I dag skal vi snakke om Lebedevs eksperiment for å bevise trykket fra lysfotoner. Vi vil avsløre viktigheten av denne oppdagelsen og bakgrunnen som førte til den.
Kunnskap er nysgjerrighet
Det er to synspunkter på fenomenet nysgjerrighet. Det ene uttrykkes med ordtaket «nysgjerrige Varvaras nese ble revet av på markedet», og det andre - med ordtaket «nysgjerrighet er ikke en last». Dette paradokset løses lett hvis man skiller mellom områder der interesse ikke er velkommen eller tvert imot er nødvendig.
Johannes Kepler ble ikke født til å bli vitenskapsmann: faren hans kjempet i krigen, og moren hans holdt en taverna. Men han hadde ekstraordinære evner og var selvfølgelig nysgjerrig. I tillegg led Kepler av en alvorlig synshemming. Men det var han som gjorde funn, takket være hvilken vitenskap og hele verden er der de er nå. Johannes Kepler er kjent for å klargjøre planetsystemet til Copernicus, men i dag skal vi snakke om andre prestasjoner av forskeren.
Treghet og bølgelengde: A Medieval Legacy
For femti tusen år siden tilhørte matematikk og fysikk seksjonen "Kunst". Derfor var Copernicus engasjert i mekanikken for bevegelse av kropper (inkludert himmelske), og optikk og tyngdekraft. Det var han som beviste eksistensen av treghet. Fra konklusjoneneDenne forskeren vokste frem moderne mekanikk, konseptet om kroppsvekselvirkninger, vitenskapen om utveksling av hastigheter for kontaktobjekter. Copernicus utviklet også et harmonisk system av lineær optikk.
Han introduserte konsepter som:
- "lysbrytning";
- "refraksjon";
- "optisk akse";
- "total intern refleksjon";
- "illumination".
Og forskningen hans beviste til slutt lysets bølgenatur og førte til Lebedevs eksperiment med å måle trykket til fotoner.
Lysets kvanteegenskaper
Først av alt er det verdt å definere essensen av lys og snakke om hva det er. Et foton er et kvantum av et elektromagnetisk felt. Det er en energipakke som beveger seg gjennom hele rommet. Du kan ikke "bite av" litt energi fra et foton, men det kan transformeres. For eksempel, hvis lys absorberes av et stoff, er energien inne i kroppen i stand til å gjennomgå endringer og sende tilbake et foton med en annen energi. Men formelt sett vil ikke dette være det samme lyskvantumet som ble absorbert.
Et eksempel på dette kan være en solid metallkule. Hvis et stykke materie blir revet fra overflaten, vil formen endre seg, den vil slutte å være sfærisk. Men hvis du smelter hele gjenstanden, tar litt flytende metall, og deretter lager en mindre kule av restene, så blir det igjen en kule, men annerledes, ikke det samme som før.
Lysets bølgeegenskaper
Fotoner har egenskapene til en bølge. Grunnleggende parametere er:
- bølgelengde (karakteriserer mellomrom);
- frekvens (karakteriserertid);
- amplitude (karakteriserer styrken til oscillasjonen).
Men som et kvantum av et elektromagnetisk felt, har et foton også en forplantningsretning (betegnet som en bølgevektor). I tillegg er amplitudevektoren i stand til å rotere rundt bølgevektoren og skape bølgepolarisering. Ved samtidig emisjon av flere fotoner blir også fasen, eller rettere sagt faseforskjellen, en viktig faktor. Husk at fasen er den delen av oscillasjonen som bølgefronten har på et bestemt tidspunkt (stigning, maksimum, nedstigning eller minimum).
masse og energi
Som Einstein vittig beviste, er masse energi. Men i hvert enkelt tilfelle kan det være vanskelig å søke etter en lov der en verdi blir til en annen. Alle de ovennevnte bølgekarakteristikkene til lys er nært knyttet til energi. Nemlig: å øke bølgelengden og redusere frekvensen betyr mindre energi. Men siden det er energi, må fotonet ha masse, derfor må det være lett trykk.
Opplevelsesstruktur
Men siden fotoner er veldig små, bør massen deres også være liten. Å bygge en enhet som kunne bestemme den med tilstrekkelig nøyaktighet var en vanskelig teknisk oppgave. Den russiske vitenskapsmannen Lebedev Petr Nikolaevich var den første som taklet det.
Selve eksperimentet var basert på utformingen av vektene som bestemte vridningsmomentet. En tverrstang ble hengt på en sølvtråd. Festet til endene var identiske tynne plater av forskjelligematerialer. Oftest ble metaller (sølv, gull, nikkel) brukt i Lebedevs eksperiment, men det var også glimmer. Hele strukturen ble plassert i et glasskar, der det ble skapt et vakuum. Etter det ble den ene platen opplyst, mens den andre forble i skyggen. Lebedevs erfaring viste at belysning av den ene siden fører til at vekten begynner å snurre. I henhold til avviksvinkelen bedømte forskeren styrken til lyset.
