היום נקדיש שיחה לתופעה כמו לחץ קל. שקול את הנחות היסוד של התגלית ואת ההשלכות על המדע.
אור וצבע
תעלומת היכולות האנושיות הדאיגה אנשים מאז ימי קדם. איך העין רואה? למה קיימים צבעים? מהי הסיבה שהעולם הוא כפי שאנו תופסים אותו? כמה רחוק אדם יכול לראות? ניסויים בפירוק של קרן שמש לספקטרום בוצעו על ידי ניוטון במאה ה-17. הוא גם הניח בסיס מתמטי קפדני למספר עובדות שונות שהיו ידועות באותה תקופה על האור. והתיאוריה הניוטונית חזתה הרבה: למשל, תגליות שרק הפיזיקה הקוונטית הסבירה (הסטת האור בשדה כבידה). אבל הפיזיקה של אז לא ידעה ולא הבינה את טבעו המדויק של האור.
גל או חלקיק
מאז שמדענים ברחבי העולם החלו לחדור אל תמצית האור, קיים ויכוח: מהי קרינה, גל או חלקיק (גופם)? כמה עובדות (שבירה, השתקפות וקיטוב) אישרו את התיאוריה הראשונה. אחרים (התפשטות ישר בהיעדר מכשולים, לחץ קל) - השני. עם זאת, רק פיזיקת הקוונטים הצליחה להרגיע את המחלוקת על ידי שילוב שתי הגרסאות לאחת.כללי. תיאוריית הגלים הגופניים קובעת שלכל מיקרו-חלקיק, כולל פוטון, יש גם תכונות של גל וגם של חלקיק. כלומר, לקוונטי של אור יש מאפיינים כמו תדירות, משרעת ואורך גל, כמו גם תנע ומסה. בואו נעשה הזמנה מיד: לפוטונים אין מסת מנוחה. בהיותם קוונטי של השדה האלקטרומגנטי, הם נושאים אנרגיה ומסה רק בתהליך התנועה. זוהי תמצית המושג "אור". הפיזיקה הסבירה את זה כעת בפירוט מספיק.
אורך גל ואנרגיה
קצת מעל המושג "אנרגיית גל" הוזכר. איינשטיין הוכיח באופן משכנע שאנרגיה ומסה הם מושגים זהים. אם פוטון נושא אנרגיה, חייבת להיות לו מסה. עם זאת, קוונטי של אור הוא חלקיק "ערמומי": כאשר פוטון מתנגש במכשול, הוא מוותר לחלוטין על האנרגיה שלו לחומר, הופך לו ומאבד את המהות האינדיבידואלית שלו. יחד עם זאת, נסיבות מסוימות (חימום חזק, למשל) עלולות לגרום לחלל הפנימי הכהה והרגוע של מתכות וגזים לפלוט אור. ניתן לקבוע את התנע של פוטון, תוצאה ישירה של נוכחות מסה, באמצעות לחץ האור. הניסויים של לבדב, חוקר מרוסיה, הוכיחו באופן משכנע את העובדה המדהימה הזו.
הניסוי של לבדב
המדען הרוסי פטר ניקולאביץ' לבדב בשנת 1899 ערך את הניסוי הבא. על חוט כסף דק תלה מוט צולב. לקצוות המוט הצלב, המדען חיבר שני לוחות מאותו חומר. אלה היו נייר כסף, וזהב, ואפילו נציץ. כך נוצרו מעין קשקשים.רק שהם מדדו את המשקל לא של המטען הלוחץ מלמעלה, אלא של המטען הלוחץ מהצד על כל אחת מהצלחות. לבדב הניח את כל המבנה הזה מתחת לכיסוי זכוכית כך שהרוח והתנודות האקראיות בצפיפות האוויר לא יוכלו להשפיע עליו. בנוסף, אני רוצה לכתוב שהוא יצר ואקום מתחת למכסה. אבל באותה תקופה, אפילו וואקום ממוצע היה בלתי אפשרי. אז אנחנו אומרים שהוא יצר אווירה נדירה מאוד מתחת לכיסוי הזכוכית. והאיר לסירוגין צלחת אחת, מותיר את השנייה בצל. כמות האור שהופנתה למשטחים נקבעה מראש. מזווית ההטיה, לבדב קבע איזה מומנטום העביר את האור לצלחות.
