მსუბუქი წნევა მთლიანად შთანთქმის ზედაპირზე. ა მსუბუქი წნევა. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის განსაზღვრის ფორმულები კუთხით დაცემისას
ფოტონებში იმპულსის არსებობის ერთ-ერთი ექსპერიმენტული დადასტურებაა სინათლის წნევის არსებობა (ლებედევის ექსპერიმენტები).
ტალღის ახსნა (მაქსველის მიხედვით): ინდუცირებული დენების ურთიერთქმედება ტალღის მაგნიტურ ველთან.
კვანტური თვალსაზრისით, ზედაპირზე სინათლის წნევა განპირობებულია იმით, რომ ამ ზედაპირთან შეჯახებისას თითოეული ფოტონი გადასცემს მას თავის იმპულსს. ვინაიდან ფოტონს შეუძლია სინათლის სიჩქარით მოძრაობა მხოლოდ ვაკუუმში, სხეულის ზედაპირიდან სინათლის ასახვა უნდა ჩაითვალოს ფოტონების „ხელახალი ემისიის“ პროცესად - შემხვედრი ფოტონი შეიწოვება ზედაპირზე და შემდეგ ხელახლა გამოსხივებული მის მიერ იმპულსის საპირისპირო მიმართულებით.
განვიხილოთ მსუბუქი წნევა, რომელსაც ახორციელებს სხეულის ზედაპირზე მონოქრომატული გამოსხივების ნაკადი ზედაპირზე პერპენდიკულარული.
დაეცემა დროის ერთეულზე სხეულის ზედაპირის ერთეულზე პფოტონები. თუ სხეულის ზედაპირიდან სინათლის არეკვლის კოეფიციენტი ტოლია R,რომ Rn ფოტონები აირეკლება და (1 –რ) p- შეიწოვება. თითოეული ასახული ფოტონი გადასცემს კედელს ტოლი იმპულსით 2р f =2hv/c (არეკვლისას ფოტონის იმპულსი იცვლება – r f). თითოეული შთანთქმული ფოტონი თავის იმპულსს კედელს გადასცემს r f =hv/c .ზედაპირზე მსუბუქი წნევა უდრის იმ იმპულსს, რომელსაც ყველა ზედაპირი გადასცემს 1 წამში პფოტონები:
, (11-12)
სად I=nhv – ყველა ფოტონის ენერგია, რომელიც ემთხვევა ერთეულ ზედაპირზე ერთეულ დროში, ანუ სინათლის ინტენსივობა და w=I/c - ინციდენტური გამოსხივების მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივე. ეს ფორმულა გამოსცადეს ექსპერიმენტულად და დადასტურდა ლებედევის ექსპერიმენტებში.
4. ფოტონი გაზი. ბოზონები. ბოზე-აინშტაინის განაწილება.
მოდით განვიხილოთ სინათლე, როგორც ფოტონების კოლექცია, რომლებიც დახურულ ღრუშია სარკისებური კედლებით. სინათლის ზეწოლა სპეკულარულად ამრეკლავ ზედაპირზე უნდა იყოს ისეთივე, როგორიც იქნებოდა, თუ ფოტონები სპეკულარულად აირეკლავდნენ ზედაპირიდან, როგორც აბსოლუტურად ელასტიური ბურთულები.
ვიპოვოთ იდეალურად ამრეკლავ კედლებზე განხორციელებული წნევა| დახურული ღრუ.
სიმარტივისთვის, ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ღრუ კუბის ფორმისაა. გამოსხივების იზოტროპიის გამო, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ ფოტონების მოძრაობის ყველა მიმართულება თანაბრად სავარაუდოა. ფოტონებს შორის არ არის ურთიერთქმედება (შეჯახების დროს მათი სიხშირე არ იცვლება). ამიტომ, ფოტონები მოძრაობენ იდეალური მონატომური აირის მოლეკულების მსგავსად.
ჩვენ ვპოულობთ იდეალური გაზის წნევას ღრუს კედლებზე აირების კინეტიკური თეორიის ძირითადი განტოლებიდან:
მაგრამ ფოტონებისთვის m=hv i /c 2, υ i=с და ამიტომ mυ i 2 = hv i.ამგვარად,
სად ვარის ღრუში არსებული ყველა ფოტონის მთლიანი ენერგია და წნევა მის კედლებზე
Აქ w-მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივე. თუ ჩვენს ღრუში ფოტონებს აქვთ სიხშირე 0-დან ∞-მდე, მაშინ ვშეიძლება განისაზღვროს ფორმულით:
(11-14)
Აქ ρ(ν) - მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივე სიხშირის დიაპაზონში ν-დან ν+dν-მდე.
ფუნქცია ρ(ν) ნაპოვნია ფოტონების სპეციალური კვანტური განაწილების გამოყენებით ენერგიის (სიხშირის) მიხედვით, - განაწილება ბოზე-აინშტაინი (B-E).
1. მაქსველის განაწილებისგან განსხვავებით, რომელიც ახასიათებს ნაწილაკების განაწილებას სიჩქარის (იმპულსის) სივრცეში, კვანტური განაწილება აღწერს ნაწილაკების ენერგიას. ნაწილაკების მომენტებითა და კოორდინატებით წარმოქმნილ ფაზურ სივრცეში.
2. ფაზის სივრცის ელემენტარული მოცულობა უდრის (გავამრავლოთ ყველა კოორდინატთა ნამატი):
3. მოცულობა შტატზე ტოლია სთ 3 .
