Kevyt paine täysin imukykyiselle pinnalle. A. Kevyt paine. Kaavat sähkömagneettisen säteilyn paineen määrittämiseksi, kun se putoaa kulmassa
Yksi kokeellisista vahvistuksista liikemäärän olemassaololle fotoneissa on valonpaineen olemassaolo (Lebedevin kokeet).
Aallon selitys (Maxwellin mukaan): indusoituneiden virtojen vuorovaikutus aallon magneettikentän kanssa.
Kvanttinäkökulmasta valon paine pintaan johtuu siitä, että törmäyksessä tähän pintaan jokainen fotoni siirtää vauhtinsa siihen. Koska fotoni voi liikkua valon nopeudella vain tyhjiössä, valon heijastumista kehon pinnalta tulisi pitää fotonien "uudelleenemissioprosessina" - pintaan absorboituva fotoni ja sitten jonka se lähettää uudelleen vastakkaisella liikemäärän suunnalla.
Tarkastellaan valon painetta, jonka pintaan kohtisuorassa tuleva monokromaattinen säteilyvirta kohdistaa kappaleen pintaan.
Anna pudota aikayksikköä kohden kehon pinta-alayksikköä kohti P fotonit. Jos valon heijastuskerroin kehon pinnasta on yhtä suuri R, Että Rn fotonit heijastuvat ja (1 –R) p- imeytyy. Jokainen heijastunut fotoni siirtää seinään impulssin, joka on yhtä suuri kuin 2р f = 2hv/c (heijastuessaan fotonin liikemäärä muuttuu arvoon – r f). Jokainen absorboitunut fotoni siirtää vauhtinsa seinään r f = hv/c .Pintaan kohdistuva valopaine on yhtä suuri kuin impulssi, jonka kaikki pinnat välittävät 1 sekunnissa P fotonit:
, (11-12)
Missä I=nhv – kaikkien yksikköpinnalle osuvien fotonien energia aikayksikköä kohti, eli valon intensiteetti, ja w=I/c – tulevan säteilyn tilavuusenergiatiheys. Tämä kaava testattiin kokeellisesti ja vahvistettiin Lebedevin kokeissa.
4. Fotonikaasu. Bosonit. Bose–Einstein-jakauma.
Tarkastellaan valoa kokoelmana fotoneja, jotka ovat suljetun onkalon sisällä, jossa on peiliseinät. Valon paineen peilimäisesti heijastavaan pintaan tulisi olla sama kuin jos fotonit heijastuisivat peilimäisesti pinnalta aivan elastisina palloina.
Etsitään ihanteellisesti heijastaviin seiniin kohdistuva paine| suljettu ontelo.
Yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että onkalo on kuution muotoinen. Säteilyn isotropian vuoksi voidaan olettaa, että kaikki fotonien liikkeen suunnat ovat yhtä todennäköisiä. Fotonien välillä ei ole vuorovaikutusta (niiden taajuus ei muutu törmäysten aikana). Siksi fotonit liikkuvat kuin ihanteellisen monoatomisen kaasun molekyylit.
Kaasujen kineettisen teorian perusyhtälöstä löydämme ihanteellisen kaasun paineen onkalon seinillä:
Mutta fotoneille m=hvi/c2, υi=с ja siksi mυ i 2 = hv i.Täten,
Missä W on onkalossa olevien fotonien kokonaisenergia ja sen seinämiin kohdistuva paine
Tässä w- volyymisäteilyn energiatiheys. Jos ontelossamme olevien fotonien taajuudet ovat 0 - ∞, niin w voidaan määrittää kaavalla:
(11-14)
Tässä ρ(ν) - Volumetrisen säteilyn energiatiheys taajuusalueella ν - ν+dν.
Toiminto ρ(ν) löytyy käyttämällä fotonien erityistä kvanttijakaumaa energian (taajuuden) mukaan, - jakelu Bose-Einstein (B-E).
1. Toisin kuin Maxwell-jakauma, joka kuvaa hiukkasten jakautumista nopeusavaruudessa, kvanttijakauma kuvaa hiukkasten energioita. hiukkasten momenttien ja koordinaattien muodostamassa vaiheavaruudessa.
