Enyhe nyomás teljesen elnyelő felületen. A. Enyhe nyomás. Képletek az elektromágneses sugárzás nyomásának meghatározására, amikor az szögben esik
Az impulzus fotonokban való jelenlétének egyik kísérleti megerősítése a fénynyomás megléte (Lebegyev kísérletei).
Hullámmagyarázat (Maxwell szerint): az indukált áramok kölcsönhatása a hullám mágneses terével.
Kvantum szempontból a fény felületre gyakorolt nyomása abból adódik, hogy a felülettel való ütközéskor minden foton átadja neki lendületét. Mivel a foton csak vákuumban tud fénysebességgel mozogni, a fénynek a test felületéről való visszaverődését a fotonok „újraemissziós” folyamatának kell tekinteni – a beeső fotont a felület elnyeli, majd ellentétes irányú lendülettel újra kibocsátja.
Tekintsük a test felületére a felületre merőlegesen beeső monokromatikus sugárzás által kifejtett fénynyomást.
Hagyja, hogy egységnyi időre, egységnyi felületre a test essen P fotonok. Ha a fény visszaverődési együtthatója a test felületéről egyenlő R, Hogy Rn fotonok visszaverődnek és (1 –R) p- elnyelt. Minden visszavert foton egy impulzust ad át a falnak 2р f =2hv/c (visszaverődés hatására a foton impulzusa – r f-re változik). Minden elnyelt foton átadja lendületét a falnak r f =hv/c .A felületre ható fénynyomás egyenlő azzal az impulzussal, amelyet minden felület 1 s alatt továbbít P fotonok:
, (11-12)
Ahol I=nhv – az egységnyi felületre eső összes foton energiája egységnyi idő alatt, azaz a fény intenzitása, és w=I/c – a beeső sugárzás térfogati energiasűrűsége. Ezt a képletet kísérletileg tesztelték, és Lebegyev kísérletei megerősítették.
4. Fotongáz. Bozonok. Bose–Einstein eloszlás.
Tekintsük a fényt olyan fotonok gyűjteményének, amelyek tükörfalakkal rendelkező zárt üregben vannak. A fénynek egy tükröződően visszaverő felületre gyakorolt nyomásának akkorának kell lennie, mint ha a fotonok abszolút rugalmas golyókként tükröződnének vissza a felületről.
Határozzuk meg az ideálisan tükröződő falakra kifejtett nyomást| zárt üreg.
Az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy az üreg kocka alakú. A sugárzás izotrópiája miatt feltételezhetjük, hogy a fotonok mozgásának minden iránya egyformán valószínű. A fotonok között nincs kölcsönhatás (ütközések során frekvenciájuk nem változik). Ezért a fotonok úgy mozognak, mint egy ideális egyatomos gáz molekulái.
A gázok kinetikai elméletének alapegyenletéből megtaláljuk az ideális gáz nyomását az üreg falán:
De a fotonoknak m=hv i /c 2, υ i=с és ezért mυ i 2 = hv i.És így,
Ahol W az üregben lévő összes foton összenergiája és a falára nehezedő nyomás
Itt w- térfogati sugárzás energiasűrűsége. Ha az üregünkben lévő fotonok frekvenciája 0 és ∞ között van, akkor w képlettel határozható meg:
(11-14)
Itt ρ(ν) - térfogati sugárzási energiasűrűség a ν és ν+dν közötti frekvenciatartományban.
Funkció ρ(ν) a fotonok energia (frekvencia) szerinti speciális kvantumeloszlásával találjuk meg, - terjesztés Bose-Einstein (B-E).
1. Ellentétben a Maxwell-eloszlással, amely a részecskék eloszlását jellemzi a sebesség (impulzus) térben, a kvantum eloszlás a részecskék energiáit írja le. a részecskék momentumai és koordinátái által alkotott fázistérben.