4. შტატების რაოდენობა დგ იკვანტურ სტატისტიკაში ელემენტარული ფაზის მოცულობაში მდებარე გამოსხივება მიიღება მოცულობის (11-15) გაყოფით სთ 3:
5. დისტრიბუცია B-E მთელი რიცხვითი სპინის მქონე ნაწილაკების სისტემები ემორჩილება. მათ სახელი მიიღეს ბოზონები. ეს ნაწილაკები ასევე შეიცავს ფოტონებს. მათი სპინი იღებს მთელ მნიშვნელობებს. ფოტონის კუთხური იმპულსი იღებს მნიშვნელობას mh/2π, სად მ = 1. 2,3… ბოზე-აინშტაინის განაწილების ფუნქციას ფოტონებისთვის აქვს ფორმა:
, (11-16)
სად. ΔN - ფოტონების რაოდენობა მოცულობით dV, n მე - ნაწილაკების საშუალო რაოდენობა ერთ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში ენერგიით ვ ირომელსაც ქვია კ - ბოლცმანის მუდმივი, თ- აბსოლუტური ტემპერატურა. კოეფიციენტი 2 ჩნდება სინათლის პოლარიზაციის ორი შესაძლო მიმართულების არსებობის გამო (პოლარიზაციის სიბრტყის მარცხნივ და მარჯვნივ ბრუნვა).
სახელმწიფოების საერთო რაოდენობა მოცულობაში ვ(მოცულობით ინტეგრაციის შემდეგ და ფოტონის იმპულსს შორის ურთიერთობის გამოყენების შემდეგ რდა მისი ენერგია W,νр =hv/c, W= hv ):
სადაც ν არის სიხშირე, თან -სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში.
ფოტონების რაოდენობა ენერგიით ვადრე W+dWმოცულობაში V:
ჩვენ ვპოულობთ მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივეს სიხშირის დიაპაზონში ν-დან ν +dν-მდე გამრავლებით (11-16) ერთი ფოტონის ენერგიაზე. hν :
. (11-18)
ჩვენ ვპოულობთ რადიაციულ წნევას ფორმულების გამოყენებით (11-13), (11-14) და (11-18):
რადიაციის მდგომარეობის განტოლება:
რადიაციის ენერგია V ტომიდან (შტეფან-ბოლცმანის კანონი):
კავშირი ენერგიულ სიკაშკაშესა და მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივეს შორის (მოჰყვება პლანკის ფორმულის შედარებას ფორმულასთან (11-18):
R E (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).
დღეს ჩვენ საუბარს მივუძღვნით ისეთ ფენომენს, როგორიცაა მსუბუქი წნევა. მოდით განვიხილოთ აღმოჩენის წინაპირობა და შედეგები მეცნიერებისთვის.
მსუბუქი და ფერი
ადამიანის შესაძლებლობების საიდუმლოება ადამიანებს უძველესი დროიდან აწუხებდა. როგორ ხედავს თვალი? რატომ არსებობს ფერები? რა არის იმის მიზეზი, რომ სამყარო ისეთია, როგორც ჩვენ აღვიქვამთ მას? რამდენად შორს ხედავს ადამიანს? მზის სხივების სპექტრად დაშლის ექსპერიმენტები ჩაატარა ნიუტონმა მე-17 საუკუნეში. მან ასევე მკაცრი მათემატიკური საფუძველი ჩაუყარა უამრავ განსხვავებულ ფაქტს, რომლებიც იმ დროს ცნობილი იყო სინათლის შესახებ. ნიუტონის თეორიამ კი ბევრი რამ იწინასწარმეტყველა: მაგალითად, აღმოჩენები, რომელთა ახსნა მხოლოდ კვანტურ ფიზიკას შეეძლო (სინათლის გადახრა გრავიტაციულ ველში). მაგრამ იმდროინდელმა ფიზიკამ არ იცოდა ან არ ესმოდა სინათლის ზუსტი ბუნება.
ტალღა ან ნაწილაკი
მას შემდეგ, რაც მთელ მსოფლიოში მეცნიერებმა დაიწყეს სინათლის არსის გაგება, მიმდინარეობს დებატები: რა არის რადიაცია, ტალღა თუ ნაწილაკი (კორპუსკულა)? ზოგიერთმა ფაქტმა (რეფრაქცია, ასახვა და პოლარიზაცია) დაადასტურა პირველი თეორია. სხვები (წრფივი გავრცელება დაბრკოლებების არარსებობის შემთხვევაში, მსუბუქი წნევა) - მეორე. თუმცა, მხოლოდ კვანტურმა ფიზიკამ შეძლო ამ დავის დამშვიდება ორი ვერსიის ერთ საერთო ვერსიაში გაერთიანებით. აცხადებს, რომ ნებისმიერ მიკრონაწილაკს, მათ შორის ფოტონს, აქვს როგორც ტალღის, ასევე ნაწილაკების თვისებები. ანუ, სინათლის კვანტს აქვს ისეთი მახასიათებლები, როგორიცაა სიხშირე, ამპლიტუდა და ტალღის სიგრძე, ისევე როგორც იმპულსი და მასა. მოდით დაუყოვნებლივ გავაკეთოთ დათქმა: ფოტონებს არ აქვთ მოსვენების მასა. როგორც ელექტრომაგნიტური ველის კვანტი, ისინი ატარებენ ენერგიას და მასას მხოლოდ მოძრაობის პროცესში. ეს არის "სინათლის" კონცეფციის არსი. ფიზიკამ ეს გარკვეულწილად ახსნა ამ დღეებში.
