Hôm nay chúng ta sẽ dành một cuộc trò chuyện về một hiện tượng như áp suất ánh sáng. Xem xét tiền đề của khám phá và hậu quả đối với khoa học.
Ánh sáng và màu
Bí ẩn về khả năng của con người đã khiến con người lo lắng từ thời cổ đại. Mắt nhìn như thế nào? Tại sao màu sắc tồn tại? Lý do mà thế giới là cách chúng ta nhận thức nó là gì? Một người có thể nhìn thấy bao xa? Các thí nghiệm về sự phân hủy của một tia mặt trời thành một quang phổ đã được Newton thực hiện vào thế kỷ 17. Ông cũng đặt nền tảng toán học chặt chẽ cho một số sự kiện khác nhau mà vào thời điểm đó người ta đã biết về ánh sáng. Và lý thuyết Newton đã tiên đoán rất nhiều: ví dụ, những khám phá mà chỉ vật lý lượng tử mới giải thích được (sự lệch hướng của ánh sáng trong trường hấp dẫn). Nhưng vật lý thời đó không biết và không hiểu bản chất chính xác của ánh sáng.
Sóng hoặc hạt
Kể từ khi các nhà khoa học trên thế giới bắt đầu thâm nhập vào bản chất của ánh sáng, đã có một cuộc tranh luận: bức xạ, sóng hay hạt (tiểu thể) là gì? Một số dữ kiện (khúc xạ, phản xạ và phân cực) đã xác nhận lý thuyết đầu tiên. Những người khác (truyền thẳng tuyến tính trong trường hợp không có chướng ngại vật, áp suất ánh sáng) - thứ hai. Tuy nhiên, chỉ có vật lý lượng tử mới có thể làm dịu cuộc tranh chấp này bằng cách kết hợp hai phiên bản thành một.chung. Lý thuyết sóng tiểu thể phát biểu rằng bất kỳ vi hạt nào, kể cả photon, đều có các đặc tính của sóng và hạt. Đó là, một lượng tử ánh sáng có các đặc điểm như tần số, biên độ và bước sóng, cũng như động lượng và khối lượng. Hãy đặt trước ngay lập tức: các photon không có khối lượng nghỉ. Là một lượng tử của trường điện từ, chúng chỉ mang năng lượng và khối lượng trong quá trình chuyển động. Đây là bản chất của khái niệm "ánh sáng". Vật lý hiện đã giải thích nó một cách chi tiết.
Bước sóng và năng lượng
Ở trên một chút khái niệm "năng lượng sóng" đã được đề cập. Einstein đã chứng minh một cách thuyết phục rằng năng lượng và khối lượng là hai khái niệm giống hệt nhau. Nếu một photon mang năng lượng, nó phải có khối lượng. Tuy nhiên, lượng tử ánh sáng là một hạt “xảo quyệt”: khi một photon va chạm với một chướng ngại vật, nó hoàn toàn nhường năng lượng cho vật chất, trở thành nó và mất đi bản chất riêng của nó. Đồng thời, một số trường hợp nhất định (ví dụ như nhiệt độ nóng mạnh) có thể làm cho các kim loại và khí bên trong tối và tĩnh lặng trước đây phát ra ánh sáng. Động lượng của một photon, hệ quả trực tiếp của sự hiện diện của khối lượng, có thể được xác định bằng cách sử dụng áp suất ánh sáng. Các thí nghiệm của Lebedev, một nhà nghiên cứu đến từ Nga, đã chứng minh một cách thuyết phục sự thật đáng kinh ngạc này.
Thử nghiệm của Lebedev
Nhà khoa học người Nga Petr Nikolaevich Lebedev năm 1899 đã thực hiện thí nghiệm sau. Trên một sợi bạc mỏng anh treo một xà ngang. Vào hai đầu của xà ngang, nhà khoa học gắn hai tấm cùng chất. Đó là những lá bạc, vàng, và thậm chí cả mica. Vì vậy, một loại thang đo đã được tạo ra. Chỉ có họ mới đo trọng lượng không phải của tải trọng ép từ phía trên, mà là của tải trọng ép từ mặt bên lên mỗi tấm. Lebedev đã đặt toàn bộ cấu trúc này dưới một tấm kính che để gió và những dao động ngẫu nhiên của mật độ không khí không thể ảnh hưởng đến nó. Hơn nữa, tôi muốn viết rằng anh ấy đã tạo ra một khoảng chân không dưới nắp. Nhưng vào thời điểm đó, ngay cả một chân không trung bình cũng không thể đạt được. Vì vậy, chúng ta nói rằng anh ấy đã tạo ra một bầu không khí rất hiếm gặp dưới lớp kính che phủ. Và luân phiên chiếu sáng một tấm, để lại tấm kia trong bóng tối. Lượng ánh sáng chiếu vào các bề mặt đã được xác định trước. Từ góc lệch, Lebedev xác định động lượng nào đã truyền ánh sáng tới các tấm.
