Heute widmen wir ein Gespräch einem Phänomen wie Lichtdruck. Betrachten Sie die Prämissen der Entdeckung und die Konsequenzen für die Wissenschaft.
Licht und Farbe
Das Mysterium menschlicher Fähigkeiten beschäftigt die Menschen seit der Antike. Wie sieht das Auge? Warum gibt es Farben? Was ist der Grund dafür, dass die Welt so ist, wie wir sie wahrnehmen? Wie weit kann ein Mensch sehen? Experimente mit der Zerlegung eines Sonnenstrahls in ein Spektrum wurden von Newton im 17. Jahrhundert durchgeführt. Er legte auch eine strenge mathematische Grundlage für eine Reihe unterschiedlicher Tatsachen, die damals über Licht bekannt waren. Und die Newtonsche Theorie sagte viel voraus: zum Beispiel Entdeckungen, die nur die Quantenphysik erklären konnte (die Ablenkung von Licht in einem Gravitationsfeld). Aber die damalige Physik kannte und verstand die genaue Natur des Lichts nicht.
Welle oder Teilchen
Seit Wissenschaftler auf der ganzen Welt begonnen haben, in die Essenz des Lichts einzudringen, gibt es eine Debatte: Was ist Strahlung, eine Welle oder ein Teilchen (Korpuskel)? Einige Tatsachen (Brechung, Reflexion und Polarisation) bestätigten die erste Theorie. Andere (geradlinige Ausbreitung ohne Hindernisse, leichter Druck) - die zweite. Allerdings konnte nur die Quantenphysik diesen Streit schlichten, indem sie die beiden Versionen zu einer kombinierte. Allgemeines. Die Korpuskularwellentheorie besagt, dass jedes Mikroteilchen, einschließlich eines Photons, sowohl die Eigenschaften einer Welle als auch eines Teilchens hat. Das heißt, ein Lichtquant hat Eigenschaften wie Frequenz, Amplitude und Wellenlänge sowie Impuls und Masse. Machen wir gleich eine Reservierung: Photonen haben keine Ruhemasse. Als Quanten des elektromagnetischen Feldes tragen sie Energie und Masse nur bei Bewegung. Das ist die Essenz des Begriffs „Licht“. Die Physik hat es jetzt ausführlich genug erklärt.
Wellenlänge und Energie
Etwas weiter oben wurde der Begriff "Wellenenergie" erwähnt. Einstein hat überzeugend bewiesen, dass Energie und Masse identische Konzepte sind. Wenn ein Photon Energie trägt, muss es eine Masse haben. Ein Lichtquant ist jedoch ein „listiges“Teilchen: Wenn ein Photon mit einem Hindernis kollidiert, gibt es seine Energie vollständig an Materie ab, wird zu Materie und verliert ihre individuelle Essenz. Gleichzeitig können unter bestimmten Umständen (z. B. starke Erwärmung) die zuvor dunklen und ruhigen Innenräume von Metallen und Gasen zum Leuchten gebracht werden. Der Impuls eines Photons, eine direkte Folge des Vorhandenseins von Masse, kann mithilfe des Lichtdrucks bestimmt werden. Die Experimente von Lebedev, einem Forscher aus Russland, haben diese erstaunliche Tatsache überzeugend bewiesen.
Experiment von Lebedev
Der russische Wissenschaftler Petr Nikolaevich Lebedev machte 1899 das folgende Experiment. An einem dünnen Silberfaden hängte er eine Querlatte auf. An den Enden der Querstange befestigte der Wissenschaftler zwei Platten derselben Substanz. Dies waren Silberfolie und Gold und sogar Glimmer. So entstand eine Art Waage. Nur maßen sie das Gewicht nicht der Last, die von oben drückt, sondern der Last, die von der Seite auf jede der Platten drückt. Lebedev platzierte diese gesamte Struktur unter einer Glasabdeckung, damit der Wind und zufällige Schwankungen der Luftdichte sie nicht beeinflussen konnten. Weiter möchte ich schreiben, dass er ein Vakuum unter dem Deckel erzeugt hat. Aber damals war selbst ein durchschnittliches Vakuum unmöglich zu erreichen. Wir sagen also, dass er unter der Glasabdeckung eine sehr feine Atmosphäre geschaffen hat. Und beleuchtete abwechselnd einen Teller und ließ den anderen im Schatten. Die auf die Oberflächen gerichtete Lichtmenge wurde vorbestimmt. Aus dem Ablenkwinkel bestimmte Lebedev, welcher Impuls das Licht auf die Platten übertrug.