נוסחאות לקביעת הלחץ של קרינה אלקטרומגנטית בשכיחות אלומה רגילה
בוא נסביר תחילה מהי "נפילה רגילה"? אור נופל על משטח בדרך כלל אם הוא מכוון בניצב לחלוטין למשטח. זה מטיל מגבלות על הבעיה: המשטח חייב להיות חלק לחלוטין, וקרן הקרינה חייבת להיות מכוונת בצורה מדויקת מאוד. במקרה זה, הלחץ הקל מחושב לפי הנוסחה:
p=(1-k+ρ)I/c, where
k הוא השידור, ρ הוא מקדם ההחזר, I הוא עוצמת אלומת האור הנכנסת, c היא מהירות האור בוואקום.
אבל, כנראה, הקורא כבר ניחש ששילוב אידיאלי כזה של גורמים לא קיים. גם אם המשטח האידיאלי לא נלקח בחשבון, די קשה לארגן את שכיחות האור בניצב לחלוטין.
נוסחאות עבורקביעת הלחץ של קרינה אלקטרומגנטית כשהיא נופלת בזווית
לחץ האור על משטח מראה בזווית מחושב באמצעות נוסחה אחרת שכבר מכילה אלמנטים של וקטורים:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
הערכים p,i,i' הם וקטורים. במקרה זה, k ו-ρ, כמו בנוסחה הקודמת, הם מקדמי השידור וההשתקפות, בהתאמה. הערכים החדשים אומרים את הדברים הבאים:
- ω – צפיפות נפח של אנרגיית קרינה;
- i ו-i' הם וקטורי יחידה המראים את כיוון האירוע וקרן האור המוחזרת (הם קובעים את הכיוונים שבהם יש להוסיף את הכוחות הפועלים);
- ϴ - זווית לנורמלית שבה נופלת קרן האור (ובהתאם היא מוחזרת, מאחר שהמשטח מושקף).
הזכירו לקורא שהנורמלי מאונך למשטח, אז אם ניתנת לבעיה זווית כניסת האור למשטח, אז ϴ הוא 90 מעלות פחות הערך הנתון.
יישום תופעת לחץ קרינה אלקטרומגנטית
סטודנט שלומד פיזיקה מוצא הרבה נוסחאות, מושגים ותופעות משעממות. כי, ככלל, המורה מספר את ההיבטים התיאורטיים, אך לעתים רחוקות יכול לתת דוגמאות ליתרונות של תופעות מסוימות. אל לנו להאשים בכך את חונכי בית הספר: הם מוגבלים מאוד מהתוכנית, במהלך השיעור צריך לספר חומר נרחב ועדיין יש זמן לבדוק את הידע של התלמידים.
עם זאת, למושא המחקר שלנו יש הרבהיישומים מעניינים:
- עכשיו כמעט כל תלמיד במעבדה של המוסד החינוכי שלו יכול לחזור על הניסוי של לבדב. אבל אז צירוף המקרים של נתונים ניסויים עם חישובים תיאורטיים היה פריצת דרך אמיתית. הניסוי, שנעשה לראשונה עם שגיאה של 20%, אפשר למדענים ברחבי העולם לפתח ענף חדש בפיזיקה - אופטיקה קוונטית.
- ייצור פרוטונים בעלי אנרגיה גבוהה (לדוגמה, להקרנה של חומרים שונים) על ידי האצת סרטים דקים בדופק לייזר.
- התחשבות בלחץ הקרינה האלקטרומגנטית של השמש על פני השטח של עצמים קרובים לכדור הארץ, כולל לוויינים ותחנות חלל, מאפשרת לך לתקן את מסלולם בדיוק רב יותר ומונעת מהמכשירים הללו ליפול לכדור הארץ.
האפליקציות שלעיל קיימות כעת בעולם האמיתי. אבל יש גם הזדמנויות פוטנציאליות שעדיין לא מומשו, כי הטכנולוגיה של האנושות עדיין לא הגיעה לרמה הנדרשת. ביניהם:
- מפרש שמש. בעזרתו, ניתן יהיה להעביר עומסים גדולים למדי בחלל קרוב לכדור הארץ ואפילו קרוב לשמש. האור נותן דחף קטן, אבל עם המיקום הנכון של פני המפרש, התאוצה תהיה קבועה. בהיעדר חיכוך, מספיק לצבור מהירות ולספק סחורה לנקודה הרצויה במערכת השמש.
- מנוע פוטוני. טכנולוגיה זו, אולי, תאפשר לאדם להתגבר על המשיכה של הכוכב שלו ולטוס לעולמות אחרים. ההבדל ממפרש שמש הוא שמכשיר שנוצר באופן מלאכותי, למשל, תרמו-גרעיני, יפיק פולסים סולאריים.מנוע.