2. Vaiheavaruuden alkeistilavuus on yhtä suuri kuin (kerrotaan kaikki koordinaattien inkrementit):
3. Tilavuus tilakohtaisesti on yhtä suuri kuin h 3 .
4. Osavaltioiden lukumäärä dg i kvanttitilastoissa alkeisfaasitilavuudessa sijaitseva säteily saadaan jakamalla tilavuus (11-15) h 3:
5. Jakelu OLLA kokonaislukupyöräisten hiukkasten järjestelmät tottelevat. He saivat nimen bosonit. Nämä hiukkaset sisältävät myös fotoneja. Niiden spin ottaa kokonaislukuja. Fotonin kulmamomentti saa arvon mh/2π, Missä m = 1. 2,3… Fotonien Bose-Einstein-jakaumafunktiolla on muoto:
, (11-16)
Missä. ΔN – fotonien lukumäärä tilavuudessa dV, n i - keskimääräinen hiukkasten lukumäärä yhdessä energiatilassa W i jota kutsutaan k - Boltzmannin vakio, T- absoluuttinen lämpötila. Kerroin 2 ilmenee, koska valon polarisaatiossa on kaksi mahdollista suuntaa (polarisaatiotason kierto vasemmalle ja oikealle).
Osavaltioiden kokonaismäärä volyymissa V(tilavuuden yli integroinnin ja fotonin liikemäärän välisten suhteiden käytön jälkeen R ja hänen energiaansa W,νр = hv/c, W= hv ):
missä ν on taajuus, Kanssa - valon nopeus tyhjiössä.
Fotonien lukumäärä, joiden energia on peräisin W ennen W+dW määrässä V:
Löydämme tilavuussäteilyn energiatiheyden taajuusalueella ν - ν +dν kertomalla (11-16) yhden fotonin energialla hν :
. (11-18)
Löydämme säteilypaineen kaavoilla (11-13), (11-14) ja (11-18):
Säteilyn tilayhtälö:
Säteilyenergia tilavuudesta V (Stefan-Boltzmannin laki):
Energeettisen kirkkauden ja tilavuussäteilyn energiatiheyden välinen suhde (seuraa Planckin kaavan ja kaavan (11-18) vertailusta:
RE(v,T)= (c/4)ρ(v,T).
Tänään omistamme keskustelun sellaiselle ilmiölle kuin kevyt paine. Tarkastellaanpa löydön lähtökohtia ja seurauksia tieteelle.
Valoa ja väriä
Ihmisten kykyjen mysteeri on huolestuttanut ihmisiä muinaisista ajoista lähtien. Miten silmä näkee? Miksi värejä on olemassa? Mikä on syy siihen, että maailma on sellainen kuin me sen näemme? Kuinka kauas ihminen näkee? Newton suoritti kokeita auringonsäteen hajottamiseksi spektriksi 1600-luvulla. Hän loi myös tiukan matemaattisen perustan useille erilaisille faktoille, jotka tuolloin tiedettiin valosta. Ja Newtonin teoria ennusti paljon: esimerkiksi löydöt, jotka vain kvanttifysiikka voisi selittää (valon taipuminen gravitaatiokentässä). Mutta tuon ajan fysiikka ei tiennyt tai ymmärtänyt valon tarkkaa luonnetta.
Aalto tai hiukkanen
Siitä lähtien, kun tiedemiehet ympäri maailmaa alkoivat ymmärtää valon olemusta, on käyty keskustelua: mikä on säteily, aalto vai hiukkanen (korpuskkeli)? Jotkut tosiasiat (taittuminen, heijastus ja polarisaatio) vahvistivat ensimmäisen teorian. Muut (lineaarinen eteneminen esteiden puuttuessa, kevyt paine) - toinen. Kuitenkin vain kvanttifysiikka pystyi rauhoittamaan tämän kiistan yhdistämällä kaksi versiota yhdeksi yhteiseksi. toteaa, että kaikilla mikrohiukkasilla, mukaan lukien fotonilla, on sekä aallon että hiukkasen ominaisuuksia. Toisin sanoen valon kvantilla on ominaisuuksia, kuten taajuus, amplitudi ja aallonpituus sekä liikemäärä ja massa. Tehdään varaus heti: fotoneilla ei ole lepomassaa. Koska ne ovat sähkömagneettisen kentän kvantti, ne kuljettavat energiaa ja massaa vain liikkeen aikana. Tämä on "valon" käsitteen ydin. Fysiikka on selittänyt sen melko yksityiskohtaisesti näinä päivinä.