2. A fázistér elemi térfogata egyenlő (szorozzuk meg az összes koordináta-növekményt):
3. A térfogat állapotonként egyenlő h 3 .
4. Állapotok száma dg i a kvantumstatisztikában az elemi fázistérfogatban elhelyezkedő sugárzást úgy kapjuk meg, hogy a térfogatot (11-15) elosztjuk h 3:
5. Elosztás LENNI egész spinű részecskerendszerek engedelmeskednek. Megkapták a nevet bozonok. Ezek a részecskék fotonokat is tartalmaznak. Pörgésük egész számokat vesz fel. A foton szögimpulzusa felveszi az értéket mh/2π, Ahol m = 1. 2,3… A fotonok Bose-Einstein eloszlásfüggvényének alakja:
, (11-16)
Ahol. ΔN – fotonok száma dV térfogatban, n i - a részecskék átlagos száma egy energiaállapotban energiával W i amelyet úgy hívnak k - Boltzmann állandó, T- abszolút hőmérséklet. A 2-es együttható a fény két lehetséges polarizációs iránya miatt jelenik meg (a polarizációs sík bal és jobb forgása).
Az államok teljes száma kötetben V(Miután integráltuk a térfogatot és felhasználtuk a fotonmomentum közötti összefüggéseket Rés az energiája W,νр =hv/c, W= hv ):
ahol ν a frekvencia, Val vel - fénysebesség vákuumban.
Az energiával rendelkező fotonok száma innen W előtt W+dW kötetben V:
A térfogati sugárzási energiasűrűséget a ν és ν +dν közötti frekvenciatartományban úgy kapjuk meg, hogy (11-16) megszorozzuk egy foton energiájával hν :
. (11-18)
A sugárzási nyomást a (11-13), (11-14) és (11-18) képletekkel találjuk meg:
A sugárzás állapotegyenlete:
Sugárzási energia az V térfogatból (Stefan-Boltzmann törvény):
Az energetikai fényerő és a térfogati sugárzási energiasűrűség kapcsolata (Planck képletének a (11-18) képlettel való összehasonlításából következik:
RE (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).
Ma egy olyan jelenségnek szentelünk egy beszélgetést, mint a könnyű nyomás. Tekintsük a felfedezés premisszáit és a tudományra gyakorolt következményeit.
Fény és szín
Az emberi képességek rejtélye ősidők óta aggasztja az embereket. Hogyan lát a szem? Miért léteznek színek? Mi az oka annak, hogy a világ olyan, amilyennek látjuk? Milyen messzire lát az ember? Newton a 17. században kísérleteket végzett a napsugár spektrummá történő lebontásával. Szigorú matematikai alapot is lefektetett számos, a fényről akkoriban ismert eltérő tényhez. Newton elmélete pedig sok mindent megjósolt: például felfedezéseket, amelyekre csak a kvantumfizika tud magyarázatot adni (a fény eltérülése a gravitációs térben). De az akkori fizika nem ismerte és nem értette a fény pontos természetét.
Hullám vagy részecske
Amióta a tudósok világszerte elkezdték megérteni a fény lényegét, vita folyik: mi a sugárzás, a hullám vagy a részecske (test)? Néhány tény (törés, reflexió és polarizáció) megerősítette az első elméletet. Mások (lineáris terjedés akadályok hiányában, könnyű nyomás) - a második. Ezt a vitát azonban csak a kvantumfizika tudta megnyugtatni azzal, hogy a két változatot egyetlen közös változatba egyesítette. kimondja, hogy minden mikrorészecske, beleértve a fotont is, rendelkezik hullám és részecske tulajdonságaival is. Vagyis a fénykvantumnak olyan jellemzői vannak, mint a frekvencia, az amplitúdó és a hullámhossz, valamint az impulzus és a tömeg. Azonnal foglaljunk helyet: a fotonoknak nincs nyugalmi tömegük. Mivel az elektromágneses mező kvantuma, csak a mozgás során hordoznak energiát és tömeget. Ez a „fény” fogalmának a lényege. A fizika napjainkban elég részletesen elmagyarázta.