Opplev problemer
På begynnelsen av det tjuende århundre var det vanskelig å sette opp et tilstrekkelig nøyaktig eksperiment. Hver fysiker visste hvordan man lager et vakuum, jobber med glass og polerer overflater. Faktisk ble kunnskap innhentet manuelt. På den tiden var det ingen store selskaper som ville produsere nødvendig utstyr i hundrevis av deler. Lebedevs enhet ble laget for hånd, så forskeren møtte en rekke vanskeligheter.
Støvsuget på den tiden var ikke engang gjennomsnittlig. Forskeren pumpet ut luft under en glasshette med en spesiell pumpe. Men eksperimentet fant i beste fall sted i en sjeldne atmosfære. Det var vanskelig å skille trykket av lys (impulsoverføring) fra oppvarmingen av den opplyste siden av enheten: hovedhindringen var tilstedeværelsen av gass. Hvis eksperimentet ble utført i et dypt vakuum, ville det ikke være noen molekyler hvis brownske bevegelse på den opplyste siden ville være sterkere.
Følsomheten til avbøyningsvinkelen etterlot mye å være ønsket. Moderne skrufinnere kan måle vinkler ned til milliondeler av en radian. På begynnelsen av det nittende århundre kunne målestokken sees med det blotte øye. Teknikktid kunne ikke gi identisk vekt og størrelse på platene. Dette gjorde det igjen umulig å fordele massen jevnt, noe som også skapte vanskeligheter med å bestemme dreiemomentet.
Isolasjonen og strukturen til tråden påvirker resultatet i stor grad. Hvis den ene enden av metallstykket ble oppvarmet mer av en eller annen grunn (dette kalles en temperaturgradient), kan ledningen begynne å vri seg uten lett trykk. Til tross for at Lebedevs enhet var ganske enkel og ga en stor feil, ble faktumet med momentumoverføring av lysfotoner bekreftet.
Form på lysplater
Forrige avsnitt listet opp mange tekniske vanskeligheter som eksisterte i eksperimentet, men påvirket ikke hovedsaken - lys. Rent teoretisk ser vi for oss at en stråle av monokromatiske stråler faller på platen, som er strengt tatt parallelle med hverandre. Men på begynnelsen av det tjuende århundre var lyskilden solen, stearinlys og enkle glødelamper. For å gjøre strålen av stråler parallell, ble det bygget komplekse linsesystemer. Og i dette tilfellet var lysstyrkekurven til kilden den viktigste faktoren.
I fysikktimen sies det ofte at stråler kommer fra ett punkt. Men ekte lysgeneratorer har visse dimensjoner. Dessuten kan midten av et filament avgi flere fotoner enn kantene. Som et resultat lyser lampen noen områder rundt den bedre enn andre. Linjen som går rundt hele rommet med samme belysning fra en gitt kilde kalles lysstyrkekurven.
Blodmåne og delvis formørkelse
Vampyrromaner er fulle av forferdelige transformasjoner som skjer med mennesker og natur i blodmånen. Men det står ikke at dette fenomenet ikke skal fryktes. Fordi det er et resultat av solens store størrelse. Diameteren til vår sentrale stjerne er omtrent 110 jorddiametre. Samtidig når fotoner som sendes ut fra både den ene og andre kanten av den synlige skiven planetens overflate. Når månen faller inn i jordas penumbra, er den altså ikke helt tilslørt, men blir så å si rød. Atmosfæren på planeten har også skylden for denne skyggen: den absorberer alle synlige bølgelengder, bortsett fra oransje. Husk at solen også blir rød ved solnedgang, og alt nettopp fordi den passerer gjennom et tykkere lag av atmosfæren.
Hvordan skapes jordens ozonlag?
En nitid leser kan spørre: "Hva har lystrykket å gjøre med Lebedevs eksperimenter?" Den kjemiske effekten av lys skyldes forresten også at fotonet bærer momentum. Dette fenomenet er nemlig ansvarlig for noen lag av planetens atmosfære.
Som du vet, absorberer lufthavet vårt hovedsakelig den ultrafiolette komponenten av sollys. Dessuten ville liv i kjent form vært umulig hvis den steinete overflaten av jorden var badet i ultrafiolett lys. Men i en høyde på rundt 100 km er atmosfæren ennå ikke tykk nok til å absorbere alt. Og ultrafiolett får muligheten til å samhandle med oksygen direkte. Den bryter molekylene O2 inn ifrie atomer og fremmer kombinasjonen deres til en annen modifikasjon - O3. I sin rene form er denne gassen dødelig. Det er derfor det brukes til å desinfisere luft, vann, klær. Men som en del av jordens atmosfære beskytter den alle levende ting mot virkningene av skadelig stråling, fordi ozonlaget absorberer meget effektivt kvanter av det elektromagnetiske feltet med energier over det synlige spekteret.