ტალღის სიგრძე და ენერგია
"ტალღის ენერგიის" კონცეფცია ზემოთ იყო ნახსენები. აინშტაინმა დამაჯერებლად დაამტკიცა, რომ ენერგია და მასა იდენტური ცნებებია. თუ ფოტონი ატარებს ენერგიას, მას უნდა ჰქონდეს მასა. თუმცა, სინათლის კვანტური არის „მზაკვრული“ ნაწილაკი: როდესაც ფოტონი ხვდება დაბრკოლებას, ის მთლიანად თმობს თავის ენერგიას ნივთიერებას, ხდება იგი და კარგავს თავის ინდივიდუალურ არსს. უფრო მეტიც, გარკვეულმა გარემოებებმა (მაგალითად, ძლიერმა გათბობამ) შეიძლება გამოიწვიოს ლითონებისა და გაზების ადრე ბნელი და მშვიდი ინტერიერის გამოსხივება. ფოტონის იმპულსი, მასის არსებობის პირდაპირი შედეგი, შეიძლება განისაზღვროს სინათლის წნევის გამოყენებით. რუსეთის მკვლევარებმა დამაჯერებლად დაამტკიცეს ეს საოცარი ფაქტი.
ლებედევის გამოცდილება
რუსმა მეცნიერმა პიოტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევმა ჩაატარა შემდეგი ექსპერიმენტი 1899 წელს. ვერცხლის თხელ ძაფზე ჩამოკიდა ჯვარი. მეცნიერმა ერთი და იმავე ნივთიერების ორი ფირფიტა მიამაგრა ჯვრის ბოლოებზე. მათ შორის იყო ვერცხლის ფოლგა, ოქრო და თუნდაც მიკა. ამრიგად, შეიქმნა ერთგვარი სასწორები. მხოლოდ მათ გაზომეს არა ტვირთის წონა, რომელიც ზემოდან დაჭერს, არამედ იმ ტვირთს, რომელიც გვერდიდან აჭერს თითოეულ ფირფიტას. ლებედევმა მთელი ეს სტრუქტურა შუშის საფარის ქვეშ მოათავსა, რათა ქარმა და ჰაერის სიმკვრივის შემთხვევითმა რყევებმა მასზე გავლენა არ მოახდინოს. გარდა ამისა, მინდა დავწერო, რომ მან შექმნა ვაკუუმი სახურავის ქვეშ. მაგრამ იმ დროს შეუძლებელი იყო თუნდაც საშუალო ვაკუუმის მიღწევა. ასე რომ, ჩვენ ვიტყვით, რომ მან შექმნა შუშის საფარის ქვეშ ძლიერად და მონაცვლეობით ანათებდა ერთ ფირფიტას, მეორე კი ჩრდილში ტოვებდა. ზედაპირებზე მიმართული სინათლის რაოდენობა წინასწარ იყო განსაზღვრული. გადახრის კუთხიდან გამომდინარე, ლებედევმა დაადგინა, თუ რა იმპულსმა გადასცა სინათლე ფირფიტებს.
ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის განსაზღვრის ფორმულები სხივის ნორმალურ დაცემაზე
ჯერ განვმარტოთ, რა არის „ნორმალური დაცემა“? სინათლე ჩვეულებრივ ეცემა ზედაპირზე, თუ ის მიმართულია ზედაპირზე მკაცრად პერპენდიკულურად. ეს აწესებს შეზღუდვებს პრობლემაზე: ზედაპირი უნდა იყოს იდეალურად გლუვი, ხოლო რადიაციული სხივი უნდა იყოს მიმართული ძალიან ზუსტად. ამ შემთხვევაში, წნევა გამოითვლება:
k არის გამტარიანობის კოეფიციენტი, ρ არის ასახვის კოეფიციენტი, I არის დაცემის სინათლის სხივის ინტენსივობა, c არის სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში.
მაგრამ, ალბათ, მკითხველმა უკვე მიხვდა, რომ ფაქტორების ასეთი იდეალური კომბინაცია არ არსებობს. მაშინაც კი, თუ არ გავითვალისწინებთ ზედაპირის იდეალურობას, საკმაოდ რთულია სინათლის დაცემის მკაცრად პერპენდიკულურად ორგანიზება.
ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის განსაზღვრის ფორმულები კუთხით დაცემისას
სინათლის წნევა სარკის ზედაპირზე კუთხით გამოითვლება სხვა ფორმულის გამოყენებით, რომელიც უკვე შეიცავს ვექტორულ ელემენტებს:
p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
p, i, i” სიდიდეები ვექტორებია. ამ შემთხვევაში, k და ρ, როგორც წინა ფორმულაში, არის გადაცემის და ასახვის კოეფიციენტები, შესაბამისად. ახალი მნიშვნელობები ნიშნავს შემდეგს:
- ω - მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივე;
- i და i' არის ერთეული ვექტორები, რომლებიც აჩვენებენ ინციდენტის მიმართულებას და ასახული სინათლის სხივს (ისინი აზუსტებენ მიმართულებებს, რომლებზეც უნდა დაემატოს მოქმედი ძალები);
- ϴ არის კუთხე ნორმასთან, რომლის დროსაც სინათლის სხივი ეცემა (და, შესაბამისად, აირეკლება, რადგან ზედაპირი სარკისებულია).
შევახსენოთ მკითხველს, რომ ნორმალური არის ზედაპირის პერპენდიკულარული, ასე რომ, თუ პრობლემა იძლევა სინათლის დაცემის კუთხეს ზედაპირთან, მაშინ ϴ არის 90 გრადუსი მინუს მოცემული მნიშვნელობა.
ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის ფენომენის გამოყენება
სტუდენტისთვის, რომელიც ფიზიკას სწავლობს, ბევრი ფორმულა, ცნება და ფენომენი მოსაწყენია. რადგან, როგორც წესი, მასწავლებელი საუბრობს თეორიულ ასპექტებზე, მაგრამ იშვიათად შეუძლია მაგალითების მოყვანა გარკვეული ფენომენის სარგებლობის შესახებ. ნუ დავაბრალებთ ამაში სკოლის დამრიგებლებს: ისინი ძალიან შეზღუდული არიან გაკვეთილის განმავლობაში, მათ სჭირდებათ ვრცელი მასალის გაშუქება და ჯერ კიდევ აქვთ დრო, რომ შეამოწმონ მოსწავლეთა ცოდნა.
მიუხედავად ამისა, ჩვენი კვლევის ობიექტს ბევრი საინტერესო პროგრამა აქვს:
- ახლა თითქმის ყველა მოსწავლეს თავისი საგანმანათლებლო დაწესებულების ლაბორატორიაში შეუძლია გაიმეოროს ლებედევის ექსპერიმენტი. მაგრამ მაშინ ექსპერიმენტული მონაცემების დამთხვევა თეორიულ გამოთვლებთან იყო რეალური გარღვევა. ექსპერიმენტმა, რომელიც პირველად ჩატარდა 20%-იანი შეცდომით, მთელს მსოფლიოში მეცნიერებს საშუალება მისცა განავითარონ ფიზიკის ახალი ფილიალი - კვანტური ოპტიკა.
- მაღალი ენერგიის პროტონების წარმოება (მაგალითად, სხვადასხვა ნივთიერების დასხივებისთვის) თხელი ფენების ლაზერული პულსის დაჩქარებით.
- მზის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის გათვალისწინება დედამიწასთან ახლოს ობიექტების ზედაპირზე, თანამგზავრების და კოსმოსური სადგურების ჩათვლით, შესაძლებელს ხდის მათი ორბიტის უფრო დიდი სიზუსტით გამოსწორებას და ხელს უშლის ამ მოწყობილობების დედამიწაზე დაცემას.
ზემოაღნიშნული აპლიკაციები ახლა რეალურ სამყაროში არსებობს. მაგრამ ასევე არსებობს პოტენციური შესაძლებლობები, რომლებიც ჯერ კიდევ არ არის რეალიზებული, რადგან კაცობრიობის ტექნოლოგია ჯერ კიდევ არ მიუღწევია საჭირო დონეს. Მათ შორის:
- მზის იალქანი. მისი დახმარებით შესაძლებელი იქნებოდა საკმაოდ დიდი ტვირთების გადატანა დედამიწასთან და თუნდაც მზის მახლობლად სივრცეში. სინათლე იძლევა მცირე იმპულსს, მაგრამ აფრების ზედაპირის სასურველი პოზიციის გათვალისწინებით, აჩქარება მუდმივი იქნება. ხახუნის არარსებობის შემთხვევაში საკმარისია სიჩქარის მოპოვება და ტვირთის მიტანა მზის სისტემის სასურველ წერტილამდე.
- ფოტონის ძრავა. ამ ტექნოლოგიამ შეიძლება ადამიანს მისცეს საშუალება, გადალახოს მშობლიური ვარსკვლავის მიზიდულობა და სხვა სამყაროებში გაფრინდეს. განსხვავება ისაა, რომ მზის იმპულსები წარმოიქმნება ხელოვნურად შექმნილი მოწყობილობით, მაგალითად, თერმობირთვული ძრავით.
შეტყობინება ადმინისტრატორისგან:
Ბიჭები! ვისაც დიდი ხანია სურდა ინგლისურის სწავლა?
გადადით და მიიღეთ ორი უფასო გაკვეთილი SkyEng ინგლისური ენის სკოლაში!
მე თვითონ ვსწავლობ იქ - ძალიან მაგარია. არის პროგრესი.
აპლიკაციაში შეგიძლიათ ისწავლოთ სიტყვები, ივარჯიშოთ მოსმენა და გამოთქმა.
სცადე. ორი გაკვეთილი უფასოდ ჩემი ლინკის გამოყენებით!
დააწკაპუნეთ
ფოტონების ნაკადი (სინათლე), რომელიც ზედაპირზე ზემოქმედების დროს ახდენს წნევას.
შთამნთქმელ ზედაპირზე მოხვედრილი ფოტონების ნაკადი:
სარკის ზედაპირზე მოხვედრილი ფოტონების ნაკადი:
ზედაპირზე მომხდარი ფოტონების ნაკადი:
მსუბუქი წნევის ფიზიკური მნიშვნელობა:
სინათლე არის ფოტონების ნაკადი, მაშასადამე, კლასიკური მექანიკის პრინციპების მიხედვით, ნაწილაკებმა სხეულზე დარტყმისას უნდა გადასცენ მას იმპულსი, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ახორციელებენ წნევას.
მოწყობილობა, გაზომვები მსუბუქი წნევა, იყო ძალიან მგრძნობიარე ბრუნვის დინამომეტრი (ბრუნვის მასშტაბი). ეს მოწყობილობა შეიქმნა ლებედევის მიერ. მისი მოძრავი ნაწილი იყო თხელ კარიერის ძაფზე დაკიდებული მსუბუქი ჩარჩო, რომელზეც ფრთები იყო მიმაგრებული - ღია და შავი დისკები 0,01 მმ-მდე სისქის. ფრთები დამზადებულია ლითონის ფოლგისგან. ჩარჩო შეჩერებული იყო ჭურჭლის შიგნით, საიდანაც ჰაერი გამოდიოდა. ფრთებზე დაცემული შუქი სხვადასხვა ზეწოლას ახდენდა ნათელ და შავ დისკებზე. შედეგად, ჩარჩოზე მოქმედებდა ბრუნი, რომელიც ატრიალებდა საკიდის ძაფს. სინათლის წნევის დასადგენად გამოიყენებოდა ძაფის მობრუნების კუთხე.