Aallonpituus ja energia
"Aaltoenergian" käsite mainittiin juuri edellä. Einstein osoitti vakuuttavasti, että energia ja massa ovat identtisiä käsitteitä. Jos fotoni kuljettaa energiaa, sillä on oltava massa. Valokvantti on kuitenkin "ovela" hiukkanen: kun fotoni kohtaa esteen, se luovuttaa kokonaan energiansa aineelle, muuttuu sellaiseksi ja menettää yksilöllisen olemuksensa. Lisäksi tietyt olosuhteet (esim. voimakas kuumennus) voivat aiheuttaa metallien ja kaasujen aiemmin pimeän ja rauhallisen sisätilan säteilevän valoa. Fotonin liikemäärä, joka on suora seuraus massan läsnäolosta, voidaan määrittää valon paineella. Venäjän tutkijat ovat vakuuttavasti todistaneet tämän hämmästyttävän tosiasian.
Lebedevin kokemus
Venäläinen tiedemies Pjotr Nikolajevitš Lebedev suoritti seuraavan kokeen vuonna 1899. Hän ripusti poikkitangon ohueen hopealangaan. Tiedemies kiinnitti kaksi samaa ainetta olevaa levyä poikkipalkin päihin. Näitä olivat hopeafolio, kulta ja jopa kiille. Siten syntyi eräänlainen mittakaava. Vain he eivät mitanneet ylhäältä puristavan kuorman painoa, vaan kunkin levyn sivulta painavan kuorman painoa. Lebedev asetti koko tämän rakenteen lasikannen alle, jotta tuuli ja satunnaiset ilmantiheyden vaihtelut eivät vaikuttaneet siihen. Lisäksi haluaisin kirjoittaa, että hän loi tyhjiön kannen alle. Mutta tuolloin oli mahdotonta saavuttaa edes keskimääräistä tyhjiötä. Joten sanomme, että hän loi lasikannen alle voimakkaasti ja vuorotellen valaisi yhden levyn jättäen toisen varjoon. Pinnoille suunnatun valon määrä oli ennalta määrätty. Poikkeutuskulman perusteella Lebedev määritti, mikä impulssi välitti valoa levyille.
Kaavat sähkömagneettisen säteilyn paineen määrittämiseksi normaalilla säteen tulolla
Selitetään ensin, mitä "normaali pudotus" on? Valo putoaa pinnalle normaalisti, jos se on suunnattu tiukasti kohtisuoraan pintaan nähden. Tämä asettaa ongelmalle rajoituksia: pinnan on oltava täysin sileä ja säteilysäteen on oltava suunnattu erittäin tarkasti. Tässä tapauksessa paine lasketaan:
k on läpäisykerroin, ρ on heijastuskerroin, I on tulevan valonsäteen intensiteetti, c on valon nopeus tyhjiössä.
Mutta luultavasti lukija on jo arvannut, että tällaista ihanteellista tekijöiden yhdistelmää ei ole olemassa. Vaikka emme oteta huomioon pinnan ideaalisuutta, on melko vaikeaa järjestää valon tulo tiukasti kohtisuoraan.
Kaavat sähkömagneettisen säteilyn paineen määrittämiseksi, kun se putoaa kulmassa
Valon paine kulmassa olevaan peilipintaan lasketaan toisella kaavalla, joka sisältää jo vektorielementtejä:
p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Suuret p, i, i’ ovat vektoreita. Tässä tapauksessa k ja ρ, kuten edellisessä kaavassa, ovat vastaavasti läpäisy- ja heijastuskertoimet. Uudet arvot tarkoittavat seuraavaa:
- ω - tilavuussäteilyn energiatiheys;
- i ja i' ovat yksikkövektoreita, jotka osoittavat tulevan ja heijastuneen valonsäteen suunnan (ne määrittävät suunnat, joita pitkin vaikuttavat voimat pitäisi lisätä);
- ϴ on kulma normaaliin nähden, johon valonsäde putoaa (ja vastaavasti heijastuu, koska pinta on peilattu).
