Oggi parleremo dell'esperimento di Lebedev per dimostrare la pressione dei fotoni di luce. Riveleremo l'importanza di questa scoperta e il background che l'ha condotta.
La conoscenza è curiosità
Ci sono due punti di vista sul fenomeno della curiosità. Uno è espresso dal detto "il naso curioso di Varvara è stato strappato al mercato", e l' altro - dal detto "la curiosità non è un vizio". Questo paradosso si risolve facilmente se si distinguono aree in cui l'interesse non è gradito o, al contrario, è necessario.
Johannes Kepler non è nato per diventare uno scienziato: suo padre ha combattuto in guerra e sua madre ha tenuto una taverna. Ma aveva capacità straordinarie e, ovviamente, era curioso. Inoltre, Keplero soffriva di una grave disabilità visiva. Ma è stato lui a fare scoperte, grazie alle quali la scienza e il mondo intero sono dove sono ora. Johannes Keplero è famoso per aver chiarito il sistema planetario di Copernico, ma oggi parleremo di altre realizzazioni dello scienziato.
Inerzia e lunghezza d'onda: un'eredità medievale
Cinquantamila anni fa, matematica e fisica appartenevano alla sezione "Arte". Pertanto, Copernico era impegnato nella meccanica del movimento dei corpi (compresi quelli celesti), nell'ottica e nella gravità. Fu lui a dimostrare l'esistenza dell'inerzia. Dalle conclusioniQuesto scienziato ha sviluppato la meccanica moderna, il concetto delle interazioni dei corpi, la scienza dello scambio delle velocità degli oggetti in contatto. Copernico sviluppò anche un sistema armonioso di ottica lineare.
Ha introdotto concetti come:
- "rifrazione della luce";
- "rifrazione";
- "asse ottico";
- "riflessione interna totale";
- "illuminazione".
E la sua ricerca alla fine ha dimostrato la natura ondulatoria della luce e ha portato all'esperimento di Lebedev sulla misurazione della pressione dei fotoni.
Proprietà quantistiche della luce
Prima di tutto, vale la pena definire l'essenza della luce e parlare di cosa sia. Un fotone è un quanto di un campo elettromagnetico. È un pacchetto di energia che si muove attraverso lo spazio nel suo insieme. Non puoi "mordere" un po' di energia da un fotone, ma può essere trasformato. Ad esempio, se la luce viene assorbita da una sostanza, all'interno del corpo la sua energia è in grado di subire dei cambiamenti ed emettere un fotone con un'energia diversa. Ma formalmente, questo non sarà lo stesso quanto di luce che è stato assorbito.
Un esempio di questo potrebbe essere una solida palla di metallo. Se un pezzo di materia viene strappato dalla sua superficie, la forma cambierà, cesserà di essere sferica. Ma se sciogli l'intero oggetto, prendi del metallo liquido e poi crei una palla più piccola dai resti, allora sarà di nuovo una sfera, ma diversa, non la stessa di prima.
Proprietà d'onda della luce
I fotoni hanno le proprietà di un'onda. I parametri di base sono:
- lunghezza d'onda (caratterizza lo spazio);
- frequenza (caratterizzatempo);
- ampiezza (caratterizza la forza dell'oscillazione).
Tuttavia, come quanto di un campo elettromagnetico, un fotone ha anche una direzione di propagazione (indicata come vettore d'onda). Inoltre, il vettore di ampiezza è in grado di ruotare attorno al vettore d'onda e creare la polarizzazione dell'onda. Con l'emissione simultanea di più fotoni, anche la fase, o meglio la differenza di fase, diventa un fattore importante. Ricordiamo che la fase è quella parte dell'oscillazione che il fronte d'onda ha in un determinato momento (salita, massima, discesa o minima).
Massa ed energia
Come Einstein ha argutamente dimostrato, la massa è energia. Ma in ogni caso specifico, la ricerca di una legge secondo la quale un valore si trasformi in un altro può essere difficile. Tutte le suddette caratteristiche dell'onda della luce sono strettamente correlate all'energia. Vale a dire: aumentare la lunghezza d'onda e diminuire la frequenza significa meno energia. Ma poiché c'è energia, allora il fotone deve avere massa, quindi deve esserci una leggera pressione.
Struttura dell'esperienza
Tuttavia, poiché i fotoni sono molto piccoli, anche la loro massa dovrebbe essere piccola. Costruire un dispositivo in grado di determinarlo con sufficiente precisione è stato un compito tecnico difficile. Lo scienziato russo Lebedev Petr Nikolaevich è stato il primo ad affrontarlo.
L'esperimento stesso si basava sulla progettazione dei pesi che determinavano il momento di torsione. Una traversa era appesa a un filo d'argento. Attaccate alle sue estremità c'erano lastre sottili identiche di vario generemateriali. Molto spesso, nell'esperimento di Lebedev venivano usati metalli (argento, oro, nichel), ma c'era anche la mica. L'intera struttura è stata collocata in un recipiente di vetro, in cui è stato creato il vuoto. Dopodiché, una lastra è stata illuminata, mentre l' altra è rimasta in ombra. L'esperienza di Lebedev ha dimostrato che l'illuminazione di un lato porta al fatto che la bilancia inizia a girare. In base all'angolo di deviazione, lo scienziato ha giudicato la forza della luce.
