فشار کم روی سطح کاملاً جذب کننده. الف. فشار سبک. فرمول های تعیین فشار تابش الکترومغناطیسی در هنگام سقوط در یک زاویه
یکی از تاییدهای تجربی وجود تکانه در فوتون ها وجود فشار نور است (آزمایش های لبدف).
توضیح موج (به گفته ماکسول): برهمکنش جریان های القایی با میدان مغناطیسی موج.
از دیدگاه کوانتومی، فشار نور بر روی یک سطح به این دلیل است که هر فوتون در برخورد با این سطح، تکانه خود را به آن منتقل می کند. از آنجایی که یک فوتون فقط می تواند با سرعت نور در خلاء حرکت کند، بازتاب نور از سطح جسم باید به عنوان فرآیند "گسیل مجدد" فوتون ها در نظر گرفته شود - یک فوتون فرودی توسط سطح جذب می شود و سپس توسط آن با جهت مخالف حرکت بازتاب می شود.
اجازه دهید فشار نوری را که توسط شار تابش تک رنگ عمود بر سطح بر سطح جسم وارد می شود را در نظر بگیریم.
اجازه دهید در واحد زمان در واحد سطح بدن سقوط کند پفوتون ها اگر ضریب انعکاس نور از سطح بدن برابر باشد R،که Rn فوتون ها منعکس می شوند و (1 –ر) p- جذب شده است. هر فوتون منعکس شده یک تکانه به دیوار منتقل می کند 2р f = 2hv/c (با بازتاب، تکانه فوتون به - r f تغییر می کند). هر فوتون جذب شده تکانه خود را به دیوار منتقل می کند r f =hv/c .فشار نور روی سطح برابر ضربه ای است که همه سطوح در 1 ثانیه از خود عبور می دهند پفوتون ها:
, (11-12)
جایی که I=nhv – انرژی تمام فوتونهایی که در واحد زمان روی یک سطح میافتند، یعنی شدت نور، و w=I/c - چگالی انرژی حجمی تابش فرودی. این فرمول به صورت تجربی آزمایش شد و در آزمایشات لبدف تأیید شد.
4. گاز فوتون. بوزون ها توزیع بوز-اینشتین.
بیایید نور را مجموعه ای از فوتون ها در نظر بگیریم که در داخل یک حفره بسته با دیواره های آینه ای قرار دارند. فشار نور بر روی یک سطح بازتابنده باید همان فشاری باشد که اگر فوتونها مانند توپهای کاملاً الاستیک از سطح بازتاب میشدند.
بیایید فشار وارد شده بر دیوارهای انعکاسی ایده آل را پیدا کنیم| حفره بسته
برای سادگی، فرض می کنیم که حفره مکعبی شکل است. با توجه به همسانگردی تابش، می توانیم فرض کنیم که همه جهات حرکت فوتون به یک اندازه محتمل هستند. هیچ برهمکنشی بین فوتون ها وجود ندارد (فرکانس آنها در هنگام برخورد تغییر نمی کند). بنابراین، فوتون ها مانند مولکول های یک گاز تک اتمی ایده آل حرکت می کنند.
فشار یک گاز ایده آل بر روی دیواره های حفره را از معادله اصلی نظریه جنبشی گازها می یابیم:
اما برای فوتون m=hv i /c 2، υ i=с و بنابراین mυ i 2 = hv i.بدین ترتیب،
جایی که دبلیوانرژی کل تمام فوتون های حفره و فشار روی دیواره های آن است
اینجا w-چگالی انرژی تابش حجمی اگر فوتون های داخل حفره ما دارای فرکانس های 0 تا ∞ باشند، پس wرا می توان با فرمول تعیین کرد:
(11-14)
اینجا ρ(ν) - چگالی انرژی تابش حجمی در محدوده فرکانس از ν تا ν+dν.
تابع ρ(ν) با استفاده از توزیع کوانتومی ویژه فوتون ها بر اساس انرژی (فرکانس)، - توزیع بوز انیشتین (B-E).
