Heute sprechen wir über Lebedevs Experiment zum Nachweis des Drucks von Lichtphotonen. Wir werden die Bedeutung dieser Entdeckung und den Hintergrund, der dazu geführt hat, enthüllen.
Wissen ist Neugier
Es gibt zwei Sichtweisen auf das Phänomen der Neugier. Der eine drückt sich in dem Spruch aus „der neugierigen Varvara wurde auf dem Markt die Nase abgerissen“und der andere in dem Spruch „Neugier ist kein Laster“. Dieses Paradoxon lässt sich leicht auflösen, wenn man zwischen Bereichen unterscheidet, in denen Interesse unerwünscht oder im Gegenteil erforderlich ist.
Johannes Kepler wurde nicht zum Wissenschaftler geboren: Sein Vater kämpfte im Krieg, seine Mutter führte ein Wirtshaus. Aber er hatte außergewöhnliche Fähigkeiten und war natürlich neugierig. Außerdem litt Kepler an einer schweren Sehbehinderung. Aber er war es, der Entdeckungen gemacht hat, dank denen die Wissenschaft und die ganze Welt dort sind, wo sie jetzt sind. Johannes Kepler ist berühmt für die Klärung des Planetensystems von Kopernikus, aber heute werden wir über andere Errungenschaften des Wissenschaftlers sprechen.
Trägheit und Wellenlänge: Ein mittel alterliches Erbe
Vor 50.000 Jahren gehörten Mathematik und Physik in die Rubrik "Kunst". Daher beschäftigte sich Copernicus mit der Mechanik der Bewegung von Körpern (einschließlich himmlischer), der Optik und der Schwerkraft. Er war es, der die Existenz von Trägheit bewies. Aus den SchlussfolgerungenDieser Wissenschaftler entwickelte die moderne Mechanik, das Konzept der Wechselwirkungen von Körpern, die Wissenschaft des Austauschs von Geschwindigkeiten bei der Berührung von Objekten. Copernicus entwickelte auch ein harmonisches System linearer Optiken.
Er führte Konzepte ein wie:
- "Lichtbrechung";
- "Refraktion";
- "optische Achse";
- "Totalreflexion";
- "Beleuchtung".
Und seine Forschung bewies schließlich die Wellennatur des Lichts und führte zu Lebedevs Experiment zur Messung des Drucks von Photonen.
Quanteneigenschaften des Lichts
Zunächst einmal lohnt es sich, das Wesen des Lichts zu definieren und darüber zu sprechen, was es ist. Ein Photon ist ein Quant eines elektromagnetischen Feldes. Es ist ein Energiepaket, das sich als Ganzes durch den Raum bewegt. Sie können einem Photon kein bisschen Energie "abbeißen", aber es kann transformiert werden. Wenn zum Beispiel Licht von einem Stoff absorbiert wird, kann sich dessen Energie im Körper verändern und ein Photon mit einer anderen Energie zurücksenden. Aber formal wird dies nicht das gleiche Lichtquantum sein, das absorbiert wurde.
Ein Beispiel dafür wäre eine massive Metallkugel. Wenn ein Stück Materie von seiner Oberfläche gerissen wird, ändert sich die Form, es hört auf, kugelförmig zu sein. Aber wenn du das ganze Objekt schmilzt, etwas flüssiges Metall nimmst und dann aus den Resten eine kleinere Kugel machst, dann wird es wieder eine Kugel sein, aber anders, nicht mehr so wie vorher.
Welleneigenschaften des Lichts
Photonen haben die Eigenschaften einer Welle. Basisparameter sind:
- Wellenlänge (charakterisiert Raum);
- Häufigkeit (charakterisiertUhrzeit);
- Amplitude (charakterisiert die Stärke der Schwingung).
