Izkušnje Lebedeva. Tlak svetlobe. Device Lebedev

Danes bomo povedali o izkušnji Lebedeva pri dokazovanju pritiska fotonov svetlobe. Razkrili bomo pomen tega odkritja in predpogojev, ki so ga pripeljali do tega.

Znanje je radovednost

Obstajajo dve pogledi na fenomen radovednosti. Eno se izraža z besedami: "Radoveden Varvara na bazarju je odtrgal nos," in drugi - s pripovedjo "radovednost ni napaka". Ta paradoks se zlahka razreši, če razločimo področja, na katerih obresti niso dobrodošle ali, nasprotno, je potrebno.

Johannes Kepler se ni rodil, da bi postal znanstvenik: njegov oče se je boril in njegova mati je ohranila gostilno. Ampak imel je nenavadne sposobnosti in, seveda, bil radoveden. Poleg tega je Kepler utrpel resno vizualno napako. Ampak to je tisti, ki je dal odkritja, zahvaljujoč kateri sta znanost in ves svet, kjer sta zdaj. Johannes Kepler je znan po tem, da je določil planetarni sistem Kopernika, danes pa bomo danes govorili o drugih dosežkih znanstvenika.

Inercija in valovna dolžina: srednjeveška dediščina

Pred pol tisoč let je matematika in fizika pripadala oddelku "Umetnost". Zato se je Kopernik ukvarjal z mehaniko gibanja teles (vključno z nebesnimi telesi), optiko in gravitacijo. Tisti, ki je dokazal obstoj vztrajnosti. Iz zaključkov tega znanstvenika se je razvila sodobna mehanika, koncept interakcij teles, znanost o izmenjavi hitrosti sosednjih predmetov. Tudi Kopernik je razvil harmoničen sistem linearne optike.

Uvedel je takšne koncepte, kot so:

• "Refrakcijo svetlobe";
• Refrakcija;
• "Optična os";
• "Polni notranji razmislek";
• "Osvetlitev".

Njegova raziskava je na koncu dokazala valovno naravo svetlobe in pripeljala do Lebedevega eksperimenta pri merjenju fotonskega tlaka.

Kvantne lastnosti svetlobe

Za začetek je treba določiti bistvo svetlobe in povedati, kaj je. Photon je kvantni del elektromagnetnega polja. To je paket energije, ki se premika v vesolju. Fotona ni mogoče "ugrizniti" malo energije, ampak ga je mogoče spremeniti. Na primer, če se svetloba absorbira s snovjo, se v telesu lahko energija spremeni in odbije foton z drugo energijo. Vendar ne bo formalno enako količino svetlobe, ki se absorbira.

Primer tega je lahko trdna kovina. Če je del snovi raztrgan s površine, se bo oblika spremenila in ne bo več sferična. Toda, če se ves predmet raztopi, vzemite malo tekoče kovine in nato ustvarite manjše kroglice iz ostankov, potem bo to spet krogla, druga pa ne enaka kot prej.

Valovne lastnosti svetlobe

• valovna dolžina (označuje prostor);
• pogostost (označuje čas);
• amplituda (označuje moč nihanja).

Vendar pa ima kot kvant elektromagnetnega polja foton tudi smer širjenja (označen kot valovni vektor). Poleg tega se lahko vektor amplitude vrti okoli valovnega vektorja in ustvari polarizacijo valov. Z istočasnim oddajanjem več fotonov je pomemben dejavnik tudi faza, oziroma fazna razlika. Recimo, faza je tisti del nihanja, ki ga ima sprednja valovna luč v določenem času (dvig, največji, spust ali najmanjši).

Masa in energija

Ker se je Einstein izkazal za duhovit, je masa energija. Toda v vsakem konkretnem primeru je težko poiskati zakon, po katerem se ena vrednost spremeni v drugo. Vse zgoraj omenjene valovne značilnosti svetlobe so tesno povezane z energijo. Namreč: povečanje valovne dolžine in zmanjšanje frekvence pomeni manj energije. Ampak, če obstaja energija, mora foton imeti maso, zato mora biti lahki tlak.

Struktura izkušenj

Ker pa so fotoni zelo majhni, mora biti njihova masa majhna. Težavna tehnična naloga je bila za izdelavo naprave, ki bi jo lahko dovolj natančno določila. Prvi se je spopadal s ruskim znanstvenikom Lebedevom Petrom Nikolayevičem.

Sama izkušnja je temeljila na zasnovi uteži, ki je določila torzijski moment. Na srebrno nit je visela križ. Na njene konce so bile pritrjene enake tanke plošče različnih materialov. Najpogosteje se je pri izkušnjah z Lebedevjem uporabljala kovine (srebro, zlato, nikelj), vendar je bila tudi sljuda. Vsa ta gradnja je bila postavljena v stekleno posodo, v kateri je bil ustvarjen vakuum. Po tem je bil zasvetljen en disk, drugi pa v senci. Izkušnje Lebedeva so pokazale, da osvetlitev ene strani vodi k dejstvu, da se lestvice začnejo vrteti. Na podlagi odstopanja je znanstvenik presodil moč svetlobe.