Hullámhossz és energia
A „hullámenergia” fogalmát a fentiekben említettük. Einstein meggyőzően bebizonyította, hogy az energia és a tömeg azonos fogalmak. Ha egy foton energiát hordoz, akkor tömeggel kell rendelkeznie. A fénykvantum azonban „ravasz” részecske: amikor egy foton akadályba ütközik, teljesen átadja energiáját az anyagnak, azzá válik, és elveszti egyéni lényegét. Ezenkívül bizonyos körülmények (például erős melegítés) fényt bocsáthatnak ki a fémek és gázok korábban sötét és nyugodt belsejében. A foton lendülete, amely a tömeg jelenlétének egyenes következménye, a fény nyomásával meghatározható. orosz kutatók meggyőzően bizonyították ezt a csodálatos tényt.
Lebegyev tapasztalata
Pjotr Nyikolajevics Lebegyev orosz tudós a következő kísérletet hajtotta végre 1899-ben. A keresztlécet vékony ezüstszálra akasztotta. A tudós két azonos anyagú lemezt rögzített a keresztrúd végeihez. Ezek között volt ezüstfólia, arany, sőt csillám is. Így létrejött egyfajta mérleg. Csak ők nem felülről nyomó, hanem oldalról nyomó teher súlyát mérték az egyes lemezeken. Lebegyev ezt az egész szerkezetet üvegburkolat alá helyezte, hogy a szél és a levegősűrűség véletlenszerű ingadozása ne befolyásolhassa. Továbbá azt szeretném írni, hogy vákuumot hozott létre a fedél alatt. De akkoriban még egy átlagos vákuumot sem lehetett elérni. Tehát azt fogjuk mondani, hogy üvegborítás alatt alkotott erősen, és felváltva világította meg az egyik tányért, a másikat árnyékban hagyta. A felületekre irányított fény mennyisége előre meg volt határozva. Az elhajlási szög alapján Lebegyev meghatározta, hogy melyik impulzus továbbítja a fényt a lemezekre.
Képletek az elektromágneses sugárzás nyomásának meghatározására normál sugárbeesésnél
Először is magyarázzuk el, mi az a „normál esés”? A fény általában akkor esik egy felületre, ha szigorúan a felületre merőlegesen irányul. Ez korlátozza a problémát: a felületnek tökéletesen simának kell lennie, és a sugárnyalábnak nagyon pontosan kell irányítania. Ebben az esetben a nyomás kiszámítása:
k az áteresztési együttható, ρ a visszaverődési együttható, I a beeső fénysugár intenzitása, c a fény sebessége vákuumban.
De valószínűleg az olvasó már sejtette, hogy a tényezők ilyen ideális kombinációja nem létezik. Ha nem is vesszük figyelembe a felület idealitását, elég nehéz a fény beesését szigorúan merőlegesen megszervezni.
Képletek az elektromágneses sugárzás nyomásának meghatározására, amikor az szögben esik
A tükörfelületen szögben lévő fénynyomást egy másik képlettel számítják ki, amely már tartalmaz vektorelemeket:
p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
A p, i, i’ mennyiségek vektorok. Ebben az esetben k és ρ, mint az előző képletben, a transzmissziós és a reflexiós együtthatók. Az új értékek a következőket jelentik:
- ω - térfogati sugárzási energiasűrűség;
- i és i’ egységvektorok, amelyek a beeső és visszavert fénysugár irányát mutatják (meghatározzák azokat az irányokat, amelyek mentén össze kell adni a ható erőket);
- ϴ a normálhoz viszonyított szög, amelybe a fénysugár esik (és ennek megfelelően visszaverődik, mivel a felület tükröződik).
