Presion i lehtë në një sipërfaqe plotësisht thithëse. A. Presion i lehtë. Formulat për përcaktimin e presionit të rrezatimit elektromagnetik kur ai bie në një kënd
Një nga konfirmimet eksperimentale të pranisë së momentit në fotone është ekzistenca e presionit të dritës (eksperimentet e Lebedev).
Shpjegimi i valës (sipas Maxwell): bashkëveprimi i rrymave të induktuara me fushën magnetike të valës.
Nga pikëpamja kuantike, presioni i dritës në një sipërfaqe është për shkak të faktit se me përplasjen me këtë sipërfaqe, çdo foton transferon momentin e tij në të. Meqenëse një foton mund të lëvizë vetëm me shpejtësinë e dritës në një vakum, reflektimi i dritës nga sipërfaqja e një trupi duhet të konsiderohet si një proces i "ri-emetimit" të fotoneve - një foton incident absorbohet nga sipërfaqja dhe më pas riemetuar prej tij me drejtim të kundërt të momentit.
Le të shqyrtojmë presionin e lehtë të ushtruar në sipërfaqen e një trupi nga një fluks i rrezatimit monokromatik që bie pingul me sipërfaqen.
Le të bjerë për njësi të kohës për njësi sipërfaqe të trupit P fotone. Nëse koeficienti i reflektimit të dritës nga sipërfaqja e trupit është i barabartë me R, Se Rn fotonet reflektohen dhe (1 –R) p- absorbohet. Çdo foton i reflektuar transferon në mur një impuls të barabartë me 2р f =2hv/c (me reflektim, momenti i fotonit ndryshon në – r f). Çdo foton i zhytur transferon momentin e tij në mur r f =hv/c .Shtypja e dritës në sipërfaqe është e barabartë me impulsin që transmetojnë të gjitha sipërfaqet në 1 s P fotonet:
, (11-12)
Ku I = nhv - energjia e të gjithë fotoneve që bien në një njësi sipërfaqe për njësi të kohës, d.m.th. intensiteti i dritës, dhe w=I/c – dendësia e energjisë vëllimore e rrezatimit rënës. Kjo formulë u testua eksperimentalisht dhe u konfirmua në eksperimentet e Lebedev.
4. Gaz foton. Bozonet. Shpërndarja Bose-Einstein.
Le ta konsiderojmë dritën si një koleksion fotonesh që janë brenda një zgavër të mbyllur me mure pasqyre. Presioni i dritës në një sipërfaqe reflektuese në mënyrë spekulare duhet të jetë i njëjtë me atë që do të ishte nëse fotonet do të reflektoheshin në mënyrë spekulare nga sipërfaqja si topa absolutisht elastikë.
Le të gjejmë presionin e ushtruar në muret ideale reflektuese| zgavër e mbyllur.
Për thjeshtësi, supozojmë se zgavra është në formë kubi. Për shkak të izotropisë së rrezatimit, mund të supozojmë se të gjitha drejtimet e lëvizjes së fotonit janë njësoj të mundshme. Nuk ka ndërveprim midis fotoneve (frekuenca e tyre nuk ndryshon gjatë përplasjeve). Prandaj, fotonet lëvizin si molekula të një gazi monatomik ideal.
Ne gjejmë presionin e një gazi ideal në muret e zgavrës nga ekuacioni bazë i teorisë kinetike të gazeve:
Por për fotonet m=hv i /c 2 , υ i=с dhe prandaj mυ i 2 = hv i. Kështu,
Ku Wështë energjia totale e të gjithë fotoneve në zgavër dhe presioni në muret e saj
Këtu w- dendësia e energjisë vëllimore të rrezatimit. Nëse fotonet brenda zgavrës sonë kanë frekuenca nga 0 në ∞, atëherë w mund të përcaktohet me formulën:
(11-14)
Këtu ρ(ν) - dendësia e energjisë së rrezatimit vëllimor në diapazonin e frekuencës nga ν në ν+dν.
Funksioni ρ(ν) gjendet duke përdorur një shpërndarje të veçantë kuantike të fotoneve me energji (frekuencë), - shpërndarja Bose-Einstein (B-E).
1. Ndryshe nga shpërndarja Maxwell, e cila karakterizon shpërndarjen e grimcave në hapësirën e shpejtësisë (momentit), shpërndarja kuantike përshkruan energjitë e grimcave në hapësirën fazore të formuar nga momentet dhe koordinatat e grimcave.