1. برخلاف توزیع ماکسول که توزیع ذرات را در فضای سرعت (تکانه) مشخص می کند، توزیع کوانتومی انرژی ذرات را توصیف می کند. در فضای فازی که توسط لحظه و مختصات ذرات تشکیل شده است.
2. حجم ابتدایی فضای فاز برابر است با (بیایید همه افزایش مختصات را ضرب کنیم):
3. حجم در هر حالت برابر است با h 3 .
4. تعداد ایالت ها dg iتابش واقع در حجم فاز ابتدایی در آمار کوانتومی از تقسیم حجم (15-11) بر بدست می آید. h 3:
5. توزیع بودن سیستم های ذرات با اسپین عدد صحیح اطاعت می کنند. نام را گرفتند بوزون ها. این ذرات شامل فوتون نیز می شود. اسپین آنها مقادیر صحیح می گیرد. تکانه زاویه ای فوتون مقدار می گیرد mh/2π، جایی که متر = 1. 2,3… تابع توزیع بوز-انیشتین برای فوتون ها به شکل زیر است:
, (11-16)
جایی که. ΔN - تعداد فوتون ها در حجم dV، n من - میانگین تعداد ذرات در یک حالت انرژی با انرژی W iکه نامیده می شود ک - ثابت بولتزمن، تی- دمای مطلق ضریب 2 به دلیل وجود دو جهت احتمالی قطبش نور (چرخش چپ و راست صفحه قطبش) ظاهر می شود.
تعداد کل حالت ها در حجم V(پس از ادغام بر روی حجم و استفاده از روابط بین تکانه فوتون آرو انرژی او W,νр =hv/c، W= hv ):
جایی که ν فرکانس است، با -سرعت نور در خلاء
تعداد فوتون های با انرژی از دبلیوقبل از W+dWدر حجم V:
ما چگالی انرژی تابش حجمی را در محدوده فرکانس از ν تا ν + dν با ضرب (11-16) در انرژی یک فوتون پیدا می کنیم. hν :
. (11-18)
فشار تشعشع را با استفاده از فرمول های (11-13)، (11-14) و (11-18) پیدا می کنیم:
معادله حالت تابش:
انرژی تابش از حجم V (قانون استفان بولتزمن):
رابطه بین درخشندگی پرانرژی و چگالی انرژی تابش حجمی (از مقایسه فرمول پلانک با فرمول (11-18) به دست می آید:
R E (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).
امروز ما گفتگو را به پدیده ای مانند فشار سبک اختصاص خواهیم داد. اجازه دهید مقدمات کشف و پیامدهای آن برای علم را در نظر بگیریم.
نور و رنگ
رمز و راز 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 یک پایه ریاضی دقیق برای تعدادی از حقایق متفاوتی که در آن زمان درباره نور شناخته شده بود، گذاشت. و نظریه نیوتن چیزهای زیادی را پیش بینی کرد: به عنوان مثال، اکتشافاتی که فقط فیزیک کوانتومی می تواند توضیح دهد (انحراف نور در یک میدان گرانشی). اما فیزیک آن زمان ماهیت دقیق نور را نمی دانست یا درک نمی کرد.
موج یا ذره
از زمانی که دانشمندان در سراسر جهان شروع به درک ماهیت نور کردند، این بحث وجود داشت: تشعشع، موج یا ذره (ذره) چیست؟ برخی از حقایق (انکسار، بازتاب و قطبش) نظریه اول را تأیید کرد. دیگران (انتشار خطی در غیاب موانع، فشار سبک) - دوم. با این حال، تنها فیزیک کوانتومی توانست این اختلاف را با ترکیب این دو نسخه در یک نسخه مشترک آرام کند. 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 ماهیت مفهوم "نور" است. فیزیک این روزها آن را با جزئیات توضیح داده است.
