Presiune de lumină. Natura luminii este fizica. Presiunea formulării de lumină

Astăzi vom dedica o conversație la un astfel de fenomen ca presiunea luminii. Luați în considerare premisele descoperirii și consecințele pentru știință.

Lumină și culoare

Ghicitul abilităților umane a excitat oamenii din cele mai vechi timpuri. Cum văd ochiul? De ce există culori? Care este motivul pentru care lumea este modul în care o simțim? Cât de departe poate vedea o persoană? Experimentele cu descompunerea razele soarelui în spectru au fost făcute de Newton în secolul al XVII-lea. El a pus de asemenea o temelie matematică strictă într-o serie de fapte disparate, care la vremea respectivă erau cunoscute despre lumină. Și teoria Newtoniană a prezis multe: de exemplu, descoperiri care au fost explicate numai prin fizica cuantică (abaterea luminii în câmpul gravitațional). Dar natura exactă a luminii, fizicianul de atunci nu știa și nu înțelege.

Val sau particulă

Întrucât oamenii de știință din întreaga lume au început să pătrundă în esența luminii, se discuta o dispută: ceea ce este radiația, o undă sau o particulă (corpuscul)? Unele fapte (refracție, reflexie și polarizare) au confirmat prima teorie. Altele (propagarea rectilinie în absența obstacolelor, presiunea luminii) sunt al doilea. Totuși, numai fizica cuantică a reușit să calmeze această dispută prin combinarea celor două versiuni într-una singură. Teoria undelor corpusulare afirmă că orice microparticule, inclusiv un foton, posedă atât proprietăți ale valurilor, cât și particule. Adică, un cuantic de lumină are caracteristici precum frecvența, amplitudinea și lungimea de undă, precum și impulsul și masa. Faceți imediat o rezervare: fotonii nu au masa de odihnă. Fiind o cuantă a câmpului electromagnetic, ele transportă energie și masă numai în procesul de mișcare. Aceasta este esența conceptului de "lumină". Fizica astăzi a explicat-o în detaliu.

Lungimea de undă și energia

Doar mai sus menționăm conceptul de "energie a valurilor". Einstein a demonstrat în mod convingător că energia și masa sunt concepte identice. Dacă un foton transportă energie, trebuie să aibă o masă. Cu toate acestea, un cuantum de lumină este o bucată de "dificilă": atunci când un foton întâlnește un obstacol, acesta renunță complet la această materie, devine și își pierde esența individuală. În același timp, anumite circumstanțe (încălzirea puternică, de exemplu) pot provoca o lumină întunecată și calmă a metalelor și a gazelor. Momentul fotonului, consecința imediată a prezenței masei, poate fi determinată cu ajutorul presiunii ușoare. Experimentele lui Lebedev, cercetător din Rusia, a dovedit în mod convingător acest fapt uimitor.

Experiența lui Lebedev

Cercetătorul rus Petr Nelievici Lebedev în 1899 a efectuat următorul experiment. Pe un fir subțire de argint el atârna o bara transversală. La capetele barei transversale, omul de știință atașase două plăci din aceeași substanță. Era folie de argint, aur și chiar mica. Astfel, au fost create un fel de scale. Numai ei au măsurat greutatea nu a încărcăturii care se apasă de sus, ci a încărcăturii care se zdrobește de fiecare parte a plăcilor. Toate aceste construcții Lebedev plasate sub capacul de sticlă, astfel încât vântul și fluctuațiile aleatorii în densitatea aerului nu l-ar putea afecta. Mai mult, aș vrea să scriu că sub acoperire a creat un vid. Dar în acel moment era imposibil să se obțină chiar și un vid mediu. Așa că spunem că a creat o atmosferă foarte rară sub capacul de sticlă. Și alternativ ilumina o singură farfurie, lăsând cealaltă la umbră. Cantitatea de lumină îndreptată spre suprafață a fost specificată în prealabil. În funcție de unghiul de abatere, Lebedev a determinat ce fel de impuls a transmis lumina pe plăci.