Emlékeztessük az olvasót, hogy a normál merőleges a felületre, tehát ha a feladat megadja a fény beesési szögét a felületre, akkor ϴ 90 fok mínusz a megadott érték.
Az elektromágneses sugárzás nyomásjelenségének alkalmazása
Egy fizikát tanuló diák számára sok képlet, fogalom és jelenség unalmasnak tűnik. Mert a tanár általában elméleti szempontokról beszél, de ritkán tud példát mondani egyes jelenségek előnyeire. Ne az iskolai oktatókat hibáztassuk ezért: nagyon behatárolja őket a program, az óra alatt bőséges anyagot kell átdolgozniuk, és még marad idejük a tanulók tudásának tesztelésére.
Ennek ellenére tanulmányunk tárgya számos érdekes alkalmazással rendelkezik:
- Most szinte minden iskolás az oktatási intézményének laboratóriumában megismételheti Lebegyev kísérletét. Ekkor azonban a kísérleti adatok és az elméleti számítások egybeesése igazi áttörést jelentett. Az első alkalommal 20%-os hibával végrehajtott kísérlet lehetővé tette a tudósok számára, hogy a fizika új ágát – a kvantumoptikát – fejlesszék ki világszerte.
- Nagy energiájú protonok előállítása (például különféle anyagok besugárzására) vékony filmek lézerimpulzussal történő gyorsításával.
- A Napból érkező elektromágneses sugárzás földközeli objektumok – köztük műholdak és űrállomások – felszínére gyakorolt nyomásának figyelembevétele lehetővé teszi pályájuk pontosabb korrigálását, és megakadályozza, hogy ezek az eszközök a Földre essenek.
A fenti alkalmazások már léteznek a való világban. De vannak olyan lehetőségek is, amelyek még nem valósultak meg, mert az emberiség technológiája még nem érte el a szükséges szintet. Közöttük:
- Napvitorla. Segítségével meglehetősen nagy terheket lehetne mozgatni a Föld-közeli, sőt napközeli térben is. A fény kis impulzust ad, de a vitorlafelület kívánt helyzetét figyelembe véve a gyorsulás állandó lenne. Súrlódás hiányában elegendő sebességet növelni és a rakományt a naprendszer kívánt pontjára szállítani.
- Foton motor. Ez a technológia lehetővé teheti az ember számára, hogy legyőzze natív csillagának gravitációját, és más világokra repüljön. A különbség az, hogy a napimpulzusokat egy mesterségesen létrehozott eszköz, például egy termonukleáris motor generálja.
Üzenet a rendszergazdától:
Srácok! Ki szeretne már régóta angolul tanulni?
Menjen a és kap két ingyenes leckét a SkyEng angol nyelviskolában!
Magam is ott tanulok – ez nagyon klassz. Van haladás.
Az alkalmazásban szavakat tanulhat, edzheti a hallást és a kiejtést.
Megpróbál. Két lecke ingyen a linkem segítségével!
Kattintson
Fotonok (fény) folyama, amely felülettel való ütközéskor nyomást fejt ki.
Az elnyelő felületre beeső fotonok fluxusa:
A tükörfelületre beeső fotonok fluxusa:
A felületre beeső fotonok fluxusa:
A fénynyomás fizikai jelentése:
A fény egy fotonáram, így a klasszikus mechanika elvei szerint a részecskéknek, amikor egy testbe ütköznek, lendületet kell adniuk neki, vagyis nyomást kell gyakorolniuk.
Készülék, mérések könnyű nyomás, nagyon érzékeny torziós dinamométer (torziós skála) volt. Ezt az eszközt Lebedev készítette. Mozgó része egy vékony kőfejtőszálra felfüggesztett könnyű keret volt, amelyhez szárnyak erősítettek - világos és fekete korongok 0,01 mm vastagságig. A szárnyak fémfóliából készültek. A keret egy edényben volt felfüggesztve, amelyből a levegőt kiszivattyúzták. A szárnyakra eső fény eltérő nyomást fejtett ki a világos és fekete korongokra. Ennek eredményeként nyomaték hatott a keretre, ami megcsavarta a felfüggesztés menetét. A fénynyomás meghatározásához a menet csavarodási szögét használtuk.