ფორმულაში ჩვენ გამოვიყენეთ:
ძალა, რომლითაც ხდება ფოტონი
ზედაპირის ფართობი, რომელზეც ხდება მსუბუქი წნევა
ერთი ფოტონის იმპულსი
ეს ვიდეო გაკვეთილი ეძღვნება თემას „მსუბუქი წნევა. ლებედევის ექსპერიმენტები. ლებედევის ექსპერიმენტებმა დიდი შთაბეჭდილება მოახდინა სამეცნიერო სამყაროზე, რადგან მათი წყალობით პირველად გაიზომა სინათლის წნევა და დადასტურდა მაქსველის თეორიის მართებულობა. როგორ გააკეთა მან ეს? თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ პასუხი ამ და ბევრ სხვა საინტერესო კითხვაზე, რომელიც დაკავშირებულია სინათლის კვანტურ თეორიასთან ფიზიკის ამ მომხიბლავი გაკვეთილიდან.
თემა: მსუბუქი წნევა
გაკვეთილი: მსუბუქი წნევა. ლებედევის ექსპერიმენტები
ჰიპოთეზა მსუბუქი წნევის არსებობის შესახებ პირველად წამოაყენა იოჰანეს კეპლერმა მე-17 საუკუნეში, რათა აეხსნა კომეტის კუდების ფენომენი, როდესაც ისინი მზესთან დაფრინავენ.
მაქსველმა, სინათლის ელექტრომაგნიტური თეორიის საფუძველზე, იწინასწარმეტყველა, რომ სინათლემ უნდა მოახდინოს ზეწოლა დაბრკოლებაზე.
ტალღის ელექტრული ველის გავლენით სხეულებში ელექტრონები რხევა - წარმოიქმნება ელექტრული დენი. ეს დენი მიმართულია ელექტრული ველის სიძლიერის გასწვრივ. მოწესრიგებულ მოძრავ ელექტრონებზე მოქმედებს მაგნიტური ველის ლორენცის ძალა, რომელიც მიმართულია ტალღის გავრცელების მიმართულებით - ეს არის მსუბუქი წნევის ძალა(ნახ. 1).
ბრინჯი. 1. მაქსველის ექსპერიმენტი
მაქსველის თეორიის დასამტკიცებლად საჭირო იყო სინათლის წნევის გაზომვა. სინათლის წნევა პირველად გაზომა რუსმა ფიზიკოსმა პიოტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევმა 1900 წელს (სურ. 2).
ბრინჯი. 2. პეტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევი
ბრინჯი. 3. ლებედევის მოწყობილობა
ლებედევის მოწყობილობა (სურ. 3) შედგება შუშის თხელ ძაფზე მსუბუქი ღეროსგან, რომლის კიდეების გასწვრივ მსუბუქი ფრთებია მიმაგრებული. მთელი მოწყობილობა შუშის ჭურჭელში იყო მოთავსებული, საიდანაც ჰაერი ამოტუმბავდა. შუქი ეცემა ღეროს ერთ მხარეს მდებარე ფრთებს. წნევის მნიშვნელობა შეიძლება შეფასდეს ძაფის გადახვევის კუთხით. სინათლის წნევის ზუსტად გაზომვის სირთულე განპირობებული იყო იმით, რომ შეუძლებელი იყო ჭურჭლიდან მთელი ჰაერის ამოტუმბვა. ექსპერიმენტის დროს დაიწყო ჰაერის მოლეკულების მოძრაობა, რაც გამოწვეული იყო ჭურჭლის ფრთებისა და კედლების არათანაბარი გათბობით. ფრთების ბოლომდე ვერტიკალურად ჩამოკიდება შეუძლებელია. გაცხელებული ჰაერის ნაკადები მაღლა იწევს და მოქმედებს ფრთებზე, რაც იწვევს დამატებით ბრუნვას. ასევე, ძაფის გადახვევაზე გავლენას ახდენს ფრთების გვერდების არაერთგვაროვანი გათბობა. სინათლის წყაროსკენ მიმართული მხარე უფრო მეტად თბება, ვიდრე მოპირდაპირე მხარე. ცხელი მხრიდან არეკლილი მოლეკულები მეტ იმპულსს ანიჭებენ ფრთას.
ბრინჯი. 4. ლებედევის მოწყობილობა
ბრინჯი. 5. ლებედევის მოწყობილობა
ლებედევმა მოახერხა ყველა სირთულის გადალახვა, მიუხედავად იმდროინდელი ექსპერიმენტული ტექნოლოგიის დაბალი დონისა. მან აიღო ძალიან დიდი ჭურჭელი და ძალიან თხელი ფრთები. ფრთა შედგებოდა ორი წყვილი თხელი პლატინის წრეებისგან. თითოეული წყვილის ერთ-ერთი წრე ორივე მხრიდან ბრწყინავდა. სხვა მხარეები პლატინის ნიელოთი იყო დაფარული. უფრო მეტიც, ორივე წყვილი წრე განსხვავდებოდა სისქეში.
