Doživljaj Lebedev. Pritisak svjetlosti. Uređaj Lebedev

Danas ćemo reći o Lebedevovu iskustvu u dokazivanju pritiska fotona svjetlosti. Otkrivat ćemo važnost ovog otkrića i preduvjeta koji su doveli do njega.

Znanje je znatiželja

Postoje dvije točke gledišta o fenomenu znatiželje. Jedan se izražava izjavom "znatiželjna Varvara na bazaru", a drugi - govoreći: "znatiželja nije pogreška". Ovaj paradoks se lako riješi ukoliko delineate područja u kojima interes nije dobrodošao ili, obrnuto, potreban.

Johannes Kepler nije rođen da postane znanstvenik: otac se borio, a majka je zadržala konobu. Ali imao je neuobičajene sposobnosti i, naravno, bio je znatiželjan. Osim toga, Kepler je pretrpio ozbiljnu vizualnu manu. Ali on je napravio otkrića, zahvaljujući čemu su znanost i cijeli svijet gdje su sada. Johannes Kepler poznat je po tome što je odredio planetarni sustav Kopernika, ali danas ćemo govoriti o drugim postignućima znanstvenika.

Inercija i valna duljina: srednjovjekovno naslijeđe

Prije pola tisuća godina, matematika i fizika pripadali su odjeljku "Umjetnost". Stoga se Kopernik bavio i mehanikom gibanja tijela (uključujući i nebeska tijela), te optike i gravitacije. Bio je on koji je dokazao postojanje inercije. Iz zaključaka ovog znanstvenika je narasla suvremena mehanika, koncept interakcija tijela, znanost o razmjeni brzina susjednih objekata. Također Kopernik je razvio skladan sustav linearne optike.

Uveo je koncepte kao što su:

• "Refrakcija svjetlosti";
• „Refrakcija”;
• "Optička os";
• "Potpuna unutarnja refleksija";
• "Illumination".

I njegovo je istraživanje na kraju dokazalo valnu prirodu svjetla i dovelo do Lebedevovog eksperimenta o mjerenju tlaka fotona.

Kvantna svojstva svjetlosti

Za početak je potrebno utvrditi bit svjetlosti i reći što je to. Foton je kvantno elektromagnetsko polje. To je paket energije koji se kreće u svemiru kao cjelini. Foton se ne može "ugriza" malo energije, ali se može transformirati. Na primjer, ako se materija apsorbira svjetlost, onda u tijelu njegova energija može proći promjene i odbiti foton s drugačijom energijom. Ali formalno neće biti isti kvantni svjetlost koja se apsorbira.

Primjer toga može biti čvrsta metalna kugla. Ako je komad materije rastrgan sa svoje površine, oblik će se promijeniti, i prestaje biti sferičan. Ali ako se cijeli objekt rastopi, uzmi malo tekućeg metala, a zatim stvorite manju kuglu od ostataka, onda će to opet biti sfera, ali druga, a ne isto kao prije.

Svojstva svjetlosti valova

• valna duljina (karakterizira prostor);
• frekvencija (karakterizira vrijeme);
• amplituda (karakterizira snagu oscilacije).

Međutim, kao kvantno elektromagnetsko polje, foton također ima smjer razmještaja (označen kao valni vektor). Pored toga, vektor amplituda može rotirati oko vektora vala i stvoriti val polarizaciju. Uz istodobnu emisiju nekoliko fotona, važan čimbenik je i faza, odnosno fazna razlika. Podsjetimo, faza je onaj dio oscilacije koje prednja strana vala u određenom trenutku (uspon, maksimalni, silazni ili minimalni).

Masa i energija

Dok se Einstein pokazao duhovitom, masa je energija. No, u svakom konkretnom slučaju teško je tražiti zakon prema kojem se jedna vrijednost pretvara u drugu. Sve gore navedene značajke vala svjetlosti usko su povezane s energijom. Naime: povećanje valne duljine i smanjenje frekvencije znači manje energije. Ali ako postoji energija, onda foton mora imati masu, stoga mora postojati lagani pritisak.

Struktura iskustva

Međutim, budući da su fotoni vrlo mali, tada bi njihova masa trebala biti mala. Izgraditi uređaj koji bi ga mogao odrediti dovoljnom točnošću bio je teški tehnički zadatak. Ruski znanstvenik Lebedev, Pyotr Nikolaevich, prvo se sučelio s njom.

Sama iskustva zasnovana su na dizajnu utega koji su odredili moment torzije. Unutrašnjost je visjela na srebrnoj niti. Na svoje krajeve su pričvršćene identične tanke ploče različitih materijala. Najčešće su korišteni metali Lebedev (srebro, zlato, nikl), ali bilo je i tinja. Sve ove konstrukcije stavljene su u staklenu posudu u kojoj je stvoren vakuum. Nakon toga, jedan disk je osvijetljen, a drugi ostao u hladu. Doživljaj Lebedev-a pokazao je da osvjetljenje jedne strane dovodi do činjenice da se vage počinju vrtjeti. Na kut odstupanja, znanstvenik je sudio snagu svjetlosti.

