Hôm nay chúng ta sẽ nói về thí nghiệm của Lebedev trong việc chứng minh áp suất của các photon ánh sáng. Chúng tôi sẽ tiết lộ tầm quan trọng của khám phá này và nền tảng dẫn đến nó.
Kiến thức là sự tò mò
Có hai quan điểm về hiện tượng tò mò. Một được thể hiện bằng câu nói "tò mò của Varvara bị rách mũi ở chợ", và câu kia - bằng câu nói "tò mò không phải là một thứ gì khác." Nghịch lý này có thể dễ dàng giải quyết nếu người ta phân biệt được giữa các lĩnh vực mà sự quan tâm không được hoan nghênh hoặc ngược lại, là cần thiết.
Johannes Kepler không được sinh ra để trở thành một nhà khoa học: cha anh ấy chiến đấu trong chiến tranh, và mẹ anh ấy giữ một quán rượu. Nhưng anh ta có những khả năng phi thường và tất nhiên, rất tò mò. Ngoài ra, Kepler còn bị suy giảm thị lực nghiêm trọng. Nhưng chính ông là người đã có những khám phá, nhờ đó mà khoa học và cả thế giới hiện nay đang ở đâu. Johannes Kepler nổi tiếng với việc làm sáng tỏ hệ thống hành tinh của Copernicus, nhưng hôm nay chúng ta sẽ nói về những thành tựu khác của nhà khoa học.
Quán tính và Bước sóng: Di sản thời Trung cổ
Năm mươi nghìn năm trước, toán học và vật lý thuộc phần "Nghệ thuật". Do đó, Copernicus đã tham gia vào cơ học chuyển động của các thiên thể (kể cả thiên thể), quang học và lực hấp dẫn. Chính anh là người đã chứng minh sự tồn tại của quán tính. Từ kết luậnNhà khoa học này đã phát triển cơ học hiện đại, khái niệm về sự tương tác của các vật thể, khoa học về sự trao đổi vận tốc của các vật thể tiếp xúc. Copernicus cũng phát triển một hệ thống quang học tuyến tính hài hòa.
Anh ấy đưa ra các khái niệm như:
- "khúc xạ ánh sáng";
- "khúc xạ";
- "trục quang học";
- "phản xạ toàn phần bên trong";
- "chiếu sáng".
Và nghiên cứu của ông cuối cùng đã chứng minh bản chất sóng của ánh sáng và dẫn đến thí nghiệm của Lebedev trong việc đo áp suất của các photon.
Tính chất lượng tử của ánh sáng
Trước hết, cần xác định bản chất của ánh sáng và nói về nó là gì. Một photon là một lượng tử của trường điện từ. Nó là một gói năng lượng di chuyển trong không gian nói chung. Bạn không thể "cắn đứt" một chút năng lượng từ một photon, nhưng nó có thể được biến đổi. Ví dụ, nếu ánh sáng được hấp thụ bởi một chất, thì bên trong cơ thể năng lượng của nó có thể trải qua những thay đổi và phát ra trở lại một photon có năng lượng khác. Nhưng về mặt hình thức, đây sẽ không phải là lượng ánh sáng đã được hấp thụ.
Ví dụ về điều này sẽ là một quả bóng kim loại rắn. Nếu một mảnh vật chất bị xé ra khỏi bề mặt của nó, thì hình dạng sẽ thay đổi, nó sẽ không còn là hình cầu. Nhưng nếu bạn nấu chảy toàn bộ vật thể, lấy một ít kim loại lỏng, và sau đó tạo ra một quả cầu nhỏ hơn từ những thứ còn sót lại, thì nó sẽ lại là một hình cầu, nhưng khác, không giống như trước.
Tính chất sóng của ánh sáng
Các photon có đặc tính của sóng. Các thông số cơ bản là:
- bước sóng (đặc trưng cho không gian);
- tần số (đặc trưngthời gian);
- biên độ (đặc trưng cho cường độ của dao động).
