Zkušenosti Lebeděva. Tlak světla. Zařízení Lebedev

Dnes se dozvíme o zkušenostech Lebeděva v prokázání tlaku fotonů světla. Zjistíme význam tohoto objevu a předpokladů, které k němu vedly.

Znalost je zvědavost

Existují dva názory na fenomén zvědavosti. Jeden je vyjádřen slovy "zvědavý Varvara na bazaru odtrhl nos", a druhý - slovy "zvědavost není chybou". Tento paradox se snadno vyřeší, pokud vymezíme oblasti, v nichž není zájem přivítán, nebo naopak.

Johannes Kepler se nenarodil, aby se stal vědcem: jeho otec bojoval a jeho matka udržovala hospůdku. Ale měl neobvyklé schopnosti a byl samozřejmě zvědavý. Kepler navíc trpěl vážnou vizuální vadou. Ale ten, kdo dělal objevy, díky nimž jsou věda a celý svět, kde jsou teď. Johannes Kepler je proslulý tím, že specifikoval planetární systém Koperníka, ale dnes budeme mluvit o dalších úspěších vědce.

Setrvačnost a vlnová délka: středověké dědictví

Před půl tisíci lety patřila matematika a fyzika do sekce "Umění". Proto se Copernicus zabýval mechanikou pohybu těles (včetně nebeských těl), optiky a gravitace. Byl to ten, kdo prokázal existenci setrvačnosti. Ze závěrů tohoto vědce se rozvíjela moderní mechanika, koncepce interakcí těl, věda o výměně rychlostí přilehlých objektů. Také Copernicus vyvinul harmonický systém lineární optiky.

Představil takové pojmy jako:

• "Refrakce světla";
• Refrakce;
• "Optická osa";
• "Plná interní reflexe";
• "Osvětlení".

A jeho výzkum nakonec dokázal vlnovou povahu světla a vedl k Lebeděvově experimentu na měření fotonového tlaku.

Kvantové vlastnosti světla

Za prvé je nutné určit podstatu světla a říct, co to je. Foton je kvantum elektromagnetického pole. Jedná se o balíček energie, který se pohybuje ve vesmíru jako celku. Foton nemůže být "ukousnut" trochu energie, ale může být transformován. Například pokud je světlo absorbováno hmotou, pak v těle je jeho energie schopna projít změnami a odmítnout foton s jinou energií. Ale to nebude formálně stejné množství světla, které bylo absorbováno.

Příkladem může být pevná kovová koule. Je-li kus hmoty roztrhaný z povrchu, tvar se změní a přestane být sférický. Ale pokud se celý objekt roztaví, vezměte trochu tekutého kovu a pak vytvoříte z pozůstatků menší míč, pak to bude znovu koule, ale další, ne stejný jako předtím.

Vlhké vlastnosti světla

• vlnová délka (charakterizuje prostor);
• frekvence (charakterizuje čas);
• amplituda (charakterizuje sílu oscilace).

Nicméně, jako kvantum elektromagnetického pole, má foton také směr šíření (označovaný jako vektor vlny). Navíc je amplitudový vektor schopen otáčet kolem vlnového vektoru a vytvořit polarizaci vlny. Se současným vyzařováním několika fotonů je důležitým faktorem také fáze, nebo spíše fázový rozdíl. Vzpomeňte si, že fáze je ta část oscilace, kterou vlna má v určité době (vzestup, maximum, sestup nebo minimum).

Hmotnost a energie

Jak Einstein dokázal vtipné, hmotností je energie. Ale v každém konkrétním případě je hledání zákona, podle kterého se jedna hodnota změní na jinou, obtížné. Všechny výše uvedené vlnové charakteristiky světla úzce souvisejí s energií. Zejména: zvýšení vlnové délky a snížení frekvence znamená méně energie. Ale pokud je energie, pak foton musí mít hmotu, proto musí být lehký tlak.

Struktura zkušeností

Nicméně, jelikož fotony jsou velmi malé, pak jejich hmotnost by měla být malá. Vytvoření zařízení, které by jej mohlo určit s dostatečnou přesností, bylo obtížné technické úkoly. Ruský vědec Lebeděv, Pyotr Nikolajevič, se s ním nejprve vyrovnal.

Samotná zkušenost byla založena na konstrukci závaží, které určily torzní moment. Na stříbrném závitu byla zavěšena příčka. Na jeho koncích byly upevněny stejné tenké desky různých materiálů. Nejčastěji v zážitku Lebedeva byly použity kovy (stříbro, zlato, nikl), ale také byla přítomna slída. Celá tato konstrukce byla umístěna do skleněné nádoby, ve které byl vytvořen podtlak. Poté se jeden disk rozsvítil a druhý zůstal ve stínu. Zkušenost Lebeděva prokázala, že osvětlení jedné strany vede k tomu, že váhy se začnou otáčet. Na úhlu odchylky vědec posoudil sílu světla.