Muistutetaan lukijaa siitä, että normaali on kohtisuorassa pintaan nähden, joten jos tehtävä antaa valon tulokulman pintaan, niin ϴ on 90 astetta miinus annettu arvo.
Sähkömagneettisen säteilyn paineilmiön soveltaminen
Fysiikkaa opiskelevalle opiskelijalle monet kaavat, käsitteet ja ilmiöt näyttävät tylsiltä. Koska opettaja puhuu pääsääntöisesti teoreettisista näkökohdista, mutta harvoin voi antaa esimerkkejä tiettyjen ilmiöiden hyödyistä. Älkäämme syytteletkö tästä koulun ohjaajia: ohjelma rajoittaa heitä hyvin oppitunnin aikana, ja heillä on vielä aikaa testata oppilaiden tietoja.
Tutkimuksemme kohteella on kuitenkin monia mielenkiintoisia sovelluksia:
- Nyt melkein jokainen koululainen oppilaitoksensa laboratoriossa voi toistaa Lebedevin kokeen. Mutta sitten kokeellisten tietojen ja teoreettisten laskelmien yhteensopivuus oli todellinen läpimurto. Ensimmäistä kertaa 20 prosentin virheellä suoritetun kokeen ansiosta tutkijat ympäri maailmaa pystyivät kehittämään uuden fysiikan alan - kvanttioptiikan.
- Korkeaenergisten protonien tuottaminen (esimerkiksi erilaisten aineiden säteilyttämiseen) kiihdyttämällä ohuita kalvoja laserpulssilla.
- Auringosta tulevan sähkömagneettisen säteilyn paineen huomioiminen lähellä maapalloa olevien kohteiden, mukaan lukien satelliitit ja avaruusasemat, mahdollistaa niiden kiertoradan korjaamisen entistä tarkemmin ja estää näitä laitteita putoamasta Maahan.
Yllä olevat sovellukset ovat nyt olemassa todellisessa maailmassa. Mutta on myös potentiaalisia mahdollisuuksia, joita ei ole vielä toteutunut, koska ihmiskunnan teknologia ei ole vielä saavuttanut vaadittua tasoa. Heidän joukossa:
- Aurinkopurje. Sen avulla olisi mahdollista siirtää varsin suuria kuormia lähellä maata ja jopa lähellä aurinkoa. Valo antaa pienen impulssin, mutta purjeen pinnan halutussa asennossa kiihtyvyys olisi vakio. Kitkan puuttuessa riittää nopeuden lisääminen ja lastin toimittaminen haluttuun paikkaan aurinkokunnassa.
- Fotoni moottori. Tämän tekniikan avulla ihminen voi voittaa alkuperäisen tähtensä painovoiman ja lentää muihin maailmoihin. Erona on, että aurinkoimpulsseja tuottaa keinotekoisesti luotu laite, esimerkiksi lämpöydinmoottori.
Viesti ylläpitäjältä:
Kaverit! Kuka on pitkään halunnut oppia englantia?
Siirry kohtaan ja saat kaksi ilmaista oppituntia SkyEng Englannin kielikoulussa!
Opiskelen siellä itse - se on erittäin siistiä. Edistystä tapahtuu.
Sovelluksessa voit oppia sanoja, harjoitella kuuntelua ja ääntämistä.
Kokeile sitä. Kaksi oppituntia ilmaiseksi linkin kautta!
Klikkaus
Fotonivirta (valo), joka törmääessään pintaan kohdistaa painetta.
Absorboivalle pinnalle osuvien fotonien vuo:
Peilin pinnalle osuvien fotonien vuo:
Pintaan osuvien fotonien vuo:
Valonpaineen fyysinen merkitys:
Valo on fotonivirtaa, jolloin klassisen mekaniikan periaatteiden mukaan hiukkasten on osuessaan kehoon siirrettävä siihen liikemäärä, toisin sanoen kohdistattava painetta.