კონვექციური დენების გამორიცხვის მიზნით, ლებედევმა ფრთებზე სინათლის სხივები მიმართა ერთი ან მეორე მხრიდან. ამრიგად, ფრთებზე მოქმედი ძალები იყო დაბალანსებული (სურ. 4-5).
ბრინჯი. 6. ლებედევის მოწყობილობა
ბრინჯი. 7. ლებედევის მოწყობილობა
ამრიგად, დადასტურდა და გაზომეს სინათლის წნევა მყარ სხეულებზე (სურ. 6-7). ამ წნევის მნიშვნელობა დაემთხვა მაქსველის წინასწარმეტყველურ წნევას.
სამი წლის შემდეგ ლებედევმა მოახერხა კიდევ ერთი ექსპერიმენტის ჩატარება - აირებზე სინათლის წნევის გაზომვა (სურ. 8).
ბრინჯი. 8. აირებზე სინათლის წნევის საზომი დანადგარი
ლორდი კელვინი: „შეიძლება იცოდეთ, რომ მთელი ცხოვრება ვიბრძოდი მაქსველთან, არ ვიცნობდი მის მსუბუქ წნევას და ახლა თქვენმა ლებედევმა მაიძულა დამემორჩილებინა მისი ექსპერიმენტები“.
სინათლის კვანტური თეორიის გაჩენამ შესაძლებელი გახადა უფრო მარტივად აეხსნა სინათლის წნევის მიზეზი.
ფოტონებს აქვთ იმპულსი. როდესაც ორგანიზმი შეიწოვება, მათ იმპულსს გადასცემენ მას. ასეთი ურთიერთქმედება შეიძლება ჩაითვალოს სრულიად არაელასტიურ ზემოქმედებად.
თითოეული ფოტონის ზედაპირზე მოქმედი ძალა არის:
მსუბუქი წნევა ზედაპირზე:
ფოტონის ურთიერთქმედება სარკის ზედაპირთან
ამ ურთიერთქმედების შემთხვევაში მიიღება აბსოლუტურად ელასტიური ურთიერთქმედება. როდესაც ფოტონი ეცემა ზედაპირზე, ის აირეკლება მისგან იმავე სიჩქარით და იმპულსით, რომლითაც იგი დაეცა ამ ზედაპირზე. იმპულსის ცვლილება ორჯერ დიდი იქნება, ვიდრე ფოტონის შავ ზედაპირზე დაცემისას, სინათლის წნევა გაორმაგდება.
ბუნებაში არ არსებობს ნივთიერებები, რომელთა ზედაპირი მთლიანად შთანთქავს ან აირეკლავს ფოტონებს. ამიტომ რეალურ სხეულებზე სინათლის წნევის გამოსათვლელად აუცილებელია გავითვალისწინოთ, რომ ზოგიერთი ფოტონი შეიწოვება ამ სხეულში, ნაწილი კი აირეკლება.
ლებედევის ექსპერიმენტები შეიძლება ჩაითვალოს ექსპერიმენტულ მტკიცებულებად იმისა, რომ ფოტონებს აქვთ იმპულსი. მიუხედავად იმისა, რომ მსუბუქი წნევა ნორმალურ პირობებში ძალიან დაბალია, მისი ეფექტი შეიძლება იყოს მნიშვნელოვანი. მზის ზეწოლაზე დაყრდნობით კოსმოსური ხომალდებისთვის შემუშავდა იალქანი, რომელიც საშუალებას მისცემს სივრცეში მოძრაობას სინათლის წნევით (სურ. 11).
ბრინჯი. 11. კოსმოსური იალქნები
სინათლის წნევა, მაქსველის თეორიის მიხედვით, წარმოიქმნება ელექტრომაგნიტური ტალღის ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ რხევითი მოძრაობების შემსრულებელ ელექტრონებზე ლორენცის ძალის მოქმედების შედეგად.
კვანტური თეორიის თვალსაზრისით, სინათლის წნევა წარმოიქმნება ფოტონების იმ ზედაპირთან ურთიერთქმედების შედეგად, რომელზეც ისინი ეცემა.
მაქსველის მიერ ჩატარებული გამოთვლები დაემთხვა ლებედევის მიერ წარმოებულ შედეგებს. ეს აშკარად ადასტურებს სინათლის კვანტურ-ტალღურ დუალიზმს.
კრუკსის ექსპერიმენტები
ლებედევმა პირველმა აღმოაჩინა მსუბუქი წნევა ექსპერიმენტულად და შეძლო მისი გაზომვა. ექსპერიმენტი წარმოუდგენლად რთული იყო, მაგრამ არსებობს მეცნიერული სათამაშო - კრუკსის ექსპერიმენტი (სურ. 12).
ბრინჯი. 12. კრუქსის ექსპერიმენტი
პატარა პროპელერი, რომელიც შედგება ოთხი ფურცლისგან, მდებარეობს ნემსზე, რომელიც დაფარულია მინის თავსახურით. თუ ამ პროპელერს შუქით ანათებთ, ის იწყებს ბრუნვას. თუ ამ პროპელერს ღია ცის ქვეშ უყურებთ, როცა მასზე ქარი უბერავს, მისი ბრუნვა არავის გააკვირვებს, მაგრამ ამ შემთხვევაში შუშის საფარი არ აძლევს ჰაერის ნაკადებს პროპელერზე მოქმედების საშუალებას. ამიტომ მისი მოძრაობის მიზეზი სინათლეა.
ინგლისელმა ფიზიკოსმა უილიამ კრუკსმა შემთხვევით შექმნა პირველი მსუბუქი სპინერი.