طول موج و انرژی
مفهوم "انرژی موج" دقیقاً در بالا 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 مانعی روبرو می شود، انرژی خود را به طور کامل به ماده می دهد، به آن تبدیل می شود و جوهر فردی خود را از دست می دهد. علاوه بر این، شرایط خاص (به عنوان مثال 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. محققان روسیه به طور قانع کننده ای این واقعیت شگفت انگیز را ثابت کرده اند.
تجربه لبدف
پیوتر نیکولاویچ لبدف، دانشمند روسی، آزمایش زیر را در سال 1899 انجام داد. او میله متقاطع را روی یک نخ نازک نقره ای آویزان کرد. دانشمند دو صفحه از یک ماده را به انتهای میله متقاطع متصل کرد. اینها شامل فویل نقره، طلا و حتی میکا بود. 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 رسیدن به یک خلاء متوسط نیز غیرممکن بود. بنابراین خواهیم گفت که او زیر یک پوشش شیشه ای را به شدت ایجاد کرد و به طور متناوب یک صفحه را روشن کرد و دیگری را در سایه گذاشت. مقدار نور هدایت شده بر روی سطوح از قبل تعیین شده بود. بر اساس زاویه انحراف، لبدف تعیین کرد که کدام ضربه 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؟ اگر نور کاملاً عمود بر سطح باشد، به طور معمول روی یک سطح می افتد. 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 محاسبه می شود:
k ضریب عبور، ρ ضریب بازتاب، I شدت پرتو نور فرود، c سرعت نور در خلاء است.
اما احتمالاً خواننده قبلاً حدس زده است که چنین ترکیب ایده آلی از عوامل وجود ندارد. حتی اگر ایده آل بودن سطح را در نظر نگیریم، سازماندهی تابش نور به طور دقیق عمودی بسیار دشوار است.
فرمول های تعیین فشار تابش الکترومغناطیسی در هنگام سقوط در یک زاویه
فشار نور روی سطح آینه در یک زاویه با استفاده از فرمول دیگری محاسبه می شود که قبلاً حاوی عناصر برداری 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 عبور و بازتاب هستند. مقادیر جدید به معنای موارد زیر است:
- ω - چگالی انرژی تابش حجمی؛
- i و i بردارهای واحدی هستند که جهت تابش و پرتو بازتابی نور را نشان میدهند (آنها جهتهایی را مشخص میکنند که نیروهای عامل باید در امتداد آنها اضافه شوند).
- ϴ زاویه طبیعی است که پرتو نور در آن می افتد (و بر این اساس منعکس می شود، زیرا سطح آینه است).
اجازه دهید به خواننده یادآوری کنیم که نرمال بر سطح عمود است، بنابراین اگر مشکل زاویه تابش نور را به سطح بدهد، ϴ 90 درجه منهای مقدار داده شده است.
کاربرد پدیده فشار تابش الکترومغناطیسی
برای دانشجویی که در حال تحصیل در رشته فیزیک است، بسیاری از فرمول ها، مفاهیم و پدیده ها خسته کننده به نظر می رسند. زیرا قاعدتاً معلم در مورد جنبه های نظری صحبت می کند، اما به ندرت می تواند مثال هایی از مزایای پدیده های خاص ارائه دهد. بیایید معلمان مدرسه را به خاطر این موضوع سرزنش نکنیم: آنها در طول درس بسیار محدود هستند، آنها باید مطالب گسترده ای را پوشش دهند و هنوز هم زمان دارند تا دانش دانش آموزان را آزمایش کنند.
با این وجود، هدف مطالعه ما کاربردهای جالب بسیاری دارد:
- اکنون تقریباً هر دانش آموز 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٪ انجام شد، به دانشمندان در سراسر جهان اجازه داد تا شاخه جدیدی از فیزیک - اپتیک کوانتومی را توسعه دهند.
- تولید پروتون های پر انرژی (مثلاً برای تابش مواد مختلف) با شتاب دادن به لایه های نازک با پالس لیزر.