Težave z izkušnjami

Na začetku dvajsetega stoletja je bilo težko podati precej natančen poskus. Vsak fizik je vedel, kako ustvariti vakuum, delati s steklom in polirati površine. Pravzaprav je bilo znanje pridobljeno ročno. Potem ni bilo večjih korporacij, ki bi proizvedle pravo opremo na stotine kosov. Naprava Lebedev je bila ustvarjena ročno, zato se je znanstvenik srečal s številnimi težavami.

Vakuum v tistem času ni bil niti povprečen. Znanstvenik je črpal zrak iz steklene kapice s posebno črpalko. Toda eksperiment je bil v najboljšem primeru v raztopljeni atmosferi. Svetlobni tlak (prenos impulzov) je bil težko ločiti od segrevanja osvetljene strani naprave: glavna ovira je prisotnost plina. Če bi se poskus izvedel v pogojih globokega vakuuma, potem ne bi bilo molekul, katerih Browniško gibanje na osvetljeni strani bi bilo močnejše.

Občutljivost kota upogiba je ostala zaželena. Sodobni spiralni detektorji lahko izmerijo kot do milijonskega dela radiana. V začetku devetnajstega stoletja je bila lestvica vidna s prostim očesom. Takratna tehnika ni mogla zagotoviti enake teže in velikosti plošč. To pa po drugi strani ni dovoljevalo enakomerne porazdelitve mase, kar je ustvarjalo tudi težave pri določanju navora.

Izolacija in struktura niti močno vplivata na rezultat. Če je bil eden od koncev kovinskega dela zaradi katerega koli razloga segret (to se imenuje temperaturni gradient), se lahko žica začne nagubati brez svetlobnega tlaka. Kljub dejstvu, da je bila naprava Lebedev dovolj preprosta in povzročila veliko napako, je bil potrjen dejstvo, da je prenos fotonov svetlobe s fotonov svetlobe.

Obrazec za osvetlitev obrazca

V prejšnjem razdelku so navedene številne tehnične težave, ki so obstajale v poskusu, vendar niso vplivale na glavno stvar - svetloba. Teoretično smo si predstavljali, da je na ploščici prisoten žarek monokromatskih žarkov, ki so strogo vzporedni med seboj. Toda v začetku dvajsetega stoletja je bil vir svetlobe sonce, sveče in preproste žarnice. Da bi žarka žarkov vzporedna, so bili zgrajeni kompleksni lečni sistemi. V tem primeru je najpomembnejši dejavnik krivulja svetlobne jakosti vira.

Pri pouku fizike je pogosto rečeno, da žarki izhajajo iz ene točke. Toda pravi generatorji svetlobe imajo določene velikosti. Poleg tega lahko sredina žarilne nitke oddaja več fotonov kot robov. Posledica tega je, da žarnica osvetli nekaj območij okoli sebe bolje od drugih. Črta, ki obdaja celoten prostor z enako osvetlitvijo iz določenega vira, se imenuje krivulja svetlobe.

Krvava luna in delno mrk

Vampirske romane se pretvarjajo v strašne preobrazbe, ki se zgodijo ljudem in naravi v krvavi luni. Toda tam ni zapisano, da se tega ne bi smeli bati. Ker je to posledica velike velikosti Sonca. Premer naše osrednje zvezde je približno 110 premerov Zemlje. Hkrati fotoni, ki se oddajajo iz enega in drugega roba vidnega diska, segajo do površine planeta. Tako, ko Luno pade v polovično senco Zemlje, ni popolnoma zakrito, temveč, ker je bilo rdeče barve. V tej senci je tudi kriva atmosfera planeta: absorbira vse vidne valovne dolžine, razen oranžnih. Ne pozabite, da sonce tudi ob sončnem zahodu postane rdeče in vse ravno zato, ker gre skozi debelejši sloj atmosfere.

Kako je nastal ozonski plašč Zemljinega ozračja?

Točen bralec se lahko vpraša: "Kakšen pritisk svetlobe sploh tukaj, Lebedevih eksperimentov?" Kemijsko delovanje svetlobe, mimogrede, je povezan tudi z dejstvom, da foton nosi impulz. Namreč, ta pojav je odgovoren za nekatere plasti atmosfere planeta.

Kot je znano, naš zračni ocean v bistvu absorbira ultravijolično komponento sončne svetlobe. Poleg tega bi bilo življenje v določeni obliki nemogoče, kopati skalnata površina zemlje v ultravijolično. Toda na nadmorski višini približno 100 km atmosfera še ni tako debela, da bi vsa absorbirala. In ultravijolično dobi priložnost za neposreden stik s kisikom. Razbije molekule O₂ na prostih atomih in olajša njihovo povezavo z drugo spremembo - O₃. V čisti obliki je ta plin smrtonosen. Zato se uporablja za dezinfekcijo zraka, vode in oblačil. Toda kot del zemeljske atmosfere ščiti vse življenje pred učinki škodljivega sevanja, ker ozonski plašč zelo učinkovito absorbira kvanto elektromagnetnega polja z energijo nad vidnim spektrom.