Опитът на Лебедев. Налягане на светлината. Устройство Лебедев

Днес ще разкажем за опита на Лебедев в доказването на натиска на светлинните фотони. Ще разкрием значението на това откритие и предпоставките, които го доведоха.

Знанието е любопитство

Има две гледни точки за феномена любопитство. Едната се изразява с думите "любопитен Варвара на базара се откъсва от носа си", а другият - с думите "любопитството не е недостатък". Този парадокс лесно се разрешава, ако очертаем области, в които интересът не е приветстван или обратно, е необходимо.

Йоханес Кеплер не се е родил да стане учен: баща му се е борил и майка му е имала таверна. Но той имаше необичайни способности и, разбира се, беше любопитен. Освен това Кеплер страда от сериозен зрителен дефект. Но той е направил открития, благодарение на които науката и целият свят са там, където са сега. Йоханес Кеплер е известен с това, че е определил планетарната система на Коперник, но днес ще говорим за други постижения на учения.

Инерция и дължина на вълната: средновековна наследство

Преди половин хилядолетия математиката и физиката принадлежат към секцията "Изкуство". Поради това Коперник се занимаваше както с механиката на движението на телата (включително небесни тела), така и с оптиката и гравитацията. Той беше този, който доказва съществуването на инерция. От заключенията на този учен нарасна съвременната механика, концепцията за взаимодействието на телата, науката за обмен на скорости на съседни обекти. Също така Коперник разработи хармонична система от линейна оптика.

Той въведе такива понятия като:

• "Рефракция на светлината";
• "Отклонение";
• "Оптична ос";
• "Пълно вътрешно отражение";
• "Осветяването".

И неговото изследване в крайна сметка доказва вълната на светлината и води до експеримента на Лебедев за измерване на фотонния натиск.

Квантови свойства на светлината

За начало е необходимо да се определи същността на светлината и да се каже какво е то. Фотонът е квантово на електромагнитното поле. Това е пакет от енергия, който се движи в космоса като цяло. Фотонът не може да бъде "ухапан" малко енергия, но може да бъде трансформиран. Например, ако светлината се абсорбира от материята, тогава в тялото нейната енергия може да претърпи промени и да отхвърли фотон с различна енергия. Но тя формално няма да бъде същата квантова светлина, която се абсорбира.

Пример за това може да бъде солидна метална топка. Ако част от материята е разкъсана от повърхността й, формата ще се промени и ще престане да бъде сферична. Но ако целият обект се стопи, вземете малко течен метал и след това създайте по-малка топка от остатъците, тогава отново ще бъде сфера, но друга, а не същата като преди.

Вълнови свойства на светлината

• дължина на вълната (характеризира пространството);
• честота (характеризира времето);
• амплитуда (характеризира силата на трептенията).

Въпреки това, като квантово на електромагнитното поле, фотонът също има посока на разпространение (означена като вълнов вектор). В допълнение векторът на амплитудата може да се върти около вълновия вектор и да създаде поляризация на вълната. С едновременното излъчване на няколко фотони, важен фактор е и фазата, или по-скоро фазовата разлика. Спомнете си, фазата е тази част от трептенията, която фронта на вълната има в определено време (издигане, максимално, спускане или минимум).

Маса и енергия

Докато Айнщайн се оказва остроумен, масата е енергия. Но във всеки конкретен случай търсенето на закон, според който една стойност се превръща в друга, е трудно. Всички горни вълнови характеристики на светлината са тясно свързани с енергията. А именно: увеличаването на дължината на вълната и намаляването на честотата означава по-малко енергия. Но ако има енергия, тогава фотонът трябва да има маса, затова трябва да има лек натиск.

Структура на опита

Тъй като обаче фотоните са много малки, масата им трябва да е малка. Изграждането на устройство, което да го определи с достатъчна точност, е трудна задача от техническа гледна точка. Руският учен Лебедев, Пьотр Николаевич, се справя първо с него.

Самият опит се основаваше на дизайна на теглата, които определят момент на усукване. На сребърна нишка висеше напречна греда. Към краищата му бяха прикрепени идентични тънки пластини от различни материали. Най-често в опита на Лебедев са използвани метали (сребро, злато, никел), но има и слюда. Цялата тази конструкция беше поставена в стъклен съд, в който беше създаден вакуум. След това един диск свети, а другият остана на сянка. Опитът на Лебедев доказа, че осветяването на едната страна води до това, че везните започват да се въртят. На ъгъла на отклонение ученият съди силата на светлината.