Az általunk használt képletben:
Az erő, amellyel a foton megnyomja
Felület, amelyen enyhe nyomás lép fel
Egy foton lendülete
Ez a videólecke a „Könnyű nyomás. Lebegyev kísérletei. Lebegyev kísérletei hatalmas benyomást tettek a tudományos világra, hiszen nekik köszönhetően először mérték meg a fénynyomást, és bizonyították Maxwell elméletének érvényességét. Hogyan csinálta? Erre és sok más, a fény kvantumelméletével kapcsolatos érdekes kérdésre megtudhatja a választ ebből a lenyűgöző fizikaórából.
Téma: Könnyű nyomás
Tanulság: Enyhe nyomás. Lebegyev kísérletei
A fénynyomás létezésére vonatkozó hipotézist először Johannes Kepler terjesztette elő a 17. században, hogy megmagyarázza az üstökösfarok jelenségét, amikor a Nap közelében repülnek.
Maxwell a fény elektromágneses elméletére alapozva megjósolta, hogy a fénynek nyomást kell gyakorolnia egy akadályra.
A hullám elektromos mezőjének hatására a testekben lévő elektronok oszcillálnak - elektromos áram keletkezik. Ez az áram az elektromos térerősség mentén irányul. A rendezetten mozgó elektronokra a mágneses térből a hullámterjedés irányába irányított Lorentz-erő hat – ez a könnyű nyomóerő(1. ábra).
Rizs. 1. Maxwell kísérlete
Maxwell elméletének bizonyításához meg kellett mérni a fénynyomást. A fénynyomást először Pjotr Nyikolajevics Lebegyev orosz fizikus mérte meg 1900-ban (2. ábra).
Rizs. 2. Petr Nyikolajevics Lebegyev
Rizs. 3. Lebedev készülék
Lebegyev eszköze (3. ábra) egy vékony üvegszálon lévő fényrúdból áll, melynek szélei mentén könnyű szárnyak vannak rögzítve. Az egész készüléket egy üvegedénybe helyezték, amelyből a levegőt kiszivattyúzták. A fény a rúd egyik oldalán található szárnyakra esik. A nyomásérték a menet csavarodási szögéből ítélhető meg. A fénynyomás pontos mérésének nehézsége az volt, hogy lehetetlen volt kiszivattyúzni az összes levegőt az edényből. A kísérlet során megindult a levegőmolekulák mozgása, amit az edény szárnyainak és falainak egyenlőtlen melegedése okozott. A szárnyakat nem lehet teljesen függőlegesen felakasztani. A felmelegített levegőáramok felfelé emelkednek, és a szárnyakra hatnak, ami további nyomatékokhoz vezet. Ezenkívül a szál csavarodását befolyásolja a szárnyak oldalának nem egyenletes felmelegedése. A fényforrás felé eső oldal jobban felmelegszik, mint az ellenkező oldal. A melegebb oldalról visszaverődő molekulák nagyobb lendületet adnak a szárnynak.
Rizs. 4. Lebedev készülék
Rizs. 5. Lebedev készülék
Lebegyevnek sikerült minden nehézséget leküzdenie, annak ellenére, hogy a kísérleti technológia akkoriban alacsony volt. Vett egy nagyon nagy edényt és nagyon vékony szárnyakat. A szárny két pár vékony platina körből állt. Mindegyik pár egyik köre mindkét oldalon fényes volt. A többi oldal egyik oldalát platina niello borította. Ráadásul mindkét körpár vastagságban különbözött.