- در نظر گرفتن فشار تشعشعات الکترومغناطیسی خورشید بر سطح اجرام نزدیک به زمین از جمله ماهواره ها و ایستگاه های فضایی، اصلاح مدار آنها را با دقت بیشتری ممکن می سازد و از سقوط این وسایل به زمین جلوگیری می کند.
برنامه های فوق در حال حاضر در دنیای واقعی وجود دارند. اما فرصتهای بالقوهای نیز وجود دارد که هنوز محقق نشدهاند، زیرا فناوری بشر هنوز به سطح مورد نیاز 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 توجه به موقعیت مطلوب سطح بادبان، شتاب ثابت خواهد بود. در صورت عدم وجود اصطکاک کافی است سرعت به دست آورید و محموله را به نقطه مورد نظر در منظومه شمسی برسانید.
- موتور فوتون. این فناوری ممکن است به شخص اجازه دهد بر جاذبه ستاره بومی خود غلبه کند و به دنیاهای دیگر پرواز کند. تفاوت این است که تکانه های خورشیدی توسط یک وسیله مصنوعی ایجاد می شود، به عنوان مثال، یک موتور حرارتی.
پیام مدیر:
بچه ها! چه کسی مدت هاست که می خواهد انگلیسی یاد بگیرد؟
برو به و دو درس رایگان بگیریددر مدرسه زبان انگلیسی SkyEng!
من خودم آنجا درس می خوانم - خیلی عالی است. پیشرفت وجود دارد.
در برنامه می توانید کلمات را یاد بگیرید، گوش دادن و تلفظ را آموزش دهید.
آن را امتحان کنید. دو درس رایگان با استفاده از لینک من!
کلیک
جریانی از فوتون ها (نور) که در برخورد با سطح، فشار وارد می کند.
شار فوتون هایی که بر روی سطح جذب کننده برخورد می کنند:
شار فوتونهایی که روی سطح آینهای میافتند:
شار فوتون هایی که روی سطح می افتند:
معنای فیزیکی فشار نور:
نور جریانی از فوتون است، پس طبق اصول مکانیک کلاسیک، ذرات هنگام برخورد با جسم باید تکانه را به آن منتقل کنند، به عبارت دیگر فشار وارد کنند.
دستگاه، اندازه گیری فشار سبک، یک دینامومتر پیچشی (مقیاس پیچشی) بسیار حساس بود. این دستگاه توسط لبدف ساخته شده است. قسمت متحرک آن یک قاب سبک بود که بر روی یک نخ نازک معدن آویزان بود و بالهایی به آن متصل بود - دیسک های روشن و سیاه تا 0.01 میلی متر ضخامت. بال ها از فویل فلزی ساخته شده بودند. این قاب در داخل ظرفی که هوا از آن خارج می شد آویزان بود. نوری که روی بال ها می افتاد فشارهای متفاوتی بر دیسک های روشن و سیاه وارد می کرد. در نتیجه، گشتاوری روی قاب اثر میکند که نخ تعلیق را میپیچد. برای تعیین فشار نور از زاویه پیچش نخ استفاده شد.
در فرمولی که استفاده کردیم:
نیرویی که فوتون با آن فشار می آورد
سطحی که فشار سبک روی آن ایجاد می شود
تکانه یک فوتون
این درس ویدیویی به موضوع «فشار نور» اختصاص دارد. آزمایشات لبدف آزمایشات لبدف تأثیر زیادی بر دنیای علمی گذاشت، زیرا به لطف آنها فشار نور برای اولین بار اندازه گیری شد و اعتبار نظریه ماکسول به اثبات رسید. او چطور این کار را انجام داد؟ شما می توانید پاسخ این و بسیاری از سوالات جالب دیگر مربوط به نظریه کوانتومی نور را از این درس جذاب فیزیک بیاموزید.
موضوع: فشار سبک
درس: فشار سبک. آزمایشات لبدف
فرضیه وجود فشار نور برای اولین بار توسط یوهانس کپلر در قرن هفدهم برای توضیح پدیده دم دنباله دارها هنگام پرواز در نزدیکی خورشید مطرح شد.