Aber als Quant eines elektromagnetischen Feldes hat ein Photon auch eine Ausbreitungsrichtung (als Wellenvektor bezeichnet). Außerdem kann sich der Amplitudenvektor um den Wellenvektor drehen und eine Wellenpolarisation erzeugen. Bei der gleichzeitigen Emission mehrerer Photonen wird auch die Phase bzw. die Phasendifferenz zu einem wichtigen Faktor. Denken Sie daran, dass die Phase der Teil der Schwingung ist, den die Wellenfront zu einem bestimmten Zeitpunkt hat (Anstieg, Maximum, Abfall oder Minimum).
Masse und Energie
Wie Einstein geistreich bewies, ist Masse Energie. Aber im konkreten Fall kann die Suche nach einem Gesetz, nach dem ein Wert in einen anderen übergeht, schwierig sein. Alle oben genannten Welleneigenschaften von Licht sind eng mit Energie verbunden. Nämlich: Erhöhen der Wellenlänge und Verringern der Frequenz bedeutet weniger Energie. Aber da es Energie gibt, muss das Photon Masse haben, also muss es einen leichten Druck geben.
Erfahrungsstruktur
Da Photonen jedoch sehr klein sind, sollte auch ihre Masse klein sein. Ein Gerät zu bauen, das es mit ausreichender Genauigkeit bestimmen konnte, war eine schwierige technische Aufgabe. Der russische Wissenschaftler Lebedev Petr Nikolaevich war der erste, der damit fertig wurde.
Das Experiment selbst basierte auf der Konstruktion der Gewichte, die das Moment der Torsion bestimmten. Eine Querstange wurde an einem silbernen Faden aufgehängt. An seinen Enden waren identische dünne Platten verschiedener Art angebrachtMaterialien. Am häufigsten wurden in Lebedevs Experiment Metalle (Silber, Gold, Nickel) verwendet, aber es gab auch Glimmer. Die gesamte Struktur wurde in ein Glasgefäß gegeben, in dem ein Vakuum erzeugt wurde. Danach wurde eine Platte beleuchtet, während die andere im Schatten blieb. Die Erfahrung von Lebedev hat bewiesen, dass eine einseitige Beleuchtung dazu führt, dass sich die Waage zu drehen beginnt. Anhand des Abweichungswinkels beurteilte der Wissenschaftler die Lichtstärke.
Erfahre Schwierigkeiten
Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts war es schwierig, ein ausreichend genaues Experiment auf die Beine zu stellen. Jeder Physiker wusste, wie man ein Vakuum erzeugt, mit Glas arbeitet und Oberflächen poliert. Tatsächlich wurde das Wissen manuell erlangt. Zu dieser Zeit gab es keine großen Konzerne, die die notwendige Ausrüstung in Hunderten von Stücken produzierten. Lebedevs Gerät wurde von Hand hergestellt, sodass der Wissenschaftler mit einer Reihe von Schwierigkeiten konfrontiert war.
Das damalige Vakuum war nicht einmal durchschnittlich. Der Wissenschaftler pumpte mit einer speziellen Pumpe Luft unter einer Glaskappe hervor. Aber das Experiment fand bestenfalls in verdünnter Atmosphäre statt. Es war schwierig, den Lichtdruck (Impulsübertragung) von der Erwärmung der beleuchteten Seite des Geräts zu trennen: Das Haupthindernis war das Vorhandensein von Gas. Wenn das Experiment im tiefen Vakuum durchgeführt würde, dann gäbe es keine Moleküle, deren Brownsche Bewegung auf der beleuchteten Seite stärker wäre.
Die Empfindlichkeit des Ablenkwinkels ließ zu wünschen übrig. Moderne Schraubensucher können Winkel bis zu einem Millionstel Bogenmaß messen. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war die Waage mit bloßem Auge zu erkennen. TechnikZeit konnte nicht identisches Gewicht und Größe der Platten liefern. Dies wiederum machte es unmöglich, die Masse gleichmäßig zu verteilen, was auch zu Schwierigkeiten bei der Bestimmung des Drehmoments führte.