1873 წელს კრუკსმა გადაწყვიტა დაედგინა ელემენტის ტალიუმის ატომური წონა და აწონა ის ძალიან ზუსტი ბალანსით. შემთხვევითი ჰაერის ნაკადების ასაწონი სურათის დამახინჯების თავიდან ასაცილებლად, კრუკსმა გადაწყვიტა როკერის მკლავები ვაკუუმში შეეჩერებინა. მან ეს გააკეთა და გაოცებული დარჩა, რადგან მისი ყველაზე თხელი სასწორები სითბოსადმი მგრძნობიარე იყო. თუ სითბოს წყარო იყო ობიექტის ქვეშ, ის ამცირებდა მის წონას, თუ ზემოთ იყო, ის ზრდიდა მას.
ამ შემთხვევითი გამოცდილების გაუმჯობესების შემდეგ, კრუკსმა გამოუშვა სათამაშო - რადიომეტრი (მსუბუქი წისქვილი). Crookes-ის რადიომეტრი არის ოთხპირიანი იმპულარი, რომელიც დაბალანსებულია ნემსზე მინის ნათურის შიგნით მცირე ვაკუუმის ქვეშ. როდესაც სინათლის სხივი ხვდება დანას, იმპულარი იწყებს ბრუნვას, რაც ზოგჯერ არასწორად აიხსნება მსუბუქი წნევით. სინამდვილეში, ბრუნვის მიზეზი არის რადიომეტრიული ეფექტი. ამაღელვებელი ძალის გაჩენა გაზის მოლეკულების კინეტიკური ენერგიების განსხვავების გამო, რომელიც ურტყამს დანის განათებულ (გახურებულ) მხარეს და მოპირდაპირე გაუნათებელ (უფრო ცივ) მხარეს.
- სინათლის წნევა და გარემოებების წნევა ().
- პიოტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევი ().
- Crookes რადიომეტრი ().
გამოდის, რომ წნევა შეიძლება შეიქმნას არა მხოლოდ მყარი, სითხეები და აირები. სხეულის ზედაპირზე დაცემით, მსუბუქი ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ასევე ახდენს მასზე ზეწოლას.
მსუბუქი წნევის თეორია
იოჰანეს კეპლერი
პირველად გაკეთდა ვარაუდი, რომ მსუბუქი წნევა არსებობს გერმანელი მეცნიერი იოჰანეს კეპლერიმე-17 საუკუნეში. მზის მახლობლად მფრინავი კომეტების ქცევის შესწავლისას მან შენიშნა, რომ კომეტის კუდი ყოველთვის მზის საწინააღმდეგო მიმართულებით გადაიხრება. კეპლერმა წამოაყენა თეორია, რომ რატომღაც ეს გადახრა გამოწვეული იყო მზის სხივების ზემოქმედებით.
მსუბუქი წნევის თეორიული არსებობა მე-19 საუკუნეში იწინასწარმეტყველეს ბრიტანელი ფიზიკოსი ჯეიმს კლერკ მაქსველი, რომელმაც შექმნა ელექტრომაგნიტური თეორია და ამტკიცებდა, რომ სინათლე ასევე ელექტრომაგნიტური ვიბრაციაა და მან უნდა მოახდინოს ზეწოლა დაბრკოლებებზე.
ჯეიმს კლერკ მაქსველი
სინათლე არის ელექტრომაგნიტური ტალღა. ის ქმნის ელექტრულ ველს, რომლის გავლენითაც მოძრაობს ელექტრონები მის გზაზე შემხვედრ სხეულში. სხეულში ჩნდება ელექტრული დენი, რომელიც მიმართულია ელექტრული ველის სიძლიერის გასწვრივ. მაგნიტური ველი მოქმედებს ელექტრონებზე ლორენცის ძალა. მისი მიმართულება ემთხვევა სინათლის ტალღის გავრცელების მიმართულებას. ეს ძალა არის მსუბუქი წნევის ძალა .
მაქსველის გამოთვლების მიხედვით, მზის სინათლე წარმოქმნის გარკვეული მნიშვნელობის წნევას დედამიწაზე მდებარე შავ ფირფიტაზე (p = 4 · 10 -6 N/m 2). და თუ შავი ფირფიტის ნაცვლად ამრეკლავს აიღებთ, მაშინ სინათლის წნევა 2-ჯერ მეტი იქნება.
მაგრამ ეს მხოლოდ თეორიული ვარაუდი იყო. ამის დასამტკიცებლად საჭირო იყო თეორიის პრაქტიკული ექსპერიმენტით დადასტურება, ანუ მსუბუქი წნევის სიდიდის გაზომვა. მაგრამ რადგან მისი ღირებულება ძალიან მცირეა, ამის გაკეთება პრაქტიკაში ძალიან რთულია.
პიოტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევი
პრაქტიკაში ეს გაკეთდა რუსი ექსპერიმენტატორი ფიზიკოსი პიოტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევი. ექსპერიმენტმა, რომელიც მან 1899 წელს ჩაატარა, დაადასტურა მაქსველის ვარაუდი, რომ მსუბუქი წნევა არსებობს მყარ სხეულებზე.