ماکسول، بر اساس نظریه الکترومغناطیسی نور، پیش بینی کرد که نور باید بر یک مانع فشار وارد کند.
تحت تأثیر میدان الکتریکی موج، الکترون ها در اجسام نوسان می کنند - جریان الکتریکی تشکیل می شود. این جریان در امتداد شدت میدان الکتریکی هدایت می شود. الکترونهای متحرک منظم توسط نیروی لورنتس از میدان مغناطیسی که در جهت انتشار موج هدایت میشوند، وارد میشوند. نیروی فشار سبک(عکس. 1).
برنج. 1. آزمایش ماکسول
برای اثبات نظریه ماکسول، اندازه گیری فشار نور ضروری بود. فشار نور اولین بار توسط فیزیکدان روسی پیتر نیکولاویچ لبدف در سال 1900 اندازه گیری شد (شکل 2).
برنج. 2. پتر نیکولایویچ لبدف
برنج. 3. دستگاه لبدف
دستگاه لبدف (شکل 3) از یک میله نور بر روی یک نخ شیشه ای نازک تشکیل شده است که در امتداد لبه های آن بال های سبک وصل شده است. کل دستگاه در یک ظرف شیشه ای قرار داده شد که هوا از آن خارج می شد. نور روی بالهایی که در یک طرف میله قرار دارند می افتد. مقدار فشار را می توان با زاویه پیچش نخ قضاوت کرد. دشواری اندازه گیری دقیق فشار نور به این دلیل بود که پمپاژ تمام هوا از کشتی غیرممکن بود. در طول آزمایش، حرکت مولکول های هوا آغاز شد که ناشی از گرم شدن نابرابر بال ها و دیواره های رگ بود. بال ها را نمی توان به طور کامل به صورت عمودی آویزان کرد. جریان هوای گرم شده به سمت بالا بالا می رود و روی بال ها عمل می کند که منجر به گشتاورهای اضافی می شود. همچنین پیچش نخ تحت تاثیر گرمای غیر یکنواخت کناره های بال ها قرار می گیرد. طرف رو به منبع نور بیشتر از طرف مقابل گرم می شود. مولکولهایی که از سمت گرمتر منعکس میشوند، تکانه بیشتری به بال میدهند.
برنج. 4. دستگاه لبدف
برنج. 5. دستگاه لبدف
لبدف با وجود سطح پایین فناوری تجربی در آن زمان، موفق شد بر همه مشکلات غلبه کند. او یک کشتی بسیار بزرگ و بالهای بسیار نازک برداشت. بال شامل دو جفت دایره نازک پلاتین بود. یکی از دایره های هر جفت از دو طرف براق بود. طرف های دیگر یک طرف آن با نیلو پلاتین پوشیده شده بود. علاوه بر این، هر دو جفت دایره در ضخامت متفاوت بودند.
برای حذف جریانهای همرفتی، لبدف پرتوهای نور را از یک طرف یا طرف دیگر به سمت بالها هدایت کرد. بنابراین، نیروهای وارد بر بالها متعادل شدند (شکل 4-5).
برنج. 6. دستگاه لبدف
برنج. 7. دستگاه لبدف
بنابراین، فشار نور بر روی جامدات ثابت و اندازه گیری شد (شکل 6-7). مقدار این فشار با فشار پیش بینی شده ماکسول مطابقت داشت.
سه سال بعد، لبدف موفق به انجام آزمایش دیگری شد - اندازه گیری فشار نور بر روی گازها (شکل 8).
برنج. 8. نصب برای اندازه گیری فشار نور بر روی گازها
لرد کلوین: "شاید بدانید که من در تمام زندگی ام با ماکسول جنگیدم، بدون اینکه فشار سبک او را تشخیص دهم، و اکنون لبدف شما مرا مجبور کرد که تسلیم آزمایش های او شوم."
ظهور نظریه کوانتومی نور، توضیح سادهتر علت فشار نور را ممکن کرد.
