Tlak světla. Povaha světla je fyzikou. Tlak světelného vzorce

Dnes budeme věnovat takovému jevu rozhovor jako tlak světla. Zvažte předpoklady objevu a důsledky pro vědu.

Světlo a barva

Hádka o lidských schopnostech vzbudila lidi od starověku. Jak vidí oko? Proč existují barvy? Jaký je důvod, proč je svět tak, jak to cítíme? Jak daleko může člověk vidět? Experimenty s rozkladem slunečních paprsků do spektra byly provedeny Newtonem v 17. století. On také položil přísný matematický základ v sérii nesourodých skutečností, které byly v té době známé o světle. A Newtonova teorie předpovídala hodně: například objevy, které byly vysvětleny pouze kvantovou fyzikou (odchylka světla v gravitačním poli). Ale přesná povaha světla, fyzik té doby nevěděl a nerozuměl.

Vlna nebo částice

Vzhledem k tomu, že vědci z celého světa začali pronikat do podstaty světla, probíhal spor: jaká je záření, vlna nebo částice? Některé fakty (refrakce, reflexe a polarizace) potvrdily první teorii. Jiné (přímočaré šíření v nepřítomnosti překážek, tlak světla) jsou druhé. Nicméně pouze kvantová fyzika dokázala uklidnit tento spor spojením obou verzí do jednoho obecného. Teorie korpuskulárních vln potvrzuje, že jakákoli mikročástice, včetně fotonu, má jak vlnové vlastnosti, tak částice. To znamená, že kvantum světla má takové vlastnosti jako frekvence, amplituda a vlnová délka, stejně jako hybnost a hmotnost. Okamžitě udělejte rezervaci: fotony nemají odpočinkovou hmotnost. Jako kvantum elektromagnetického pole přenášejí energii a hmotu pouze v pohybu. To je podstatou pojmu "světlo". Fyzika dnes podrobně vysvětlila.

Vlnová délka a energie

Právě výše zmíněný pojem "vlnová energie". Einstein přesvědčivě dokázal, že energie a maso jsou totožné pojmy. Pokud foton nese energii, musí mít hmotu. Nicméně, kvantové světla - částice „choulostivé“: když foton narazí na překážku, je zcela vzdá svou energii k podstatě, to se stává a ztratí svou individuální identitu. Tak za určitých okolností (vysoká tepelná, například), by mohl přinutit před tmavé a tiché podloží kovu a plynu vyzařovat světlo. Fotonový moment, okamžitý důsledek přítomnosti hmoty, lze určit pomocí lehkého tlaku. Pokusy Lebeděva, výzkumník z Ruska, přesvědčivě dokázal tento úžasný fakt.

Zkušenosti Lebeděva

Ruský vědec Petr Nikolajevič Lebeděv v roce 1899 provedl následující experiment. Na tenké stříbrné nitě visel příčník. Na koncích příčníku připojil vědec dvě desky stejné látky. Byla to stříbrná fólie, zlato a dokonce i slída. Tak vznikly určité stupnice. Pouze naměřili hmotnost ne zatížení, které tlačí shora, ale zatížení, které rozdrtí na každé straně desek. Celá tato stavba Lebeděv byla umístěna pod skleněným krytem, ​​takže vítr a náhodná fluktuace hustoty vzduchu nemohly ovlivnit to. Dále bych chtěl napsat, že pod krytem vytvořil vakuum. Ale v té době nebylo možné dosáhnout ani průměrného vakua. Takže říkáme, že pod skleněným víkem vytvořil velmi vzácnou atmosféru. A střídavě osvětlovala jednu desku a druhou nechala ve stínu. Množství světla směřujícího k povrchu bylo předem specifikováno. Podle úhlu odchylky Lebeděv určil, jaký druh hybnosti přenáší světlo na desky.