Těžké zkušenosti

Na začátku dvacátého století bylo obtížné poskytnout poměrně přesný experiment. Každý fyzik věděl, jak vytvořit vakuum a pracovat se sklem a leskem. Ve skutečnosti byla znalost získána ručně. Pak nebyly žádné větší korporace, které by vyrobily správné vybavení ve stovkách kusů. Lebedevovo zařízení bylo vytvořeno ručně, takže vědec čelil řadě potíží.

Podtlak v té době nebyl ani průměrný. Vědec čerpal vzduch pod skleněnou čepičkou se speciální pumpou. Ale pokus byl nejlépe ve vzácné atmosféře. Bylo obtížné oddělit tlak světla (impulsní přenos) od ohřevu osvětlené strany zařízení: hlavní překážkou byla přítomnost plynu. Pokud by experiment probíhal za podmínek hlubokého vakua, nebyly by molekuly, jejichž Brownian pohyb na osvětlené straně by byl silnější.

Citlivost úhlu vychýlení je velmi žádoucí. Moderní helikální detektory mohou měřit úhel k milionové části radiánu. Na počátku devatenáctého století byla stupnice vidět pouhým okem. Technika té doby nemohla poskytnout stejnou hmotnost a velikost desek. To zase nedovolilo rovnoměrné rozložení hmoty, což také způsobilo obtíže při určování točivého momentu.

Izolace a struktura nitě výrazně ovlivňuje výsledek. Pokud by se jeden konec kovové části z nějakého důvodu zahřál (to se nazývá teplotní gradient), mohl by se vodič začít zahnut bez lehkého tlaku. Navzdory skutečnosti, že zařízení Lebeděva bylo dost jednoduché a způsobilo velkou chybu, potvrdil fakt přenosu hybnosti fotony světla.

Forma osvětlení tvaru

Předchozí část uvádí řadu technických obtíží, které existovaly v experimentu, ale neovlivnily hlavní věc - světlo. Teoreticky si představujeme, že na desce dopadá paprsek monochromatických paprsků, které jsou naprosto paralelní. Ale na počátku dvacátého století byl zdrojem světla slunce, svíčky a jednoduché žárovky. Pro vytvoření paralelního paprsku byly sestaveny komplexní objektivní systémy. V tomto případě byl nejdůležitějším faktorem křivka intenzity světla zdroje.

Ve fyzikálních lekcích se často říká, že paprsky vycházejí z jediného bodu. Ale skutečné generátory světla mají určité velikosti. Navíc, střed vlákna může vyzařovat více fotonů než hrany. Výsledkem je, že lampa osvětluje některé oblasti kolem sebe lépe než ostatní. Linka, která obklopuje celý prostor se stejným osvětlením z daného zdroje, se nazývá křivka intenzity světla.

Krvavý měsíc a částečné zatmění

Vampířské romány jsou plné strašných změn, které se stalo lidem a přírodě v krvavém měsíci. Ale tam není napsáno, že by se to nemělo bát. Protože je výsledkem velké velikosti Slunce. Průměr naší střední hvězdy je asi 110 průměrů Země. Současně fotony emitované z jednoho a druhého okraje viditelného disku dosáhnou povrchu planety. Takže, když měsíc spadá do poloviny stínu Země, není úplně zakrytý, ale protože byl malován červeně. V tomto stínu je také vina atmosféra planety: absorbuje všechny viditelné vlnové délky, s výjimkou těch oranžových. Nezapomeňte, že při západu slunce slunce svítí červeně, a to přesně proto, že prochází silnější vrstvou atmosféry.

Jak vzniká ozonová vrstva atmosféry Země?

Skvělý čtenář se může zeptat: "Co tady působí tlak světla, Lebeděvovy experimenty?" Chemické působení světla, mimochodem, souvisí také se skutečností, že foton nese impuls. Jmenovitě je tento jev zodpovědný za některé vrstvy atmosféry planety.

Jak je známo, náš vzduchový oceán v podstatě absorbuje ultrafialovou složku slunečního světla. Kromě toho by byl život v určité podobě nemožný, koupat skalnatý povrch země v ultrafialovém záření. Ale v nadmořské výšce asi 100 km atmosféra ještě není tak hustá, aby absorbovala všechno. A ultrafialové získávají příležitost k interakci s kyslíkem přímo. Rozkládá molekuly O₂ na volných atomech a usnadňuje jejich připojení k jiné modifikaci - O₃. Ve své čisté podobě je tento plyn smrtící. To je důvod, proč se používá k dezinfekci vzduchu, vody, oblečení. Ale jako součást zemské atmosféry chrání celý život před účinky škodlivého záření, protože ozonová vrstva velmi účinně absorbuje kvantum elektromagnetického pole s energií nad viditelným spektrem.