فوتون ها دارای تکانه هستند. هنگامی که توسط بدن جذب می شوند، تکانه خود را به آن منتقل می کنند. چنین فعل و انفعالی را می توان به عنوان یک ضربه کاملا غیر کشسان در نظر گرفت.
نیرویی که هر فوتون بر سطح وارد می کند عبارت است از:
فشار کم روی سطح:
برهمکنش فوتون با سطح آینه ای
در مورد این برهمکنش، یک اندرکنش کاملاً کشسان به دست می آید. هنگامی که یک فوتون روی سطحی می افتد، با همان سرعت و تکانه ای که روی این سطح افتاد، از آن منعکس می شود. تغییر در تکانه دو برابر بیشتر از زمانی است که یک فوتون روی یک سطح سیاه می افتد، فشار نور دو برابر می شود.
هیچ ماده ای در طبیعت وجود ندارد که سطح آن فوتون ها را به طور کامل جذب یا منعکس کند. بنابراین برای محاسبه فشار نور بر اجسام واقعی باید در نظر گرفت که برخی فوتون ها توسط این جسم جذب می شوند و برخی منعکس می شوند.
آزمایشهای لبدف را میتوان بهعنوان اثبات تجربی مبنی بر حرکت فوتونها در نظر گرفت. اگرچه فشار نور در شرایط عادی بسیار کم است، اما تأثیر آن می تواند قابل توجه باشد. بر اساس فشار خورشید، بادبانی برای سفینه های فضایی ساخته شد که به آنها اجازه می دهد تحت فشار نور در فضا حرکت کنند (شکل 11).
برنج. 11. بادبان سفینه فضایی
فشار نور، طبق نظریه ماکسول، در نتیجه عمل نیروی لورنتس بر الکترون هایی که تحت تأثیر میدان الکتریکی یک موج الکترومغناطیسی حرکات نوسانی انجام می دهند، به وجود می آید.
از دیدگاه تئوری کوانتومی، فشار نور در نتیجه برهمکنش فوتون ها با سطحی که روی آن می افتند به وجود می آید.
محاسبات انجام شده توسط ماکسول با نتایج تولید شده توسط لبدف همزمان بود. این به وضوح دوگانگی موج کوانتومی نور را ثابت می کند.
آزمایشات کروکس
لبدف اولین کسی بود که فشار نور را به صورت تجربی کشف کرد و توانست آن را اندازه گیری کند. آزمایش فوق العاده پیچیده بود، اما یک اسباب بازی علمی وجود دارد - آزمایش کروکس (شکل 12).
برنج. 12. آزمایش کروکس
یک ملخ کوچک متشکل از چهار گلبرگ روی سوزنی قرار دارد که با کلاهکی شیشه ای پوشانده شده است. اگر این ملخ را با نور روشن کنید، شروع به چرخش می کند. اگر هنگام وزش باد به این ملخ در هوای آزاد نگاه کنید، چرخش آن هیچ کس را شگفت زده نمی کند، اما در این حالت پوشش شیشه ای اجازه نمی دهد جریان هوا روی پروانه اثر بگذارد. بنابراین علت حرکت آن نور است.
فیزیکدان انگلیسی ویلیام کروکس به طور تصادفی اولین را ایجاد کرد اسپینر سبک.
در سال 1873، کروکس تصمیم گرفت تا وزن اتمی عنصر تالیم را تعیین کند و آن را روی ترازوی بسیار دقیق وزن کند. برای جلوگیری از تحریف جریان های هوای تصادفی در تصویر وزن، کروکس تصمیم گرفت بازوهای چرخان را در خلاء آویزان کند. او این کار را کرد و شگفت زده شد، زیرا نازک ترین فلس های او به گرما حساس بودند. اگر منبع گرما زیر جسم بود، وزن آن را کاهش می داد.