Formeln zur Bestimmung des Drucks elektromagnetischer Strahlung bei senkrechtem Strahleinfall
Lassen Sie uns zuerst erklären, was ein "normaler Sturz" ist? Licht fällt normal auf eine Fläche, wenn es streng senkrecht auf die Fläche gerichtet ist. Das schränkt das Problem ein: Die Oberfläche muss perfekt glatt sein, und der Strahl muss sehr genau gelenkt werden. In diesem Fall wird der Lichtdruck nach folgender Formel berechnet:
p=(1-k+ρ)I/c, wo
k ist der Transmissionsgrad, ρ ist der Reflexionsfaktor, I ist die Intensität des einfallenden Lichtstrahls, c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Aber wahrscheinlich hat der Leser schon erraten, dass es eine solche ideale Kombination von Faktoren nicht gibt. Auch wenn die ideale Oberfläche nicht berücksichtigt wird, ist es ziemlich schwierig, den Lichteinfall streng senkrecht zu organisieren.
Formeln fürBestimmung des Drucks elektromagnetischer Strahlung bei schrägem Einfall
Der Lichtdruck auf einer Spiegelfläche unter einem Winkel wird mit einer anderen Formel berechnet, die bereits Elemente von Vektoren enthält:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Die Werte p, i, i' sind Vektoren. In diesem Fall sind k und ρ wie in der vorherigen Formel die Transmissions- bzw. Reflexionskoeffizienten. Die neuen Werte bedeuten folgendes:
- ω – Volumendichte der Strahlungsenergie;
- i und i’ sind Einheitsvektoren, die die Richtung des einfallenden und des reflektierten Lichtstrahls angeben (sie legen die Richtungen fest, in denen die wirkenden Kräfte addiert werden sollen);
- ϴ - Winkel zur Normalen, in den der Lichtstrahl fällt (und dementsprechend reflektiert wird, da die Oberfläche gespiegelt ist).
Erinnern Sie den Leser daran, dass die Normale senkrecht zur Oberfläche steht. Wenn das Problem also den Einfallswinkel des Lichts auf die Oberfläche enthält, dann ist ϴ 90 Grad minus dem angegebenen Wert.
Anwendung des elektromagnetischen Strahlungsdruckphänomens
Ein Student, der Physik studiert, findet viele Formeln, Konzepte und Phänomene langweilig. Denn in der Regel erzählt der Lehrer die theoretischen Aspekte, kann aber selten Beispiele für den Nutzen bestimmter Phänomene geben. Machen wir das nicht den schulischen Mentoren zum Vorwurf: Sie sind durch das Programm sehr eingeschränkt, man muss während des Unterrichts umfangreiches Material erzählen und hat trotzdem Zeit, das Wissen der Schüler zu überprüfen.
Dennoch hat das Objekt unserer Studie einiges zu bieteninteressante Anwendungen:
- Jetzt kann fast jeder Student im Labor seiner Bildungseinrichtung Lebedevs Experiment wiederholen. Aber dann war das Zusammentreffen von experimentellen Daten mit theoretischen Berechnungen ein echter Durchbruch. Das Experiment, das zum ersten Mal mit einem Fehler von 20 % durchgeführt wurde, ermöglichte es Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, einen neuen Zweig der Physik zu entwickeln - die Quantenoptik.
- Erzeugung hochenergetischer Protonen (z. B. zur Bestrahlung verschiedener Substanzen) durch Beschleunigung dünner Filme mit einem Laserpuls.
- Die Berücksichtigung des Drucks der elektromagnetischen Strahlung der Sonne auf der Oberfläche von erdnahen Objekten, einschließlich Satelliten und Raumstationen, ermöglicht es Ihnen, ihre Umlaufbahn mit größerer Genauigkeit zu korrigieren und zu verhindern, dass diese Geräte auf die Erde fallen.
Die oben genannten Anwendungen existieren jetzt in der realen Welt. Aber es gibt auch potenzielle Chancen, die noch nicht realisiert wurden, weil die Technologie der Menschheit noch nicht das erforderliche Niveau erreicht hat. Darunter:
- Sonnensegel. Mit seiner Hilfe ließen sich im erdnahen und sogar sonnennahen Raum recht große Lasten bewegen. Licht gibt einen kleinen Impuls, aber bei richtiger Lage der Segelfläche wäre die Beschleunigung konstant. Ohne Reibung reicht es aus, um an Geschwindigkeit zu gewinnen und Waren an den gewünschten Punkt im Sonnensystem zu liefern.
- Photonische Maschine. Diese Technologie wird es einem Menschen vielleicht ermöglichen, die Anziehungskraft seines eigenen Sterns zu überwinden und in andere Welten zu fliegen. Der Unterschied zu einem Sonnensegel besteht darin, dass ein künstlich hergestelltes Gerät, beispielsweise ein thermonukleares, Sonnenimpulse erzeugt. Motor.