Tuy nhiên, với tư cách là một lượng tử của trường điện từ, một photon cũng có hướng truyền (ký hiệu là vectơ sóng). Ngoài ra, vectơ biên độ có khả năng quay xung quanh vectơ sóng và tạo ra sự phân cực của sóng. Với sự phát xạ đồng thời của một số photon, pha, hay đúng hơn là độ lệch pha, cũng trở thành một yếu tố quan trọng. Nhớ lại rằng pha là một phần của dao động mà mặt trước sóng có tại một thời điểm cụ thể (tăng, cực đại, giảm hoặc cực tiểu).
Khối lượng và năng lượng
Như Einstein đã chứng minh một cách hóm hỉnh, khối lượng là năng lượng. Nhưng trong từng trường hợp cụ thể, việc tìm kiếm quy luật mà theo đó giá trị này biến thành giá trị khác có thể khó khăn. Tất cả các đặc tính sóng trên của ánh sáng đều liên quan chặt chẽ đến năng lượng. Cụ thể: tăng bước sóng và giảm tần số có nghĩa là ít năng lượng hơn. Nhưng vì có năng lượng, thì photon phải có khối lượng, do đó, phải có áp suất ánh sáng.
Cấu trúc kinh nghiệm
Tuy nhiên, vì các photon rất nhỏ nên khối lượng của chúng cũng phải nhỏ. Để chế tạo một thiết bị có thể xác định nó với độ chính xác vừa đủ là một nhiệm vụ kỹ thuật khó. Nhà khoa học Nga Lebedev Petr Nikolaevich là người đầu tiên đối phó với nó.
Bản thân thí nghiệm dựa trên thiết kế của các quả nặng xác định mômen xoắn. Một xà ngang được treo trên một sợi bạc. Gắn vào các đầu của nó là các tấm mỏng giống hệt nhau của nhiều loạivật liệu. Thông thường, kim loại (bạc, vàng, niken) được sử dụng trong thí nghiệm của Lebedev, ngoài ra còn có mica. Toàn bộ cấu trúc được đặt trong một bình thủy tinh, trong đó một chân không được tạo ra. Sau đó, một tấm được chiếu sáng, trong khi tấm kia vẫn ở trong bóng tối. Kinh nghiệm của Lebedev đã chứng minh rằng sự chiếu sáng của một bên dẫn đến thực tế là các chiếc cân bắt đầu quay. Theo góc lệch, nhà khoa học đánh giá độ mạnh của ánh sáng.
Trải nghiệm khó khăn
Vào đầu thế kỷ 20, rất khó để thiết lập một thí nghiệm đủ chính xác. Mọi nhà vật lý đều biết cách tạo ra chân không, làm việc với thủy tinh và đánh bóng bề mặt. Trong thực tế, kiến thức được thu thập bằng tay. Vào thời điểm đó, không có tập đoàn lớn nào có thể sản xuất hàng trăm thiết bị cần thiết. Thiết bị của Lebedev được tạo ra bằng tay, vì vậy nhà khoa học gặp phải một số khó khăn.
Chân không lúc đó thậm chí còn không ở mức trung bình. Nhà khoa học đã bơm không khí ra khỏi nắp kính bằng một máy bơm đặc biệt. Nhưng thí nghiệm diễn ra tốt nhất trong một bầu không khí hiếm. Rất khó để tách áp suất ánh sáng (truyền xung động) khỏi sự đốt nóng của mặt được chiếu sáng của thiết bị: trở ngại chính là sự hiện diện của khí. Nếu thí nghiệm được thực hiện trong chân không sâu, thì sẽ không có phân tử nào mà chuyển động Brown ở mặt được chiếu sáng sẽ mạnh hơn.
Độ nhạy của góc lệch còn nhiều mong muốn. Các công cụ tìm vít hiện đại có thể đo góc xuống đến phần triệu radian. Vào đầu thế kỷ XIX, cân có thể được nhìn thấy bằng mắt thường. Kỹ thuậtthời gian không thể cung cấp trọng lượng và kích thước giống hệt nhau của các tấm. Do đó, điều này làm cho khối lượng không thể phân bố đồng đều, điều này cũng gây ra khó khăn trong việc xác định mô-men xoắn.
Cách điện và cấu trúc của ren ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả. Nếu một đầu của miếng kim loại bị đốt nóng nhiều hơn vì một lý do nào đó (đây được gọi là gradient nhiệt độ), thì dây có thể bắt đầu xoắn mà không cần áp lực nhẹ. Mặc dù thiết bị của Lebedev khá đơn giản và có sai số lớn, nhưng thực tế về sự truyền động lượng của các photon ánh sáng đã được xác nhận.