Formule pentru determinarea presiunii radiației electromagnetice cu incidența normală a fasciculului

Să explicăm mai întâi ce este o "cădere normală"? Lumina cade pe suprafața normală dacă este direcționată strict perpendicular pe suprafață. Acest lucru impune restricții asupra problemei: suprafața trebuie să fie perfect netedă și fasciculul de radiații este direcționat foarte precis. În acest caz, presiunea ușoară se calculează cu formula:

p = (1-k + rho -) * I / c,

unde

k este transmisia, rho este coeficientul de reflexie, I este intensitatea fasciculului luminii incidente și c este viteza luminii într-un vid.

Dar, probabil, cititorul a ghicit deja că o astfel de combinație ideală de factori nu există. Chiar dacă nu țineți cont de idealul suprafeței, căderea de lumină strict perpendiculară pentru a organiza este destul de dificilă.

Formulele pentru determinarea presiunii radiațiilor electromagnetice atunci când acestea cad sub un unghi

Presiunea luminii pe suprafața oglinzii la un unghi este calculată printr-o altă formulă care conține deja elementele vectorilor:

p = omega- ((1-k) i + rho-irsquo-) cos Θ

Cantitățile p, i, irsquo- sunt vectori. În plus, k și rho-, ca în formula anterioară, sunt coeficienții de transmisie și de reflexie, respectiv. Noile valori denotă următoarele:

• omega- este densitatea volumului energiei radiațiilor;
• i și irsquo- sunt vectori unici care arată direcția fasciculului incident și a fasciculului luminii reflectate (acestea specifică direcțiile de-a lungul cărora trebuie adăugate forțele de acțiune);
• Θ este unghiul față de normalul în care cădea raza luminii (și, prin urmare, se reflectă, deoarece suprafața este oglindă).

Reamintim cititorului că normalul este perpendicular pe suprafață, deci dacă problema dă unghiul de incidență a luminii la suprafață, atunci Θ este de 90 de grade minus valoarea setată.

Aplicarea fenomenului de presiune a radiației electromagnetice

Un elev care studiază fizica, multe formule, concepte și fenomene par plictisitor. Deoarece, de regulă, profesorul spune aspecte teoretice, dar rareori poate da exemple de beneficiile anumitor fenomene. Nu vom da vina pe maeștrii școlari pentru acest lucru: ei sunt foarte limitați de program, în timpul lecției este necesar să se spună materialele extinse și au timp să verifice cunoștințele studenților.

Cu toate acestea, obiectul nostru de cercetare are multe aplicații interesante:

1. Acum, aproape toți elevii din laboratorul școlii sale pot repeta experiența lui Lebedev. Dar, apoi, coincidența datelor experimentale cu calculele teoretice a fost o descoperire reală. Făcută pentru prima dată cu o eroare de 20%, experimentul a permis oamenilor de știință din întreaga lume să dezvolte o nouă ramură a fizicii - o optică cuantică.
2. Producerea de protoni de înaltă energie (de exemplu, pentru iradierea diferitelor substanțe) prin accelerarea filmelor subțiri cu un impuls laser.
3. Presiunea reprezentând radiația electromagnetică a soarelui pe suprafața apropierea Pământului obiecte, inclusiv sateliți și stațiile spațiale pot corecta orbita lor cu o mai mare precizie și face ca acest dispozitiv cade la pământ.

Aplicațiile de mai sus există acum în lumea reală. Dar există oportunități potențiale care nu au fost încă realizate, deoarece tehnologia omenirii nu a atins încă nivelul necesar. Printre acestea:

1. Navigarea solară. Cu ajutorul său, ar fi posibil să se deplaseze încărcări destul de mari în spațiul apropiat de pământ și chiar aproape de soare. Lumina dă un impuls mic, dar la poziția dorită a suprafeței de navigare accelerația ar fi constantă. În absența fricțiunii, este suficientă formarea rapidă și livrarea încărcăturii către punctul dorit al sistemului solar.
2. Motoare fotonice. Această tehnologie, probabil, va permite unei persoane să depășească atracția unei stele native și să zboare către alte lumi. Diferența față de navigația solară este că pentru a genera impulsuri solare va fi un dispozitiv creat artificial, de exemplu, un motor termonuclear.