A konvekciós áramok kizárására Lebegyev egyik vagy másik oldalról fénysugarat irányított a szárnyakra. Így a szárnyakra ható erők kiegyenlítődtek (4-5. ábra).
Rizs. 6. Lebedev készülék
Rizs. 7. Lebedev készülék
Így a fény szilárd anyagokra gyakorolt nyomása bizonyított és mérhető (6-7. ábra). Ennek a nyomásnak az értéke egybeesett Maxwell előrejelzett nyomásával.
Három évvel később Lebegyevnek sikerült egy másik kísérletet végrehajtania - a fény gázokra gyakorolt nyomásának mérésére (8. ábra).
Rizs. 8. Berendezés a fény gázokra gyakorolt nyomásának mérésére
Lord Kelvin: „Tudhatja, hogy egész életemben Maxwell-lel harcoltam, nem ismertem fel enyhe nyomását, és most Lebedeved arra kényszerített, hogy átadjam magam a kísérleteinek.”
A fény kvantumelméletének megjelenése lehetővé tette a fénynyomás okának egyszerűbb megmagyarázását.
A fotonoknak van lendületük. Amikor felszívódnak a szervezetben, impulzusukat átadják neki. Az ilyen kölcsönhatás teljesen rugalmatlan hatásnak tekinthető.
Az egyes fotonok által a felületre kifejtett erő:
Enyhe nyomás a felületen:
Foton kölcsönhatása tükörfelülettel
Ezen kölcsönhatás esetén abszolút rugalmas kölcsönhatás jön létre. Ha egy foton egy felületre esik, akkor arról ugyanolyan sebességgel és lendülettel verődik vissza, mint ahogy erre a felületre esett. Az impulzus változása kétszer akkora lesz, mint amikor egy foton fekete felületre esik, a fény nyomása megduplázódik.
A természetben nincsenek olyan anyagok, amelyek felülete teljesen elnyelné vagy visszaverné a fotonokat. Ezért a valódi testekre gyakorolt fénynyomás kiszámításához figyelembe kell venni, hogy néhány fotont ez a test elnyel, néhány pedig visszaverődik.
Lebegyev kísérletei a fotonok lendületének kísérleti bizonyítékának tekinthetők. Bár a fénynyomás normál körülmények között nagyon alacsony, hatása jelentős lehet. A Nap nyomása alapján űrhajók számára fejlesztettek ki egy vitorlát, amely lehetővé teszi a fény nyomása alatti mozgást az űrben (11. ábra).
Rizs. 11. Űrhajó vitorla
A fénynyomás Maxwell elmélete szerint a Lorentz-erőnek az elektromágneses hullám elektromos mezőjének hatására oszcilláló mozgást végző elektronokra gyakorolt hatására jön létre.
A kvantumelmélet szempontjából a fénynyomás a fotonok és a felület, amelyre esnek, kölcsönhatása következtében jön létre.
A Maxwell által végzett számítások egybeestek Lebegyev eredményeivel. Ez egyértelműen bizonyítja a fény kvantum-hullám dualizmusát.
Crookes kísérletei
Lebegyev volt az első, aki kísérleti úton fedezte fel a fénynyomást, és meg tudta mérni. A kísérlet hihetetlenül összetett volt, de van egy tudományos játék – a Crookes-kísérlet (12. ábra).
Rizs. 12. Crookes-kísérlet
Egy kis propeller, amely négy sziromból áll, egy tűn található, amelyet üvegkupak borít. Ha ezt a légcsavart fénnyel megvilágítja, akkor forogni kezd. Ha ezt a légcsavart a szabadban nézzük, amikor ráfúj a szél, akkor a forgása senkit nem lepne meg, de ebben az esetben az üvegburkolat nem engedi, hogy a légáramok a propellerre hatnak. Ezért mozgásának oka a fény.
William Crookes angol fizikus véletlenül megalkotta az elsőt könnyű fonó.