Công thức xác định áp suất của bức xạ điện từ ở tia tới thông thường
Đầu tiên chúng ta hãy giải thích "ngã bình thường" là gì? Bình thường ánh sáng tới trên một bề mặt nếu nó được hướng thẳng góc với bề mặt. Điều này đặt ra những hạn chế đối với vấn đề: bề mặt phải hoàn toàn nhẵn, và chùm bức xạ phải được định hướng rất chính xác. Trong trường hợp này, áp suất ánh sáng được tính theo công thức:
p=(1-k + ρ)I / c, đâu
k là độ truyền qua, ρ là hệ số phản xạ, I là cường độ của chùm ánh sáng tới, c là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Nhưng, có lẽ, người đọc đã đoán được rằng không tồn tại sự kết hợp lý tưởng của các yếu tố. Ngay cả khi bề mặt lý tưởng không được tính đến, việc sắp xếp tỷ lệ ánh sáng theo phương vuông góc một cách chặt chẽ là khá khó khăn.
Công thức choxác định áp suất của bức xạ điện từ khi nó rơi xuống một góc
Áp suất của ánh sáng lên mặt gương theo một góc được tính bằng một công thức khác đã chứa các phần tử của vectơ:
p=ω ((1-k) i + ρi’) cos ϴ
Các giá trị p, i, i 'là vectơ. Trong trường hợp này, k và ρ, như trong công thức trước, lần lượt là hệ số truyền và hệ số phản xạ. Các giá trị mới có nghĩa như sau:
- ω - mật độ thể tích của năng lượng bức xạ;
- i và i’là các vectơ đơn vị chỉ hướng của tia sáng tới và tia phản xạ (chúng thiết lập hướng mà các lực tác dụng sẽ được thêm vào);
- ϴ - góc so với pháp tuyến mà tia sáng rơi xuống (và theo đó, bị phản xạ, vì bề mặt được phản chiếu).
Nhắc người đọc rằng pháp tuyến vuông góc với bề mặt, vì vậy nếu bài toán đưa ra góc tới của ánh sáng tới bề mặt, thì ϴ là 90 độ trừ đi giá trị đã cho.
Ứng dụng của hiện tượng áp bức xạ điện từ
Một sinh viên học vật lý thấy nhiều công thức, khái niệm và hiện tượng thật nhàm chán. Bởi vì, như một quy luật, giáo viên nói các khía cạnh lý thuyết, nhưng hiếm khi có thể đưa ra ví dụ về lợi ích của một số hiện tượng. Đừng đổ lỗi cho các cố vấn của trường vì chương trình học rất hạn chế, trong giờ học bạn cần phải kể nhiều tài liệu và vẫn có thời gian để kiểm tra kiến thức của học sinh.
Tuy nhiên, đối tượng nghiên cứu của chúng tôi có rất nhiềuứng dụng thú vị:
- Giờ đây, hầu hết mọi sinh viên trong phòng thí nghiệm của cơ sở giáo dục của mình đều có thể lặp lại thí nghiệm của Lebedev. Nhưng sau đó sự trùng hợp của dữ liệu thực nghiệm với các tính toán lý thuyết là một bước đột phá thực sự. Thí nghiệm lần đầu tiên được thực hiện với sai số 20%, đã cho phép các nhà khoa học trên khắp thế giới phát triển một nhánh vật lý mới - quang học lượng tử.
- Sản xuất proton năng lượng cao (ví dụ, để chiếu xạ các chất khác nhau) bằng cách gia tốc các màng mỏng với xung laze.
- Việc tính đến áp lực của bức xạ điện từ của Mặt trời lên bề mặt của các vật thể gần Trái đất, bao gồm cả vệ tinh và trạm vũ trụ, cho phép bạn điều chỉnh quỹ đạo của chúng với độ chính xác cao hơn và ngăn các thiết bị này rơi xuống Trái đất.
Các ứng dụng trên hiện đã tồn tại trong thế giới thực. Nhưng cũng có những cơ hội tiềm ẩn chưa thành hiện thực, do công nghệ của nhân loại chưa đạt trình độ cần thiết. Trong số đó:
- Cánh buồm mặt trời. Với sự trợ giúp của nó, nó sẽ có thể di chuyển những tải trọng khá lớn trong không gian gần Trái đất và thậm chí gần Mặt trời. Ánh sáng tạo ra một xung lực nhỏ, nhưng với vị trí thích hợp của bề mặt cánh buồm, gia tốc sẽ không đổi. Trong trường hợp không có ma sát, nó đủ để đạt được tốc độ và vận chuyển hàng hóa đến điểm mong muốn trong hệ mặt trời.
- Quang động cơ. Công nghệ này, có lẽ, sẽ cho phép một người vượt qua sức hút của ngôi sao của chính mình và bay đến các thế giới khác. Sự khác biệt so với cánh buồm mặt trời là một thiết bị được tạo ra nhân tạo, chẳng hạn như một thiết bị nhiệt hạch, sẽ tạo ra các xung năng lượng mặt trời.động cơ.