کروکس با بهبود این تجربه تصادفی، یک اسباب بازی - یک رادیومتر (آسیاب نور) را ارائه کرد. پرتو سنج کروکس یک پروانه چهار پره ای است که بر روی یک سوزن در داخل یک لامپ شیشه ای تحت خلاء جزئی متعادل شده است. هنگامی که یک پرتو نور به تیغه برخورد می کند، پروانه شروع به چرخش می کند که گاهی اوقات با فشار نور به اشتباه توضیح داده می شود. در واقع علت پیچ خوردگی یک اثر رادیومتری است. ظهور یک نیروی دافعه به دلیل تفاوت در انرژی جنبشی مولکول های گازی که به سمت روشن (گرم شده) تیغه و طرف مقابل روشن نشده (سردتر) برخورد می کند.
- فشار نور و فشار شرایط ().
- پیوتر نیکولاویچ لبدف ().
- رادیومتر کروکس ().
به نظر می رسد که فشار را می توان نه تنها توسط جامدات، مایعات و گازها ایجاد کرد. تابش نور الکترومغناطیسی که بر روی سطح بدن می افتد نیز بر آن فشار وارد می کند.
نظریه فشار نور
یوهانس کپلر
برای اولین بار این فرض مطرح شد که فشار نور وجود دارد یوهانس کپلر دانشمند آلمانیدر قرن 17 او هنگام مطالعه رفتار دنباله دارهایی که در نزدیکی خورشید پرواز می کنند، متوجه شد که دم دنباله دار همیشه در جهت مخالف خورشید منحرف می شود. کپلر این نظریه را مطرح کرد که به نوعی این انحراف ناشی از قرار گرفتن در معرض نور خورشید است.
وجود نظری فشار نور در قرن نوزدهم پیشبینی شده بود فیزیکدان بریتانیایی جیمز کلرک ماکسول، که نظریه الکترومغناطیسی را ایجاد کرد و استدلال کرد که نور نیز ارتعاشات الکترومغناطیسی است و باید بر موانع فشار وارد کند.
جیمز کلرک ماکسول
نور یک موج الکترومغناطیسی است. میدان الکتریکی ایجاد می کند که تحت تأثیر آن الکترون های جسمی که در مسیر خود با آن مواجه می شوند، نوسان می کنند. یک جریان الکتریکی در بدن ظاهر می شود که در امتداد شدت میدان الکتریکی هدایت می شود. میدان مغناطیسی بر روی الکترون ها اثر می گذارد نیروی لورنتس. جهت آن با جهت انتشار موج نور منطبق است. این قدرت است نیروی فشار سبک .
طبق محاسبات ماکسول، نور خورشید فشاری با مقدار معینی روی صفحه سیاهی که روی زمین قرار دارد ایجاد می کند (p = 4 · 10 -6 N/m 2). و اگر به جای یک صفحه سیاه از یک صفحه بازتابنده استفاده کنید، فشار نور 2 برابر بیشتر خواهد شد.
اما این فقط یک فرض نظری بود. برای اثبات آن لازم بود با یک آزمایش عملی، یعنی اندازه گیری مقدار فشار نور، نظریه را تأیید کنیم. اما از آنجایی که ارزش آن بسیار کم است، انجام این کار در عمل بسیار دشوار است.
پیوتر نیکولاویچ لبدف
در عمل این کار انجام شد پیتر نیکولاویچ لبدف، فیزیکدان تجربی روسی. آزمایشی که او در سال 1899 انجام داد، فرض ماکسول مبنی بر وجود فشار نور بر روی جامدات را تأیید کرد.
تجربه لبدف
نمایش شماتیک آزمایش لبدف
لبدف برای انجام آزمایش خود دستگاه ویژه ای ساخت که یک ظرف شیشه ای بود. یک میله سبک روی یک نخ شیشه ای نازک در داخل ظرف قرار داده شد. بال های نازک و سبکی از فلزات مختلف و میکا به لبه های این میله متصل می شد. هوا از کشتی خارج شد. با استفاده از سیستم های نوری ویژه ای متشکل از منبع نور و آینه ها، پرتو نور به سمت بال هایی که در یک طرف میله قرار داشتند هدایت می شد. تحت تأثیر فشار نور، میله چرخید و نخ در یک زاویه خاص پیچ خورد. بزرگی فشار نور با بزرگی این زاویه تعیین شد.