1873-ban Crookes úgy döntött, hogy meghatározza a tallium elem atomsúlyát, és nagyon pontos mérleggel leméri. Annak elkerülése érdekében, hogy a véletlenszerű légáramlatok torzítsák a mérési képet, Crookes úgy döntött, hogy vákuumban felfüggeszti a lengőkarokat. Meg is tette, és elcsodálkozott, hiszen a legvékonyabb pikkelyei hőérzékenyek voltak. Ha a hőforrás a tárgy alatt volt, csökkentette a súlyát, ha fölötte, akkor növelte.
Javítva ezt a véletlenszerű élményt, Crookes kitalált egy játékot - egy radiométert (fénymalom). A Crookes-radiométer egy négylapátos járókerék, amely egy tűn egyensúlyozott egy üvegburában, enyhe vákuum alatt. Amikor fénysugár éri a lapátot, a járókerék forogni kezd, amit néha rosszul magyaráznak a könnyű nyomással. Valójában a torzió oka radiometrikus hatás. A penge megvilágított (fűtött) oldalára és a vele ellentétes megvilágítatlan (hidegebb) oldalra ütköző gázmolekulák kinetikai energiáinak különbségéből adódó taszító erő kialakulása.
- A fény nyomása és a körülmények nyomása ().
- Pjotr Nyikolajevics Lebegyev ().
- Crookes radiométer ().
Kiderült, hogy nyomást nem csak szilárd anyagok, folyadékok és gázok hozhatnak létre. A test felületére esve a könnyű elektromágneses sugárzás is nyomást gyakorol rá.
Fénynyomás elmélet
Johannes Kepler
Első alkalommal merült fel az a feltételezés, hogy létezik könnyű nyomás Johannes Kepler német tudós a 17. században. A Nap közelében repülő üstökösök viselkedésének tanulmányozása során észrevette, hogy az üstökös farka mindig a Nappal ellentétes irányba tér el. Kepler elmélete szerint ezt az eltérést valahogy a napfény okozta.
A fénynyomás elméleti létezését a XIX James Clerk Maxwell brit fizikus, aki megalkotta az elektromágneses elméletet, és azt állította, hogy a fény egyben elektromágneses rezgés is, és nyomást kell gyakorolnia az akadályokra.
James Clerk Maxwell
A fény egy elektromágneses hullám. Elektromos mezőt hoz létre, amelynek hatására az útjában talált testben lévő elektronok rezegnek. A testben elektromos áram jelenik meg, amely az elektromos térerősség mentén irányul. A mágneses tér az elektronokra hat Lorentz erő. Iránya egybeesik a fényhullám terjedési irányával. Ez az erő az könnyű nyomóerő .
Maxwell számításai szerint a napfény egy bizonyos értékű nyomást hoz létre a Földön található fekete lemezen (p = 4 · 10 -6 N/m 2). És ha fekete lemez helyett fényvisszaverőt vesz, akkor a fénynyomás kétszerese lesz.
De ez csak egy elméleti feltételezés volt. Ennek bizonyításához gyakorlati kísérlettel kellett megerősíteni az elméletet, vagyis megmérni a fénynyomás értékét. De mivel az értéke nagyon kicsi, ezt a gyakorlatban rendkívül nehéz megtenni.
Pjotr Nyikolajevics Lebegyev
A gyakorlatban ez meg is történt Pjotr Nyikolajevics Lebegyev orosz kísérleti fizikus. Egy 1899-ben végzett kísérlete megerősítette Maxwell feltevését, miszerint a szilárd anyagokon enyhe nyomás van.
