امروز گفتگویی را به پدیده ای مانند فشار سبک اختصاص خواهیم داد. مقدمات کشف و پیامدهای آن برای علم را در نظر بگیرید.
نور و رنگ
معمای توانایی های انسان از زمان های قدیم مردم را نگران کرده است. چشم چگونه می بیند؟ چرا رنگ ها وجود دارند؟ دلیل اینکه دنیا به گونه ای است که ما آن را درک می کنیم چیست؟ انسان تا کجا می تواند ببیند؟ آزمایشات مربوط به تجزیه پرتوهای خورشیدی به یک طیف توسط نیوتن در قرن هفدهم انجام شد. او همچنین برای تعدادی از حقایق متفاوت که در آن زمان در مورد نور شناخته شده بودند، پایه ریاضی دقیقی گذاشت. و نظریه نیوتنی چیزهای زیادی را پیش بینی کرد: به عنوان مثال، اکتشافاتی که فقط فیزیک کوانتومی آنها را توضیح داد (انحراف نور در یک میدان گرانشی). اما فیزیک آن زمان ماهیت دقیق نور را نمی دانست و نمی دانست.
موج یا ذره
از زمانی که دانشمندان در سراسر جهان شروع به نفوذ به ذات نور کردند، این بحث وجود داشت: تشعشع، موج یا ذره (جسم) چیست؟ برخی از حقایق (انکسار، بازتاب و قطبش) نظریه اول را تأیید کرد. دیگران (تکثیر مستقیم در صورت عدم وجود موانع، فشار سبک) - دوم. با این حال، تنها فیزیک کوانتومی توانست این اختلاف را با ترکیب این دو نسخه در یک نسخه آرام کند.عمومی. نظریه موج جسمی بیان می کند که هر ریز ذره، از جمله فوتون، هم خواص موج و هم ذره را دارد. یعنی یک کوانتوم نور دارای ویژگی هایی مانند فرکانس، دامنه و طول موج و همچنین تکانه و جرم است. بیایید فوراً رزرو کنیم: فوتون ها جرم استراحت ندارند. به عنوان کوانتومی از میدان الکترومغناطیسی، آنها انرژی و جرم را فقط در فرآیند حرکت حمل می کنند. این جوهر مفهوم "نور" است. اکنون فیزیک آن را با جزئیات کافی توضیح داده است.
طول موج و انرژی
کمی بالاتر از مفهوم "انرژی موج" ذکر شد. انیشتین به طور قانع کننده ای ثابت کرد که انرژی و جرم مفاهیمی مشابه هستند. اگر فوتون حامل انرژی باشد، باید جرم داشته باشد. با این حال، یک کوانتوم نور یک ذره "حیله گر" است: هنگامی که یک فوتون با یک مانع برخورد می کند، انرژی خود را به طور کامل به ماده می دهد، تبدیل به آن می شود و جوهر فردی خود را از دست می دهد. در عین حال، شرایط خاص (مثلاً گرمایش قوی) می تواند باعث شود که فضای داخلی تاریک و آرام قبلی فلزات و گازها نور ساطع کنند. تکانه فوتون که نتیجه مستقیم حضور جرم است را می توان با استفاده از فشار نور تعیین کرد. آزمایشات لبدف، محققی از روسیه، به طور قانع کننده ای این واقعیت شگفت انگیز را ثابت کرد.
آزمایش لبدف
دانشمند روسی پتر نیکولاویچ لبدف در سال 1899 آزمایش زیر را انجام داد. روی یک نخ نازک نقره ای میله ای آویزان کرد. به انتهای میله متقاطع، دانشمند دو صفحه از یک ماده را وصل کرد. اینها فویل نقره و طلا و حتی میکا بودند. بدین ترتیب نوعی ترازو ایجاد شد.فقط آنها وزن باری را که از بالا فشار می دهد، وزن باری را که از پهلو روی هر یک از صفحات فشار می دهد اندازه گرفتند. لبدف کل این سازه را زیر یک پوشش شیشه ای قرار داد تا باد و نوسانات تصادفی چگالی هوا بر آن تأثیری نداشته باشد. علاوه بر این، می خواهم بنویسم که او یک خلاء زیر درب ایجاد کرد. اما در آن زمان، حتی یک خلاء متوسط نیز غیرممکن بود. بنابراین می گوییم که او فضای بسیار کمیابی را زیر پوشش شیشه ای ایجاد کرده است. و به طور متناوب یک صفحه را روشن کرد و دیگری را در سایه گذاشت. مقدار نور هدایت شده به سطوح از قبل تعیین شده بود. از زاویه انحراف، لبدف تعیین کرد که چه تکانه ای نور را به صفحات منتقل می کند.