Die Isolierung und Struktur des Fadens beeinflusst das Ergebnis stark. Wenn ein Ende des Metallstücks aus irgendeinem Grund stärker erhitzt wurde (dies wird als Temperaturgradient bezeichnet), könnte sich der Draht ohne leichten Druck zu verdrehen beginnen. Trotz der Tatsache, dass Lebedevs Gerät ziemlich einfach war und einen großen Fehler verursachte, wurde die Tatsache der Impulsübertragung durch Lichtphotonen bestätigt.
Form der Beleuchtungsplatten
Der vorherige Abschnitt listete viele technische Schwierigkeiten auf, die im Experiment bestanden, aber die Hauptsache - Licht - nicht beeinträchtigten. Rein theoretisch stellen wir uns vor, dass ein Bündel monochromatischer Strahlen auf die Platte fällt, die streng parallel zueinander sind. Aber zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts waren die Lichtquellen die Sonne, Kerzen und einfache Glühlampen. Um das Strahlenbündel parallel zu machen, wurden komplexe Linsensysteme gebaut. Und in diesem Fall war die Lichtstärkekurve der Quelle der wichtigste Faktor.
Im Physikunterricht wird oft gesagt, dass Strahlen von einem Punkt ausgehen. Aber echte Lichtgeneratoren haben gewisse Abmessungen. Außerdem kann die Mitte eines Filaments mehr Photonen emittieren als die Ränder. Dadurch leuchtet die Lampe einige Bereiche um sie herum besser aus als andere. Die Linie, die bei gleicher Beleuchtung von einer gegebenen Quelle durch den ganzen Raum geht, heißt Lichtstärkekurve.
Blutmond und partielle Sonnenfinsternis
Vampirromane sind voll von schrecklichen Verwandlungen, die Mensch und Natur im Blutmond widerfahren. Aber es sagt nicht, dass dieses Phänomen nicht gefürchtet werden sollte. Weil es das Ergebnis der Größe der Sonne ist. Der Durchmesser unseres Zentralsterns beträgt etwa 110 Erddurchmesser. Gleichzeitig erreichen Photonen, die sowohl vom einen als auch vom anderen Rand der sichtbaren Scheibe emittiert werden, die Oberfläche des Planeten. Wenn der Mond also in den Halbschatten der Erde fällt, wird er nicht vollständig verdeckt, sondern wird sozusagen rot. Schuld an diesem Farbton ist auch die Atmosphäre des Planeten: Sie absorbiert alle sichtbaren Wellenlängen außer den orangen. Denken Sie daran, dass die Sonne bei Sonnenuntergang auch rot wird, und das alles genau deshalb, weil sie durch eine dickere Schicht der Atmosphäre geht.
Wie entsteht die Ozonschicht der Erde?
Ein aufmerksamer Leser mag fragen: "Was hat der Lichtdruck mit Lebedews Experimenten zu tun?" Die chemische Wirkung des Lichts beruht übrigens auch darauf, dass das Photon Impuls trägt. Dieses Phänomen ist nämlich für einige Schichten der Atmosphäre des Planeten verantwortlich.
Wie Sie wissen, absorbiert unser Luftozean hauptsächlich die ultraviolette Komponente des Sonnenlichts. Darüber hinaus wäre Leben in bekannter Form unmöglich, wenn die felsige Erdoberfläche in ultraviolettes Licht getaucht würde. Aber in etwa 100 km Höhe ist die Atmosphäre noch nicht dick genug, um alles aufzunehmen. Und Ultraviolett hat die Möglichkeit, direkt mit Sauerstoff zu interagieren. Es zerlegt die Moleküle O2 infreie Atome und fördert ihre Kombination in eine andere Modifikation - O3. In seiner reinen Form ist dieses Gas tödlich. Deshalb wird es zur Desinfektion von Luft, Wasser und Kleidung verwendet. Aber als Teil der Erdatmosphäre schützt es alle Lebewesen vor den Auswirkungen schädlicher Strahlung, denn die Ozonschicht absorbiert sehr effektiv Quanten des elektromagnetischen Feldes mit Energien oberhalb des sichtbaren Spektrums.