Lebegyev tapasztalata
Lebegyev kísérletének sematikus ábrázolása
Kísérletének elvégzéséhez Lebegyev egy speciális eszközt készített, amely egy üvegedény volt. Az edény belsejébe egy vékony üvegszálon lévő könnyű rudat helyeztek. Ennek a rúdnak a szélére vékony, könnyű szárnyakat erősítettek különböző fémekből és csillámból. Levegőt kiszivattyúztak a hajóból. Fényforrásból és tükrökből álló speciális optikai rendszerek segítségével a fénysugarat a rúd egyik oldalán elhelyezkedő szárnyakra irányították. Könnyű nyomás hatására a rúd elfordult, és a menet egy bizonyos szögben megcsavarodott. A fénynyomás nagyságát ennek a szögnek a nagysága határozta meg.
Lebedev készülék
De ez a kísérlet nem adott pontos eredményt. A megvalósításnak megvoltak a maga nehézségei. Mivel akkoriban nem léteztek vákuumszivattyúk, hagyományos mechanikus szivattyúkat használtak. Segítségükkel pedig lehetetlen volt abszolút vákuumot létrehozni az edényben. Kiszivattyúzás után is maradt benne némi levegő. Az edény szárnyait és falait eltérően fűtötték. A fénysugár felé eső oldal gyorsabban melegedett fel. És ez okozta a levegőmolekulák mozgását. A melegebb levegő áramlásai emelkedtek felfelé. Mivel a szárnyakat nem lehet teljesen függőlegesen felszerelni, ezek az áramlások további nyomatékokat hoztak létre. Ráadásul maguk a szárnyak sem melegedtek fel egyformán. A fényforrás felőli oldal felforrósodott. Ennek eredményeként további hatása volt a menet forgási szögére.
A kísérlet pontosabbá tétele érdekében Lebegyev egy nagyon nagy edényt vett elő. A szárnyat két pár nagyon vékony platina körből készítette. Ráadásul az egyik pár körének vastagsága eltért a másik pár köreinek vastagságától. A rúd egyik oldalán a körök mindkét oldalán fényesek voltak, a másik oldalon platina niello borította az egyik oldalt. Fénysugarat irányítottak rájuk egyik vagy másik oldalról, hogy kiegyenlítsék a szárnyakra ható erőket. Ennek eredményeként megmérték a szárnyakra nehezedő enyhe nyomást. A kísérleti eredmények megerősítették Maxwell elméleti feltételezéseit a fénynyomás létezéséről. A nagysága pedig majdnem megegyezett Maxwell előrejelzésével.
1907-1910 között Lebegyev pontosabb kísérletekkel mérte a fény nyomását a gázokra.
A fénynek, mint minden elektromágneses sugárzásnak, van energiája E .
A lendülete p = E v / c 2 ,
Ahol v - az elektromágneses sugárzás sebessége,
c - fénysebesség.
Mert v = Val vel , Azt p = E/s .
A kvantumelmélet megjelenésével a fényt fotonok - elemi részecskék, fénykvantumok - áramának kezdték tekinteni. Amikor egy testet eltalálnak, a fotonok lendületüket átadják neki, vagyis nyomást fejtenek ki.
Napvitorla
Friedrich Arturovich Zander
Bár a könnyű nyomás mértéke nagyon kicsi, ennek ellenére előnyös lehet az ember számára.
Még 1920-ban Friedrich Arturovich Zander szovjet tudós és feltaláló, az első folyékony tüzelőanyagú rakéta egyik megalkotója felvetette azt az ötletet, hogy az űrbe repüljön napvitorla . Nagyon egyszerű volt. A napfény fotonokból áll. És nyomást hoznak létre, átadva impulzusukat bármilyen megvilágított felületre. Ezért a napfény vagy a lézer által a tükörfelületre keltett nyomás felhasználható egy űrhajó meghajtására. Egy ilyen vitorla nem igényel rakéta-üzemanyagot, és időtartama korlátlan. Ez pedig több rakomány szállítását teszi lehetővé, mint egy hagyományos sugárhajtóműves űrhajó.
Napvitorla
De ezek egyelőre csak olyan projektekről szólnak, amelyek olyan csillaghajók létrehozására irányulnak, amelyek fő motorja egy napvitorla.