Laite, mitat kevyt paine, oli erittäin herkkä vääntödynamometri (vääntöasteikko). Tämän laitteen on luonut Lebedev. Sen liikkuva osa oli ohuelle louhoslangalle ripustettu kevyt runko, johon oli kiinnitetty siivet - kevyitä ja mustia levyjä, joiden paksuus oli jopa 0,01 mm. Siivet tehtiin metallifoliosta. Runko oli ripustettu astian sisään, josta ilma pumpattiin pois. Siipien päälle putoava valo kohdistaa erilaisia paineita vaaleisiin ja mustiin levyihin. Tämän seurauksena runkoon vaikutti vääntömomentti, joka väänsi jousituskierteen. Kevyen paineen määrittämiseen käytettiin langan kiertymiskulmaa.
Kaavassa käytimme:
Voima, jolla fotoni puristaa
Pinta-ala, jolla tapahtuu kevyttä painetta
Yhden fotonin vauhti
Tämä videotunti on omistettu aiheelle "Kevyt paine. Lebedevin kokeet. Lebedevin kokeet tekivät valtavan vaikutuksen tiedemaailmaan, sillä niiden ansiosta valon paine mitattiin ensimmäistä kertaa ja Maxwellin teorian pätevyys todistettiin. Miten hän teki sen? Voit oppia vastauksen tähän ja moniin muihin valon kvanttiteoriaan liittyviin mielenkiintoisiin kysymyksiin tältä kiehtovalta fysiikan oppitunnilta.
Aihe: Kevyt paine
Oppitunti: Kevyt paine. Lebedevin kokeet
Johannes Kepler esitti hypoteesin kevyen paineen olemassaolosta ensimmäisen kerran 1600-luvulla selittääkseen komeettojen pyrstöt, kun ne lentävät lähellä aurinkoa.
Maxwell ennusti valon sähkömagneettiseen teoriaan perustuen, että valon tulisi kohdistaa painetta esteeseen.
Aallon sähkökentän vaikutuksesta kappaleissa olevat elektronit värähtelevät - muodostuu sähkövirta. Tämä virta on suunnattu sähkökentän voimakkuutta pitkin. Säännöllisesti liikkuviin elektroneihin vaikuttaa magneettikentästä tuleva Lorentzin voima, joka on suunnattu aallon etenemissuuntaan - tämä on kevyt painevoima(Kuva 1).
Riisi. 1. Maxwellin kokeilu
Maxwellin teorian todistamiseksi oli tarpeen mitata valon paine. Valonpaineen mittasi ensimmäisen kerran venäläinen fyysikko Pjotr Nikolajevitš Lebedev vuonna 1900 (kuva 2).
Riisi. 2. Petr Nikolajevitš Lebedev
Riisi. 3. Lebedev-laite
Lebedevin laite (kuva 3) koostuu ohuella lasilangalla olevasta valotangosta, jonka reunoja pitkin on kiinnitetty kevyet siivet. Koko laite asetettiin lasiastiaan, josta ilma pumpattiin pois. Valo putoaa tangon toisella puolella oleviin siipiin. Paineen arvo voidaan arvioida langan kiertymiskulman perusteella. Valonpaineen tarkan mittaamisen vaikeus johtui siitä, että aluksesta oli mahdotonta pumpata kaikkea ilmaa. Kokeen aikana ilmamolekyylien liike alkoi, mikä johtui aluksen siipien ja seinien epätasaisesta lämpenemisestä. Siipiä ei voi ripustaa täysin pystysuoraan. Kuumennetut ilmavirrat nousevat ylöspäin ja vaikuttavat siipiin, mikä johtaa lisävääntömomentteihin. Myös siipien sivujen epätasainen lämpeneminen vaikuttaa langan kiertymiseen. Valonlähteen puoleinen puoli lämpenee enemmän kuin vastakkainen puoli. Kuumammalta puolelta heijastuneet molekyylit antavat enemmän vauhtia siipeen.
Riisi. 4. Lebedev-laite
Riisi. 5. Lebedev-laite
Lebedev onnistui voittamaan kaikki vaikeudet huolimatta tuolloin alhaisesta kokeellisen tekniikan tasosta. Hän otti erittäin suuren aluksen ja erittäin ohuet siivet. Siipi koostui kahdesta parista ohuita platinaympyröitä. Kummankin parin yksi ympyrä oli kiiltävä molemmilta puolilta. Muilla puolilla toinen puoli oli päällystetty platinaniellolla. Lisäksi molemmat ympyräparit erosivat paksuudeltaan.