Difficoltà di esperienza
All'inizio del ventesimo secolo, era difficile impostare un esperimento sufficientemente accurato. Ogni fisico sapeva come creare il vuoto, lavorare con il vetro e lucidare le superfici. In effetti, la conoscenza è stata acquisita manualmente. A quel tempo, non c'erano grandi società che avrebbero prodotto l'attrezzatura necessaria in centinaia di pezzi. Il dispositivo di Lebedev è stato creato a mano, quindi lo scienziato ha dovuto affrontare una serie di difficoltà.
Il vuoto in quel momento non era nemmeno nella media. Lo scienziato ha pompato aria da sotto un tappo di vetro con una pompa speciale. Ma l'esperimento si è svolto nel migliore dei casi in un'atmosfera rarefatta. Era difficile separare la pressione della luce (trasferimento di impulsi) dal riscaldamento del lato illuminato del dispositivo: l'ostacolo principale era la presenza di gas. Se l'esperimento fosse condotto in un vuoto profondo, non ci sarebbero molecole il cui moto browniano sul lato illuminato sarebbe più forte.
La sensibilità dell'angolo di deflessione lasciava molto a desiderare. I moderni cercatori a vite possono misurare angoli fino a milionesimi di radiante. All'inizio del diciannovesimo secolo, la scala poteva essere vista ad occhio nudo. Tecnicail tempo non ha potuto fornire lo stesso peso e dimensione dei piatti. Questo, a sua volta, rendeva impossibile distribuire uniformemente la massa, cosa che creava anche difficoltà nel determinare la coppia.
L'isolamento e la struttura del filo influiscono notevolmente sul risultato. Se un'estremità del pezzo di metallo è stata riscaldata di più per qualche motivo (questo è chiamato gradiente di temperatura), il filo potrebbe iniziare a torcersi senza una leggera pressione. Nonostante il fatto che il dispositivo di Lebedev fosse abbastanza semplice e fornisse un grosso errore, il fatto del trasferimento di quantità di moto da parte dei fotoni di luce è stato confermato.
Forma delle piastre luminose
La sezione precedente elencava molte difficoltà tecniche che esistevano nell'esperimento, ma non influivano sulla cosa principale: la luce. In via puramente teorica, immaginiamo che sulla lastra cada un fascio di raggi monocromatici, rigorosamente paralleli tra loro. Ma all'inizio del Novecento la fonte di luce era il sole, le candele e le semplici lampade ad incandescenza. Per rendere parallelo il fascio di raggi sono stati costruiti complessi sistemi di lenti. E in questo caso il fattore più importante era la curva di intensità luminosa della sorgente.
Nelle lezioni di fisica si dice spesso che i raggi provengono da un punto. Ma i veri generatori di luce hanno determinate dimensioni. Inoltre, la parte centrale di un filamento può emettere più fotoni rispetto ai bordi. Di conseguenza, la lampada illumina alcune aree circostanti meglio di altre. La linea che percorre l'intero spazio con la stessa illuminazione da una data sorgente è chiamata curva di intensità luminosa.
Luna di sangue ed eclissi parziale
I romanzi sui vampiri sono pieni di terribili trasformazioni che accadono alle persone e alla natura nella luna di sangue. Ma non è detto che questo fenomeno non sia da temere. Perché è il risultato delle grandi dimensioni del Sole. Il diametro della nostra stella centrale è di circa 110 diametri terrestri. Allo stesso tempo, i fotoni emessi dall'uno e dall' altro bordo del disco visibile raggiungono la superficie del pianeta. Pertanto, quando la Luna cade nella penombra della Terra, non è completamente oscurata, ma, per così dire, diventa rossa. Anche l'atmosfera del pianeta è responsabile di questa tonalità: assorbe tutte le lunghezze d'onda visibili, ad eccezione di quelle arancioni. Ricorda, anche il Sole diventa rosso al tramonto, e tutto proprio perché passa attraverso uno strato più spesso dell'atmosfera.
Come viene creato lo strato di ozono terrestre?
Un lettore meticoloso potrebbe chiedere: "Cosa ha a che fare la pressione della luce con gli esperimenti di Lebedev?" L'effetto chimico della luce, tra l' altro, è dovuto anche al fatto che il fotone trasporta quantità di moto. Vale a dire, questo fenomeno è responsabile di alcuni strati dell'atmosfera del pianeta.
Come sai, il nostro oceano d'aria assorbe principalmente la componente ultravioletta della luce solare. Inoltre, la vita in una forma nota sarebbe impossibile se la superficie rocciosa della terra fosse inondata di luce ultravioletta. Ma a un' altitudine di circa 100 km, l'atmosfera non è ancora abbastanza densa da assorbire tutto. E l'ultravioletto ha l'opportunità di interagire direttamente con l'ossigeno. Rompe le molecole O2 inatomi liberi e promuove la loro combinazione in un' altra modifica - O3. Nella sua forma pura, questo gas è letale. Ecco perché viene utilizzato per disinfettare aria, acqua, indumenti. Ma come parte dell'atmosfera terrestre, protegge tutti gli esseri viventi dagli effetti delle radiazioni nocive, perché lo strato di ozono assorbe in modo molto efficace i quanti del campo elettromagnetico con energie superiori allo spettro visibile.