Hình dạng của tấm chiếu sáng
Phần trước đã liệt kê nhiều khó khăn kỹ thuật tồn tại trong thử nghiệm, nhưng không ảnh hưởng đến điều chính - ánh sáng. Hoàn toàn về mặt lý thuyết, chúng ta tưởng tượng rằng một chùm tia đơn sắc rơi vào tấm, chúng song song với nhau. Nhưng vào đầu thế kỷ XX, nguồn sáng là mặt trời, nến và đèn sợi đốt đơn giản. Để làm cho chùm tia song song, người ta đã chế tạo các hệ thấu kính phức tạp. Và trong trường hợp này, đường cong cường độ sáng của nguồn là yếu tố quan trọng nhất.
Trong lớp học vật lý, người ta thường nói rằng các tia đến từ một điểm. Nhưng máy phát ánh sáng thực có kích thước nhất định. Ngoài ra, phần giữa của một dây tóc có thể phát ra nhiều photon hơn phần rìa. Kết quả là đèn chiếu sáng một số khu vực xung quanh nó tốt hơn những khu vực khác. Đường thẳng đi quanh toàn bộ không gian với cùng độ chiếu sáng từ một nguồn nhất định được gọi là đường cong cường độ sáng.
Trăng máu và nguyệt thực một phần
Tiểu thuyết ma cà rồng chứa đầy những biến đổi khủng khiếp xảy ra với con người và thiên nhiên trong mặt trăng máu. Nhưng nó không nói rằng hiện tượng này không nên sợ hãi. Vì nó là kết quả của kích thước lớn của Mặt trời. Đường kính của ngôi sao trung tâm của chúng ta xấp xỉ 110 đường kính Trái đất. Đồng thời, các photon phát ra từ cả rìa này và rìa khác của đĩa khả kiến sẽ tới bề mặt của hành tinh. Do đó, khi Mặt trăng rơi vào vùng lõm của Trái đất, nó không bị che khuất hoàn toàn mà chuyển sang màu đỏ như ban đầu. Bầu khí quyển của hành tinh cũng là nguyên nhân gây ra bóng râm này: nó hấp thụ tất cả các bước sóng nhìn thấy được, ngoại trừ các bước sóng màu cam. Hãy nhớ rằng, Mặt trời cũng chuyển sang màu đỏ khi hoàng hôn, và tất cả chính xác là do nó đi qua một lớp khí quyển dày hơn.
Tầng ôzôn của Trái đất được tạo ra như thế nào?
Một độc giả tỉ mỉ có thể hỏi: "Áp suất ánh sáng có liên quan gì đến các thí nghiệm của Lebedev?" Nhân tiện, hiệu ứng hóa học của ánh sáng cũng là do thực tế là photon mang động lượng. Cụ thể, hiện tượng này là nguyên nhân gây ra một số lớp trong bầu khí quyển của hành tinh.
Như bạn đã biết, đại dương không khí của chúng ta chủ yếu hấp thụ thành phần tia cực tím của ánh sáng mặt trời. Hơn nữa, sự sống ở dạng đã biết sẽ không thể xảy ra nếu bề mặt đá của trái đất được tắm trong tia cực tím. Nhưng ở độ cao khoảng 100 km, bầu khí quyển vẫn chưa đủ dày để hấp thụ mọi thứ. Và tia cực tím có cơ hội tương tác trực tiếp với oxy. Nó phá vỡ các phân tử O2thànhcác nguyên tử tự do và thúc đẩy sự kết hợp của chúng thành một biến đổi khác - O3. Ở dạng tinh khiết, khí này gây chết người. Đó là lý do tại sao nó được sử dụng để khử trùng không khí, nước, quần áo. Nhưng là một phần của bầu khí quyển trái đất, nó bảo vệ mọi sinh vật khỏi tác động của bức xạ có hại, bởi vì tầng ôzôn hấp thụ rất hiệu quả các lượng tử của trường điện từ có năng lượng nằm trên quang phổ khả kiến.