Konvektiovirtojen poissulkemiseksi Lebedev suuntasi valonsäteet siipien päälle yhdeltä tai toiselta puolelta. Siipiin vaikuttavat voimat olivat siis tasapainossa (kuvat 4-5).
Riisi. 6. Lebedev-laite
Riisi. 7. Lebedev-laite
Siten valon paine kiinteisiin aineisiin todistettiin ja mitattiin (kuvat 6-7). Tämän paineen arvo osui yhteen Maxwellin ennustetun paineen kanssa.
Kolme vuotta myöhemmin Lebedev onnistui suorittamaan toisen kokeen - mittaamaan valon paineen kaasuihin (kuva 8).
Riisi. 8. Asennus valon paineen mittaamiseen kaasuihin
Lordi Kelvin: "Saatat tietää, että koko ikäni taistelin Maxwellin kanssa, en tunnistanut hänen kevyttä painostustaan, ja nyt Lebedevisi pakotti minut antautumaan hänen kokeilleen."
Valon kvanttiteorian syntyminen mahdollisti valonpaineen syyn yksinkertaisemman selityksen.
Fotoneilla on vauhtia. Kun ne imeytyvät kehoon, ne siirtävät impulssinsa siihen. Tällaista vuorovaikutusta voidaan pitää täysin joustamattomana vaikutuksena.
Kunkin fotonin pintaan kohdistama voima on:
Kevyt paine pintaan:
Fotonin vuorovaikutus peilipinnan kanssa
Tämän vuorovaikutuksen tapauksessa saadaan ehdottoman elastinen vuorovaikutus. Kun fotoni putoaa pinnalle, se heijastuu siitä samalla nopeudella ja vauhdilla, jolla se putosi tälle pinnalle. Liikemäärän muutos on kaksi kertaa suurempi kuin fotonin putoaessa mustalle pinnalle valonpaine kaksinkertaistuu.
Luonnossa ei ole aineita, joiden pinta absorboisi tai heijastaisi fotoneja kokonaan. Siksi todellisiin kappaleisiin kohdistuvan valon paineen laskemiseksi on otettava huomioon, että tämä kappale absorboi joitain fotoneja ja jotkut heijastuvat.
Lebedevin kokeita voidaan pitää kokeellisena todisteena siitä, että fotoneilla on vauhtia. Vaikka valopaine on normaaleissa olosuhteissa hyvin alhainen, sen vaikutus voi olla merkittävä. Auringon paineen perusteella kehitettiin avaruusaluksille purje, jonka avulla ne voivat liikkua avaruudessa valon paineen alaisena (kuva 11).
Riisi. 11. Avaruusaluspurje
Maxwellin teorian mukaan valon paine syntyy Lorentzin voiman vaikutuksesta elektroneihin, jotka suorittavat värähteleviä liikkeitä sähkömagneettisen aallon sähkökentän vaikutuksesta.
Kvanttiteorian näkökulmasta valopaine syntyy fotonien vuorovaikutuksen seurauksena pinnan kanssa, jolle ne putoavat.
Maxwellin tekemät laskelmat osuivat yhteen Lebedevin tuottamien tulosten kanssa. Tämä todistaa selvästi valon kvanttiaaltodualismin.
Crookesin kokeet
Lebedev löysi ensimmäisenä kokeellisesti kevyen paineen ja pystyi mittaamaan sen. Kokeilu oli uskomattoman vaikea, mutta siellä on tieteellinen lelu - Crookes-koe (kuva 12).
Riisi. 12. Crookes-koe
Pieni potkuri, joka koostuu neljästä terälehdestä, sijaitsee neulassa, joka on peitetty lasikorkilla. Jos valaistat tämän potkurin valolla, se alkaa pyöriä. Jos katsot tätä potkuria ulkoilmassa tuulen puhaltaessa, sen pyöriminen ei yllättäisi ketään, mutta tässä tapauksessa lasikansi ei anna ilmavirtojen vaikuttaa potkuriin. Siksi sen liikkeen syy on valo.