ლებედევის გამოცდილება
ლებედევის ექსპერიმენტის სქემატური წარმოდგენა
ექსპერიმენტის ჩასატარებლად ლებედევმა შექმნა სპეციალური მოწყობილობა, რომელიც მინის ჭურჭელს წარმოადგენდა. ჭურჭლის შიგნით მოთავსებული იყო მსუბუქი ჯოხი შუშის თხელ ძაფზე. წვრილი, მსუბუქი ფრთები, რომლებიც დამზადებული იყო სხვადასხვა ლითონისა და მიკისგან, ამ ღეროს კიდეებზე იყო მიმაგრებული. გემიდან ჰაერი ამოტუმბული იყო. სინათლის წყაროსა და სარკეებისგან შემდგარი სპეციალური ოპტიკური სისტემების გამოყენებით, სინათლის სხივი მიმართული იყო ღეროს ერთ მხარეს მდებარე ფრთებზე. მსუბუქი წნევის გავლენით ღერო ბრუნავდა და ძაფი გარკვეული კუთხით იგრიხებოდა. სინათლის წნევის სიდიდე განისაზღვრა ამ კუთხის სიდიდით.
ლებედევის მოწყობილობა
მაგრამ ამ ექსპერიმენტმა ზუსტი შედეგი არ მისცა. მის განხორციელებას თავისი სირთულეები ჰქონდა. ვინაიდან იმ დღეებში ვაკუუმური ტუმბოები არ არსებობდა, ისინი იყენებდნენ ჩვეულებრივ მექანიკურს. და მათი დახმარებით შეუძლებელი იყო გემში აბსოლუტური ვაკუუმის შექმნა. ამოტუმბვის შემდეგაც კი მასში ჰაერი დარჩა. ჭურჭლის ფრთები და კედლები განსხვავებულად თბებოდა. სინათლის სხივისკენ მიმართული მხარე უფრო სწრაფად თბება. და ამან გამოიწვია ჰაერის მოლეკულების მოძრაობა. თბილი ჰაერის ნაკადები მაღლა ასწია. ვინაიდან შეუძლებელია ფრთების აბსოლუტურად ვერტიკალურად დაყენება, ეს ნაკადები ქმნიდა დამატებით ბრუნვას. გარდა ამისა, თავად ფრთები არ თბებოდა თანაბრად. სინათლის წყაროსკენ მიმართული მხარე უფრო ცხელი გახდა. შედეგად, იყო დამატებითი ეფექტი ძაფის ბრუნვის კუთხეზე.
იმისათვის, რომ ექსპერიმენტი უფრო ზუსტი ყოფილიყო, ლებედევმა აიღო ძალიან დიდი გემი. მან ფრთა პლატინის ორი წყვილი ძალიან თხელი წრეებისგან გააკეთა. უფრო მეტიც, ერთი წყვილის წრეების სისქე განსხვავდებოდა მეორე წყვილის წრეების სისქისგან. ღეროს ერთ მხარეს წრეები ორივე მხრიდან მბზინავი იყო, მეორე მხარეს პლატინის ნიელოთი იყო დაფარული. სინათლის სხივები მათკენ იყო მიმართული ერთი ან მეორე მხრიდან, რათა დააბალანსონ ფრთებზე მოქმედი ძალები. შედეგად, გაზომეს მსუბუქი წნევა ფრთებზე. ექსპერიმენტულმა შედეგებმა დაადასტურა მაქსველის თეორიული ვარაუდები მსუბუქი წნევის არსებობის შესახებ. და მისი სიდიდე თითქმის იგივე იყო, რაც მაქსველმა იწინასწარმეტყველა.
1907 - 1910 წლებში უფრო ზუსტი ექსპერიმენტების გამოყენებით ლებედევმა გაზომა სინათლის წნევა გაზებზე.
სინათლეს, ისევე როგორც ნებისმიერ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას, აქვს ენერგია ე .
მისი იმპულსი p = E ვ / გ 2 ,
სად ვ - ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სიჩქარე,
გ - სინათლის სიჩქარე.
იმიტომ რომ ვ = თან , ეს p = E/s .
კვანტური თეორიის მოსვლასთან ერთად სინათლე დაიწყო ფოტონების ნაკადად - ელემენტარული ნაწილაკების, სინათლის კვანტად განხილვა. სხეულზე დაცემისას ფოტონები გადასცემენ მათ იმპულსს, ანუ ახდენენ წნევას.
მზის იალქანი
ფრიდრიხ არტუროვიჩ ზანდერი
მიუხედავად იმისა, რომ მსუბუქი წნევის ოდენობა ძალიან მცირეა, მიუხედავად ამისა, ის შეიძლება სასარგებლო იყოს ადამიანისთვის.
ჯერ კიდევ 1920 წელს საბჭოთა მეცნიერი და გამომგონებელი ფრიდრიხ არტუროვიჩ ზანდერიპირველი თხევადი საწვავის რაკეტის ერთ-ერთმა შემქმნელმა წამოაყენა კოსმოსში ფრენის იდეა. მზის იალქანი . ის ძალიან მარტივი იყო. მზის შუქი შედგება ფოტონებისაგან. და ისინი ქმნიან წნევას, გადასცემენ თავიანთ იმპულსს ნებისმიერ განათებულ ზედაპირზე. ამიტომ, მზის ან ლაზერის მიერ წარმოქმნილი წნევა სარკის ზედაპირზე შეიძლება გამოყენებულ იქნას კოსმოსური ხომალდის ასაწევად. ასეთი იალქანი არ საჭიროებს სარაკეტო საწვავს და მისი ხანგრძლივობა შეუზღუდავია. და ეს შესაძლებელს გახდის უფრო მეტი ტვირთის გადატანას რეაქტიული ძრავის მქონე ჩვეულებრივ კოსმოსურ ხომალდთან შედარებით.
მზის იალქანი
მაგრამ ჯერჯერობით ეს მხოლოდ პროექტებია ვარსკვლავური ხომალდების შესაქმნელად, მზის იალქნით, როგორც მთავარი ძრავით.