghezza d'onda, così come quantità di moto e massa. Facciamo subito una prenotazione: i fotoni non hanno massa a riposo. Essendo un quanto del campo elettromagnetico, trasportano energia e massa solo nel processo di movimento. Questa è l'essenza del concetto di "luce". La fisica ora l'ha spiegato in modo sufficientemente dettagliato.
Lunghezza d'onda ed energia
Leggermente sopra è stato menzionato il concetto di "energia delle onde". Einstein ha dimostrato in modo convincente che energia e massa sono concetti identici. Se un fotone trasporta energia, deve avere massa. Tuttavia, un quanto di luce è una particella “astuta”: quando un fotone si scontra con un ostacolo, cede completamente la sua energia alla materia, lo diventa e perde la sua essenza individuale. Allo stesso tempo, determinate circostanze (ad esempio un forte riscaldamento) possono far sì che gli interni precedentemente bui e calmi di metalli e gas emettano luce. La quantità di moto di un fotone, conseguenza diretta della presenza di massa, può essere determinata utilizzando la pressione della luce. Gli esperimenti di Lebedev, un ricercatore russo, hanno dimostrato in modo convincente questo fatto sorprendente.
L'esperimento di Lebedev
Lo scienziato russo Petr Nikolaevich Lebedev nel 1899 fece il seguente esperimento. Su un sottile filo d'argento appese una traversa. Alle estremità della traversa, lo scienziato ha attaccato due piastre della stessa sostanza. Questi erano lamina d'argento, oro e persino mica. Così, è stata creata una sorta di bilancia. Solo loro misuravano il peso non del carico che preme dall' alto, ma del carico che preme di lato su ciascuna delle piastre. Lebedev ha posizionato l'intera struttura sotto una copertura di vetro in modo che il vento e le fluttuazioni casuali della densità dell'aria non potessero influenzarla. Inoltre, vorrei scrivere che ha creato un vuoto sotto il coperchio. Ma a quel tempo, anche un vuoto medio era impossibile da raggiungere. Quindi diciamo che ha creato un'atmosfera molto rarefatta sotto la copertura di vetro. E illuminava alternativamente una lastra, lasciando l' altra in ombra. La quantità di luce diretta alle superfici era predeterminata. Dall'angolo di deflessione, Lebedev ha determinato quale slancio trasmetteva la luce alle piastre.
Formule per determinare la pressione della radiazione elettromagnetica alla normale incidenza del raggio
Prima di tutto spieghiamo cos'è una "caduta normale"? La luce è incidente normalmente su una superficie se è diretta strettamente perpendicolare alla superficie. Ciò pone delle limitazioni al problema: la superficie deve essere perfettamente liscia e il fascio di radiazioni deve essere diretto in modo molto accurato. In questo caso, la pressione della luce è calcolata dalla formula:
p=(1-k+ρ)I/c, dove
k è la trasmittanza, ρ è il coefficiente di riflessione, I è l'intensità del raggio di luce incidente, c è la velocità della luce nel vuoto.
Ma, probabilmente, il lettore ha già intuito che una tale combinazione ideale di fattori non esiste. Anche se non si tiene conto della superficie ideale, è piuttosto difficile organizzare l'incidenza della luce in modo rigorosamente perpendicolare.
Formule perdeterminare la pressione della radiazione elettromagnetica quando cade ad angolo
La pressione della luce su una superficie speculare ad angolo viene calcolata utilizzando una formula diversa che contiene già elementi di vettori:
p=ω ((1-k)i+ρi')cos ϴ
I valori p, i, i' sono vettori. In questo caso, k e ρ, come nella formula precedente, sono rispettivamente i coefficienti di trasmissione e riflessione. I nuovi valori significano quanto segue:
- ω – densità di volume dell'energia radiante;
- i e i' sono vettori unitari che mostrano la direzione del raggio di luce incidente e riflesso (impostano le direzioni in cui devono essere sommate le forze agenti);
- ϴ - angolo rispetto alla normale in cui cade il raggio di luce (e, di conseguenza, viene riflesso, poiché la superficie è specchiata).
Ricorda al lettore che la normale è perpendicolare alla superficie, quindi se al problema viene dato l'angolo di incidenza della luce sulla superficie, allora ϴ è 90 gradi meno il valore dato.
Applicazione del fenomeno della pressione delle radiazioni elettromagnetiche
Uno studente che studia fisica trova noiose molte formule, concetti e fenomeni. Perché, di regola, l'insegnante racconta gli aspetti teorici, ma raramente può fornire esempi dei benefici di determinati fenomeni. Non incolpiamo i tutor della scuola per questo: sono molto limitati dal programma, durante la lezione è necessario raccontare materiale esteso e avere ancora tempo per verificare le conoscenze degli studenti.
Tuttavia, l'oggetto del nostro studio ha moltoapplicazioni interessanti:
- Ora quasi tutti gli studenti nel laboratorio del suo istituto di istruzione possono ripetere l'esperimento di Lebedev. Ma poi la coincidenza dei dati sperimentali con i calcoli teorici è stata una vera svolta. L'esperimento, realizzato per la prima volta con un errore del 20%, ha permesso agli scienziati di tutto il mondo di sviluppare una nuova branca della fisica: l'ottica quantistica.
- Produzione di protoni ad alta energia (ad esempio per l'irradiazione di varie sostanze) accelerando film sottili con un impulso laser.
- Tenere conto della pressione della radiazione elettromagnetica del Sole sulla superficie di oggetti vicini alla Terra, inclusi satelliti e stazioni spaziali, consente di correggere la loro orbita con maggiore precisione e impedisce a questi dispositivi di cadere sulla Terra.
Le applicazioni di cui sopra esistono ora nel mondo reale. Ma ci sono anche potenziali opportunità che non sono state ancora realizzate, perché la tecnologia dell'umanità non ha ancora raggiunto il livello richiesto. Tra questi:
- Vela solare. Con il suo aiuto, sarebbe possibile spostare carichi piuttosto grandi nello spazio vicino alla Terra e persino vicino al solare. La luce dà un piccolo impulso, ma con la giusta posizione della superficie della vela l'accelerazione sarebbe costante. In assenza di attrito, è sufficiente guadagnare velocità e consegnare le merci nel punto desiderato del sistema solare.
- Motore fotonico. Questa tecnologia, forse, consentirà a una persona di superare l'attrazione della propria stella e volare in altri mondi. La differenza da una vela solare è che un dispositivo creato artificialmente, ad esempio un termonucleare, genererà impulsi solari.motore.