Englantilainen fyysikko William Crookes loi vahingossa ensimmäisen kevyt spinner.
Vuonna 1873 Crookes päätti määrittää talliumin atomipainon ja punnita sen erittäin tarkalla vaa'alla. Jotta satunnaiset ilmavirrat eivät vääristäisi punnituskuvaa, Crookes päätti ripustaa keinuvivut tyhjiöön. Hän teki sen ja hämmästyi, sillä hänen ohuimmat suomut olivat herkkiä lämmölle. Jos lämmönlähde oli kohteen alla, se vähensi sen painoa, jos sen yläpuolella, se lisäsi sitä.
Parannettuaan tätä vahingossa tapahtuvaa kokemusta, Crookes keksi lelun - radiometrin (valomylly). Crookes-radiometri on nelisiipiinen juoksupyörä, joka on tasapainotettu neulan päällä lasikuvun sisällä pienessä tyhjiössä. Kun valonsäde osuu terään, juoksupyörä alkaa pyöriä, mikä joskus selittyy väärin kevyellä paineella. Itse asiassa vääntymisen syy on radiometrinen vaikutus. Hyökkäysvoiman ilmaantuminen, joka johtuu terän valaistulle (lämmitetylle) puolelle ja vastakkaiselle valaisemattomalle (kylmälle) puolelle osuvien kaasumolekyylien kineettisten energioiden eroista.
- Valon paine ja olosuhteiden paine ().
- Pjotr Nikolajevitš Lebedev ().
- Crookesin radiometri ().
Osoittautuu, että painetta voivat luoda paitsi kiinteät aineet, nesteet ja kaasut. Myös kevyt sähkömagneettinen säteily, joka putoaa kehon pinnalle, painaa sitä.
Kevyen paineen teoria
Johannes Kepler
Ensimmäistä kertaa oletettiin, että kevyt paine on olemassa Saksalainen tiedemies Johannes Kepler 1600-luvulla. Tutkiessaan Auringon lähellä lentävien komeettojen käyttäytymistä hän huomasi, että komeetan häntä poikkeaa aina Aurinkoa vastakkaiseen suuntaan. Kepler teoriassa, että tämä poikkeama johtui jotenkin altistumisesta auringonvalolle.
Kevyen paineen teoreettinen olemassaolo ennustettiin 1800-luvulla Brittiläinen fyysikko James Clerk Maxwell, joka loi sähkömagneettisen teorian ja väitti, että valo on myös sähkömagneettista värähtelyä ja sen pitäisi kohdistaa painetta esteisiin.
James Clerk Maxwell
Valo on sähkömagneettinen aalto. Se luo sähkökentän, jonka vaikutuksen alaisena sen tiellä kohtaamassa kappaleessa olevat elektronit värähtelevät. Kehoon ilmestyy sähkövirta, joka suuntautuu sähkökentän voimakkuutta pitkin. Magneettikenttä vaikuttaa elektroneihin Lorentzin voima. Sen suunta on sama kuin valoaallon etenemissuunta. Tämä voima on kevyt painevoima .
Maxwellin laskelmien mukaan auringonvalo tuottaa tietyn arvoisen paineen maan päällä sijaitsevalle mustalle levylle (p = 4 · 10 -6 N/m 2). Ja jos otat mustan levyn sijasta heijastavan, valonpaine on 2 kertaa suurempi.
Mutta tämä oli vain teoreettinen oletus. Sen todistamiseksi oli tarpeen vahvistaa teoria käytännön kokeella, eli mitata valon paineen arvo. Mutta koska sen arvo on hyvin pieni, se on erittäin vaikeaa tehdä käytännössä.
Pjotr Nikolajevitš Lebedev
Käytännössä näin tehtiin Venäläinen kokeellinen fyysikko Pjotr Nikolajevitš Lebedev. Hänen vuonna 1899 suorittamansa koe vahvisti Maxwellin oletuksen, että kiinteisiin aineisiin kohdistuu kevyttä painetta.