Teškoće iskustva

Početkom dvadesetog stoljeća bilo je teško donijeti prilično točan eksperiment. Svaki je fizičar znao stvoriti vakuum i raditi sa staklom i poliranim površinama. Zapravo, znanje je dobiveno ručno. Zatim nisu postojale veće korporacije koje će proizvesti pravu opremu u stotinama komada. Lebedev je uređaj stvoren ručno, tako da je znanstvenik suočen s velikim brojem poteškoća.

Vacuum u to vrijeme nije bio ni prosjek. Znanstvenik je pumpao zrak ispod staklenog kapa posebnom pumpom. No, eksperiment je u najboljem slučaju bio u rijetkoj atmosferi. Teško je odvojiti svjetlosni pritisak (prijenos impulsa) od zagrijavanja osvijetljene strane uređaja: glavna prepreka bila je prisutnost plina. Ako je pokus proveden pod uvjetima dubokog vakuuma, tada ne bi postojale molekule čiji bi Brownian pokret na osvijetljenoj strani bio jači.

Osjetljivost kuta otklona ostavila je mnogo da bude poželjna. Moderni spiralni detektori mogu mjeriti kut na milijunti dio radijusa. Početkom devetnaestog stoljeća, ljestvica se mogla vidjeti golim okom. Tehnika tog vremena nije mogla osigurati identičnu težinu i veličinu ploča. Ovo zauzvrat nije dopustilo ravnomjernu raspodjelu mase, što je također stvorilo poteškoće pri određivanju zakretnog momenta.

Izolacija i struktura konca snažno utječu na rezultat. Ako se jedan kraj metalnog dijela zagrijava iz nekog razloga (to se zove temperaturni gradijent), žica bi se mogla početi uvijati bez pritiska. Unatoč činjenici da je Lebedev uređaj bio dovoljno jednostavan i dao je veliku pogrešku, potvrđena je činjenica prijenosa zamaha fotonima svjetlosti.

Obrazac za oblikovanje oblika

Prethodni odjeljak navodi brojne tehničke poteškoće koje su postojale u eksperimentu, ali nisu utjecale na glavnu stvar - svjetlo. Teoretski, zamislimo da se na tanjuru pojavljuje zraka monokromatskih zraka, koje su strogo međusobno paralelne. No, početkom dvadesetog stoljeća izvor svjetlosti bio je sunce, svijeće i jednostavne žarulje sa žarnom niti. Radi stvaranja zrake zračenja su konstruirane paralelne, složene sustave leća. U tom je slučaju najvažniji čimbenik bio krivulja intenziteta svjetla izvora.

U nastavi fizike često se kaže da zrake proizlaze iz jedne točke. No stvarni svjetlosni generatori imaju određene veličine. Osim toga, sredina filamenta može emitirati više fotona nego rubovi. Kao rezultat, svjetiljka osvjetljava neka područja oko sebe bolje od drugih. Crta koja obuhvaća cijeli prostor s istim osvjetljenjem iz određenog izvora zove se krivulja intenziteta svjetla.

Krvavi mjesec i djelomična pomrčina

Vampirski romani obiluju strašnim preobrazbama koje se događaju ljudima i prirodi na krvavom mjesecu. Ali tamo nije zapisano da se fenomeni ovoga ne treba bojati. Zato što je rezultat velike veličine Sunca. Promjer središnje zvijezde je oko 110 promjera Zemlje. Istovremeno, fotoni koji emitiraju iz jednog i drugog ruba vidljivog diska dosežu površinu planete. Tako, kada Mjesec padne u polu-sjenu Zemlje, nije potpuno zamagljen, već kao što je crveno. U toj sjeni također treba kriviti atmosferu planeta: apsorbira sve vidljive valne duljine, osim onih narančastih. Zapamtite, sunce također postaje crveno u zalasku sunca, a sve upravo zato što prolazi kroz deblji sloj atmosfere.

Kako nastaje ozonski sloj Zemljine atmosfere?

Iscrpni čitatelj može postaviti pitanje: "Kakav je ovdje pritisak svjetla, Lebedevovi eksperimenti?" Kemijsko djelovanje svjetlosti, usput, također se odnosi na činjenicu da foton nosi impuls. Naime, ovaj fenomen je odgovoran za neke slojeve atmosfere planeta.

Kao što je poznato, naš zračni ocean u osnovi apsorbira ultraljubičastu komponentu sunčeve svjetlosti. Štoviše, život u određenom obliku bio bi nemoguć, kupanje stjenovite površine zemlje u ultraljubičastom. Ali na nadmorskoj visini od oko 100 km atmosfera još nije toliko gusta da apsorbira sve. I ultraljubičasto dobiva priliku za interakciju s kisikom izravno. On razbija molekule O₂ na slobodnim atomima i olakšava njihovu povezanost s drugom modifikacijom - O₃. U svom čistom obliku, ovaj plin je smrtonosan. Zato se koristi za dezinfekciju zraka, vode, odjeće. Ali, kao dio Zemljine atmosfere, štiti cijeli život od posljedica štetnog zračenja jer ozonski sloj vrlo učinkovito apsorbira kvantiju elektromagnetskog polja energijom iznad vidljivog spektra.