Трудности на опита

В началото на ХХ век беше трудно да се достави доста точен експеримент. Всеки физик знаеше как да създава вакуум и да работи със стъкло и полиращи повърхности. Всъщност знанието се получава ръчно. Тогава нямаше големи корпорации, които да произведат точното оборудване в стотици парчета. Устройството Lebedev е създадено ръчно, така че ученият е изправен пред редица трудности.

Вакуумът по това време дори не беше средно. Ученият изпомпва въздуха от стъклената капачка със специална помпа. Но експериментът в най-добрия случай беше в редка атмосфера. Трудно е да се отдели светлинното налягане (импулсно пренасяне) от нагряването на осветената страна на устройството: основната пречка беше наличието на газ. Ако експериментът се извърши при условия на дълбок вакуум, няма да има молекули, чието брауново движение на осветената страна би било по-силно.

Чувствителността на ъгъла на отклонение е много желателно. Модерните спирални детектори могат да измерват ъгъла на милионната част на радиана. В началото на деветнадесети век скалата може да се види с просто око. Техниката от това време не може да осигури еднакво тегло и размер на плочите. Това от своя страна не позволява равномерно разпределение на масата, което също създава трудности при определяне на въртящия момент.

Изолацията и структурата на конеца силно влияят върху резултата. Ако един край на металната част се нагрява по някаква причина (това се нарича температурен градиент), телта може да започне да се огъва без леко натиск. Въпреки факта, че устройството на Лебедев беше достатъчно проста и даде голяма грешка, фактът на трансфер на инерция от светлината на фотоните бе потвърден.

Форма форма на осветление

Предишната секция изброява редица технически трудности, които са съществували в експеримента, но не засягаше основното нещо - светлина. Теоретично, ние си представяме, че гредата от монохромни лъчи се подава върху плочата, които са стриктно успоредни един на друг. Но в началото на ХХ век източникът на светлина е слънцето, свещите и обикновените лампи с нажежаема жичка. За да се направи паралелният лъч паралелно, бяха изградени сложни системи от лещи. И в този случай най-важният фактор е кривата на светлинния интензитет на източника.

В уроците по физика често се казва, че лъчите се излъчват от една точка. Но реалните генератори на светлина имат определени размери. В допълнение, средата на нишката може да излъчва повече фотони, отколкото ръбовете. В резултат на това лампата осветява някои области около себе си по-добре от други. Линия, която обгръща цялото пространство със същото осветление от даден източник, се нарича кривата на интензивността на светлината.

Кървава луна и частично затъмнение

Вампирските романи изобилстват с ужасни трансформации, които се случват на хората и природата в кървавата луна. Но там не е написано, че явленията на това не бива да се страхуват. Защото това е резултат от големия размер на Слънцето. Диаметърът на централната ни звезда е около 110 диаметъра на Земята. В същото време, фотоните, излъчвани от единия и другия край на видимия диск, достигат до повърхността на планетата. По този начин, когато Луната попада в полу-сянката на Земята, тя не е затъмнена напълно, а тъй като тя е боядисана в червено. В този сянка атмосферата на планетата също е виновна: тя абсорбира всички видими дължини на вълните, с изключение на оранжевите. Не забравяйте, че слънцето също се превръща в червено при залез слънце, а точно защото преминава през по-дебел слой атмосфера.

Как се създава озоновия слой на земната атмосфера?

Внимателният читател може да попита: "Какво изобщо оказва натиска на светлината, експериментите на Лебедев?" Химичното действие на светлината, между другото, е свързано и с факта, че фотонът носи импулс. А именно това явление е отговорно за някои слоеве на атмосферата на планетата.

Както е известно, нашият въздушен океан по същество абсорбира ултравиолетовия компонент на слънчевата светлина. Нещо повече, животът в определена форма би бил невъзможен, да се къпе скалната повърхност на земята в ултравиолетовата. Но на височина около 100 км атмосферата все още не е толкова дебела, че да абсорбира всичко. И ултравиолетовата линия получава възможността да взаимодейства директно с кислорода. Той разгражда молекулите О₂ върху свободните атоми и улеснява тяхната връзка с друга модификация - О₃. В чиста форма този газ е смъртоносен. Ето защо се използва за дезинфекция на въздух, вода, дрехи. Но като част от земната атмосфера, той защитава целия живот от въздействието на вредното лъчение, защото озоновия слой абсорбира много ефективно квантите на електромагнитното поле с енергия над видимия спектър.