Lebedevin kokemus
Kaavioesitys Lebedevin kokeesta
Kokeilun suorittamiseksi Lebedev loi erityisen laitteen, joka oli lasiastia. Astian sisään asetettiin ohuella lasilangalla oleva kevyt sauva. Tämän sauvan reunoihin kiinnitettiin ohuet, kevyet siivet erilaisista metalleista ja kiillestä. Ilmaa pumpattiin ulos aluksesta. Valonlähteestä ja peileistä koostuvien erityisten optisten järjestelmien avulla valonsäde suunnattiin tangon toisella puolella sijaitseviin siipiin. Kevyen paineen vaikutuksesta sauva kiertyi ja lanka kiertyi tietyssä kulmassa. Valon paineen suuruus määritettiin tämän kulman suuruuden mukaan.
Lebedevin laite
Mutta tämä kokeilu ei antanut tarkkoja tuloksia. Sen toteuttamisessa oli omat vaikeutensa. Koska tyhjiöpumppuja ei tuohon aikaan ollut olemassa, käytettiin tavallisia mekaanisia. Ja heidän avullaan oli mahdotonta luoda absoluuttista tyhjiötä astiaan. Jopa pumppauksen jälkeen siihen jäi jonkin verran ilmaa. Aluksen siivet ja seinät lämmitettiin eri tavalla. Valosäteen puoleinen puoli lämpeni nopeammin. Ja tämä aiheutti ilmamolekyylien liikkeen. Lämpimät ilmavirrat nousivat ylöspäin. Koska siipien asentaminen täysin pystysuoraan on mahdotonta, nämä virtaukset aiheuttivat lisävääntömomentteja. Lisäksi itse siivet eivät lämmenneet tasaisesti. Valonlähteen puoleinen puoli kuumeni. Tämän seurauksena langan pyörimiskulmaan oli lisävaikutus.
Kokeen tarkentamiseksi Lebedev otti erittäin suuren aluksen. Hän teki siiven kahdesta parista erittäin ohuista platinaympyröistä. Lisäksi yhden parin ympyröiden paksuus erosi toisen parin ympyröiden paksuudesta. Vavan toisella puolella ympyrät olivat kiiltäviä molemmilta puolilta, toisaalta toinen puoli oli peitetty platinaniellolla. Heihin suunnattiin valonsäteet puolelta tai toiselta tasapainottamaan siipeihin vaikuttavia voimia. Tuloksena mitattiin siipien kevyt paine. Kokeelliset tulokset vahvistivat Maxwellin teoreettiset oletukset kevyen paineen olemassaolosta. Ja sen suuruus oli melkein sama kuin Maxwell ennusti.
Vuosina 1907-1910 Tarkempien kokeiden avulla Lebedev mittasi valon paineen kaasuihin.
Valolla, kuten kaikilla sähkömagneettisilla säteilyillä, on energiaa E .
Sen vauhti p = E v / c 2 ,
Missä v - sähkömagneettisen säteilyn nopeus,
c - valonnopeus.
Koska v = Kanssa , Tuo p = E/s .
Kvanttiteorian myötä valoa alettiin pitää fotonivirtana - alkuainehiukkasina, valon kvantteina. Iskeessään kehoon fotonit siirtävät siihen vauhtinsa eli kohdistavat painetta.
Aurinkopurje
Friedrich Arturovich Zander
Vaikka kevyen paineen määrä on hyvin pieni, siitä voi kuitenkin olla hyötyä ihmiselle.
Vuonna 1920 Neuvostoliiton tiedemies ja keksijä Friedrich Arturovitš Zander, yksi ensimmäisen nestemäisen polttoaineen raketin luojista, esitti ajatuksen lentää avaruuteen käyttämällä aurinkopurje . Hän oli hyvin yksinkertainen. Auringonvalo koostuu fotoneista. Ja ne luovat painetta siirtäen impulssinsa mille tahansa valaistulle pinnalle. Siksi auringonvalon tai laserin peilipinnalle tuottamaa painetta voidaan käyttää avaruusaluksen liikuttamiseen. Tällainen purje ei vaadi rakettipolttoainetta, ja sen kesto on rajoittamaton. Ja tämä mahdollistaa enemmän rahdin kuljettamisen verrattuna perinteiseen suihkumoottorilla varustettuun avaruusalukseen.
Aurinkopurje
Mutta toistaiseksi nämä ovat vain hankkeita tähtialusten luomiseksi, joiden pääkone on aurinkopurje.