دستگاه لبدف
اما این آزمایش نتایج دقیقی نداشت. اجرای آن سختی های خاص خود را داشت. از آنجایی که در آن زمان پمپ های خلاء وجود نداشت، از پمپ های مکانیکی معمولی استفاده می کردند. و با کمک آنها ایجاد خلاء مطلق در کشتی غیرممکن بود. حتی پس از پمپاژ آن، مقداری هوا در آن باقی می ماند. بال ها و دیواره های رگ به طور متفاوتی گرم می شدند. طرف رو به پرتو نور سریعتر گرم می شود. و این باعث حرکت مولکول های هوا شد. جریان هوای گرمتر به سمت بالا بالا رفت. از آنجایی که نصب بال ها به صورت کاملا عمودی غیرممکن است، این جریان ها باعث ایجاد گشتاورهای اضافی می شوند. علاوه بر این، خود بال ها به همان اندازه گرم نمی شوند. طرف رو به منبع نور داغتر شد. در نتیجه تأثیر اضافی روی زاویه چرخش نخ وجود داشت.
برای اینکه آزمایش دقیق تر شود، لبدف یک کشتی بسیار بزرگ برداشت. او بال را از دو جفت دایره بسیار نازک پلاتین ساخت. علاوه بر این، ضخامت دایره های یک جفت با ضخامت دایره های جفت دیگر متفاوت است. در یک طرف میله، دایره ها از دو طرف براق بود، از طرف دیگر، یک طرف آن با نیلو پلاتین پوشیده شده بود. پرتوهای نور از یک طرف به سمت آنها هدایت می شد تا نیروهای وارد بر بال ها را متعادل کند. در نتیجه، فشار سبک روی بال ها اندازه گیری شد. نتایج تجربی مفروضات نظری ماکسول در مورد وجود فشار نور را تایید کرد. و بزرگی آن تقریباً همان چیزی بود که ماکسول پیش بینی کرده بود.
در 1907 - 1910 لبدف با استفاده از آزمایشهای دقیقتر، فشار نور روی گازها را اندازهگیری کرد.
نور، مانند هر تابش الکترومغناطیسی، دارای انرژی است E .
حرکت آن p = E v / ج 2 ,
جایی که v - سرعت تابش الکترومغناطیسی،
ج - سرعت نور.
زیرا v = با ، آن p = E/s .
با ظهور نظریه کوانتومی، نور به عنوان جریانی از فوتون ها - ذرات بنیادی، کوانتوم های نور - شروع شد. فوتون ها هنگام برخورد با جسم، تکانه خود را به آن منتقل می کنند، یعنی فشار وارد می کنند.
بادبان خورشیدی
فردریش آرتوروویچ زاندر
اگرچه مقدار فشار نور بسیار کم است، اما می تواند برای فرد مفید باشد.
در سال 1920 دانشمند و مخترع شوروی فردریش آرتوروویچ زاندریکی از سازندگان اولین موشک سوخت مایع، ایده پرواز به فضا را با استفاده از بادبان خورشیدی . او خیلی ساده بود. نور خورشید از فوتون ها تشکیل شده است. و فشار ایجاد می کنند و تکانه خود را به هر سطح نورانی منتقل می کنند. بنابراین، فشار ایجاد شده توسط نور خورشید یا لیزر بر روی سطح آینه می تواند برای به حرکت درآوردن فضاپیما استفاده شود. چنین بادبانی به سوخت موشک نیاز ندارد و مدت زمان آن نامحدود است. و این امکان حمل محموله بیشتری را در مقایسه با یک فضاپیمای معمولی با موتور جت فراهم می کند.
بادبان خورشیدی
اما تا کنون اینها تنها پروژه هایی برای ایجاد کشتی های ستاره ای با بادبان خورشیدی به عنوان موتور اصلی هستند.