فرمول های تعیین فشار تابش الکترومغناطیسی در فرود معمولی پرتو
اجازه دهید ابتدا توضیح دهیم که "سقوط عادی" چیست؟ نور به طور معمول به سطحی برخورد می کند که کاملاً عمود بر سطح باشد. این محدودیت هایی را بر مشکل تحمیل می کند: سطح باید کاملاً صاف باشد و پرتو تشعشع باید بسیار دقیق هدایت شود. در این مورد، فشار نور با فرمول محاسبه می شود:
p=(1-k+ρ)I/c،
جایی
k میزان عبور، ρ ضریب بازتاب، I شدت پرتو نور فرودی، c سرعت نور در خلاء است.
است.
اما احتمالاً خواننده قبلاً حدس زده است که چنین ترکیب ایده آلی از عوامل وجود ندارد. حتی اگر سطح ایده آل در نظر گرفته نشود، سازماندهی تابش نور کاملاً عمود بر مشکل است.
فرمول برایتعیین فشار تابش الکترومغناطیسی در هنگام سقوط در یک زاویه
فشار نور روی سطح آینه با زاویه با استفاده از فرمول متفاوتی محاسبه می شود که قبلاً حاوی عناصر بردار است:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
مقادیر p, i, i' بردار هستند. در این حالت، k و ρ، مانند فرمول قبلی، به ترتیب ضرایب انتقال و انعکاس هستند. مقادیر جدید به معنای موارد زیر است:
- ω – چگالی حجمی انرژی تابش؛
- i و i' بردارهای واحدی هستند که جهت تابش و پرتو بازتابی نور را نشان می دهند (آنها جهت هایی را تعیین می کنند که در آن نیروهای عامل باید اضافه شوند)؛
- ϴ - زاویه نسبت به حالت عادی که پرتو نور در آن می افتد (و بر این اساس، از آنجایی که سطح آینه ای است منعکس می شود).
به خواننده یادآوری کنید که حالت عادی بر سطح عمود است، بنابراین اگر زاویه تابش نور به سطح به مسئله داده شود، ϴ 90 درجه منهای مقدار داده شده است.
کاربرد پدیده فشار تابش الکترومغناطیسی
دانشجویی که فیزیک می خواند بسیاری از فرمول ها، مفاهیم و پدیده ها را خسته کننده می یابد. زیرا قاعدتاً معلم جنبه‌های نظری را بیان می‌کند، اما به ندرت می‌تواند از مزایای پدیده‌های خاص مثال بزند. بیایید مربیان مدرسه را در این مورد سرزنش نکنیم: آنها توسط برنامه بسیار محدود شده اند، در طول درس باید مطالب گسترده ای را بگویید و هنوز هم فرصت دارید تا دانش دانش آموزان را بررسی کنید.
با این وجود، هدف مطالعه ما چیزهای زیادی داردبرنامه های کاربردی جالب:
- اکنون تقریباً هر دانش آموزی در آزمایشگاه مؤسسه آموزشی خود می تواند آزمایش لبدف را تکرار کند. اما پس از آن همزمانی داده های تجربی با محاسبات نظری یک پیشرفت واقعی بود. این آزمایش که برای اولین بار با خطای 20 درصد انجام شد، به دانشمندان سراسر جهان اجازه داد تا شاخه جدیدی از فیزیک - اپتیک کوانتومی را توسعه دهند.
- تولید پروتون های پرانرژی (مثلاً برای تابش مواد مختلف) با تسریع لایه های نازک با پالس لیزر.
- با در نظر گرفتن فشار تابش الکترومغناطیسی خورشید بر سطح اجرام نزدیک به زمین، از جمله ماهواره ها و ایستگاه های فضایی، به شما این امکان را می دهد که مدار آنها را با دقت بیشتری تصحیح کنید و از سقوط این دستگاه ها به زمین جلوگیری کنید.
برنامه های فوق اکنون در دنیای واقعی وجود دارند. اما فرصت های بالقوه ای نیز وجود دارد که هنوز محقق نشده است، زیرا فناوری بشر هنوز به سطح لازم نرسیده است. از جمله:
- بادبان خورشیدی. با کمک آن می توان بارهای بسیار بزرگی را در فضای نزدیک به زمین و حتی نزدیک به خورشید جابه جا کرد. نور یک تکانه کوچک می دهد، اما با موقعیت مناسب سطح بادبان، شتاب ثابت خواهد بود. در صورت عدم وجود اصطکاک کافی است سرعت گرفته و کالا را به نقطه مورد نظر در منظومه شمسی برسانید.
- موتور فوتونیک. این فناوری، شاید به فرد این امکان را بدهد که بر جاذبه ستاره خود غلبه کند و به دنیاهای دیگر پرواز کند. تفاوت با بادبان خورشیدی در این است که یک وسیله مصنوعی ساخته شده، به عنوان مثال، یک گرما هسته ای، پالس های خورشیدی تولید می کند.موتور.