Vzorce pro stanovení tlaku elektromagnetického záření s normálním dopadem paprsku

Vysvětleme nejdříve, co je "normální pád"? Světlo klesá na povrch normálně, pokud je nasměrováno striktně kolmo k povrchu. To omezuje problém: povrch musí být dokonale hladký a svazek záření je přesně zaměřen. V tomto případě se lehký tlak vypočítá podle vzorce:

p = (1-k + rho-) * I / c,

kde

k je propustnost, rho je koeficient odrazu, I je intenzita dopadajícího světelného paprsku a c je rychlost světla ve vakuu.

Pravděpodobně ale čtenář již uhodl, že taková ideální kombinace faktorů neexistuje. Dokonce i když nezohledňujete ideálnost povrchu, pád světla přísně kolmý k uspořádání je poměrně obtížný.

Vzorce pro stanovení tlaku elektromagnetického záření, když klesá pod úhlem

Tlak světla na povrchu zrcadla pod úhlem je vypočítán jiným vzorem, který již obsahuje prvky vektorů:

p = omega- ((1-k) i + rho-irsquo-) cos Θ

Množství p, i, irsquo- jsou vektory. Navíc k a rho-, jak je tomu v předchozím vzorci, jsou koeficienty propustnosti a odrazu. Nové hodnoty označují následující:

• omega- je objemová hustota energie záření;
• i a irsquo- jsou jednotkové vektory, které ukazují směr dopadajícího a odraženého světelného paprsku (určují směry, podél kterých by měly být přidány působící síly);
• Θ je úhel k normálu, pod kterým paprsek světla klesá (a proto se odráží, protože povrch je zrcadlový).

Čtenář si připomenout, že normální kolmo k povrchu, tak, aby v případě, že problém je dán úhlem dopadu k povrchu, Θ - 90 stupňů mínus uvedená předem stanovená hodnota.

Aplikace fenoménu tlaku elektromagnetického záření

Školák, který studuje fyziku, mnoho vzorců, konceptů a jevů se zdá nudný. Protože zpravidla učitel řekne teoretické aspekty, ale jen zřídka dá příklady výhod některých jevů. Nebudeme za to obviňovat školní instruktory: jsou programem velmi omezeni, během lekce je nutné vysvětlit rozsáhlý materiál a mít čas na zkontrolování znalostí studentů.

Nicméně náš výzkumný objekt má mnoho zajímavých aplikací:

1. Nyní téměř každý školák v laboratoři školy může opakovat zkušenost Lebeděva. Ale pak shoda náhodných dat s teoretickými výpočty byla opravdovým průlomem. Vyrobeno poprvé s 20 procentní chybou, experiment umožnil vědcům na celém světě vyvinout novou větev fyziky - kvantovou optiku.
2. Výroba vysokoenergetických protonů (například pro ozařování různých látek) zrychlením tenkých vrstev laserovým pulsem.
3. Tlak účetnictví elektromagnetické záření Slunce na povrchu v blízkosti Země objektů, včetně družic a vesmírných stanic může opravit jejich oběžnou dráhu s větší přesností a činí toto zařízení padá k zemi.

Výše uvedené aplikace existují nyní v reálném světě. Existují však potenciální příležitosti, které dosud nebyly realizovány, protože technologie lidstva dosud nedosáhla požadované úrovně. Mezi ně patří:

1. Sluneční plachta. S jeho pomocí by bylo možné přesunout spíše velké zatížení v blízkosti země a dokonce i blízko slunce. Světlo dává malý impuls, ale v požadované poloze povrchu plachty bude zrychlení konstantní. Při absenci tření postačuje rychlá volba a dodání nákladu do požadovaného bodu sluneční soustavy.
2. Fotonový motor. Tato technologie možná umožní člověku překonat přitažlivost rodné hvězdy a létat do jiných světů. Rozdíl od sluneční plachty spočívá v tom, že generovat solární impulsy bude uměle vytvořeným zařízením, například termonukleárním motorem.