2. Vëllimi elementar i hapësirës së fazës është i barabartë me (le të shumëzojmë të gjitha rritjet e koordinatave):
3. Vëllimi për shtet është i barabartë me h 3 .
4. Numri i shteteve dg i rrezatimi i vendosur në vëllimin e fazës elementare në statistikat kuantike fitohet duke pjesëtuar vëllimin (11-15) me h 3:
5. Shpërndarja B-E sistemet e grimcave me spin numër të plotë binden. Ata morën emrin bozonet. Këto grimca gjithashtu përfshijnë fotone. Rrotullimi i tyre merr vlera të plota. Momenti këndor i fotonit merr vlerën mh/2π, Ku m = 1. 2,3… Funksioni i shpërndarjes Bose-Einstein për fotonet ka formën:
, (11-16)
Ku. ΔN – numri i fotoneve në vëllim dV, n i - numri mesatar i grimcave në një gjendje energjetike me energji W i që quhet k - konstante Boltzmann, T- temperaturë absolute. Koeficienti 2 shfaqet për shkak të pranisë së dy drejtimeve të mundshme të polarizimit të dritës (rrotullimi majtas dhe djathtas i planit të polarizimit).
Numri i përgjithshëm i gjendjeve në vëllim V(pas integrimit mbi vëllimin dhe përdorimit të marrëdhënieve ndërmjet momentit të fotonit R dhe energjinë e tij W,νр =hv/c, W= hv ):
ku ν është frekuenca, Me - shpejtësia e dritës në vakum.
Numri i fotoneve me energji nga W përpara W+dW në vëllim V:
Dendësinë e energjisë vëllimore të rrezatimit e gjejmë në diapazonin e frekuencës nga ν në ν +dν duke shumëzuar (11-16) me energjinë e një fotoni hν :
. (11-18)
Ne gjejmë presionin e rrezatimit duke përdorur formulat (11-13), (11-14) dhe (11-18):
Ekuacioni i gjendjes për rrezatimin:
Energjia e rrezatimit nga vëllimi V (ligji Stefan-Boltzmann):
Marrëdhënia midis shkëlqimit energjetik dhe densitetit të energjisë së rrezatimit vëllimor (pason nga një krahasim i formulës së Planck me formulën (11-18):
R E (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).
Sot do t'i kushtojmë një bisedë një fenomeni të tillë si presioni i lehtë. Le të shqyrtojmë premisat e zbulimit dhe pasojat për shkencën.
Drita dhe ngjyra
Misteri i aftësive njerëzore i ka shqetësuar njerëzit që nga kohërat e lashta. Si sheh syri? Pse ekzistojnë ngjyrat? Cila është arsyeja që bota është ashtu siç e perceptojmë ne? Sa larg mund të shohë një person? Eksperimentet me zbërthimin e një rreze diellore në një spektër u kryen nga Njutoni në shekullin e 17-të. Ai gjithashtu hodhi një bazë të rreptë matematikore për një numër faktesh të ndryshme që njiheshin për dritën në atë kohë. Dhe teoria e Njutonit parashikoi shumë: për shembull, zbulime që vetëm fizika kuantike mund t'i shpjegonte (devijimi i dritës në një fushë gravitacionale). Por fizika e asaj kohe nuk e dinte ose nuk e kuptonte natyrën e saktë të dritës.
Valë ose grimcë
Që kur shkencëtarët në mbarë botën filluan të kuptojnë thelbin e dritës, ka pasur një debat: çfarë është rrezatimi, një valë apo një grimcë (korpuskulë)? Disa fakte (përthyerja, reflektimi dhe polarizimi) konfirmuan teorinë e parë. Të tjerët (përhapja lineare në mungesë të pengesave, presioni i lehtë) - e dyta. Megjithatë, vetëm fizika kuantike ishte në gjendje ta qetësonte këtë mosmarrëveshje duke i kombinuar të dy versionet në një të përbashkët. thotë se çdo mikrogrimcë, duke përfshirë një foton, ka edhe vetitë e një valë dhe një grimce. Kjo do të thotë, një kuant drite ka karakteristika të tilla si frekuenca, amplituda dhe gjatësia e valës, si dhe momenti dhe masa. Le të bëjmë një rezervë menjëherë: fotonet nuk kanë masë pushimi. Duke qenë një kuant i fushës elektromagnetike, ato bartin energji dhe masë vetëm në procesin e lëvizjes. Ky është thelbi i konceptit të "dritës". Fizika e ka shpjeguar atë në disa detaje këto ditë.
Gjatësia e valës dhe energjia
Koncepti i "energjisë së valës" u përmend më lart. Ajnshtajni vërtetoi bindshëm se energjia dhe masa janë koncepte identike. Nëse një foton mbart energji, ai duhet të ketë masë. Sidoqoftë, një kuantë drite është një grimcë "dinake": kur një foton ndeshet me një pengesë, ai i jep plotësisht energjinë e tij substancës, bëhet ajo dhe humbet thelbin e tij individual. Për më tepër, rrethana të caktuara (ngrohje e fortë, për shembull) mund të bëjnë që brendësia e mëparshme e errët dhe e qetë e metaleve dhe gazeve të lëshojë dritë. Momenti i një fotoni, një pasojë e drejtpërdrejtë e pranisë së masës, mund të përcaktohet duke përdorur presionin e dritës. Studiuesit nga Rusia e kanë vërtetuar bindshëm këtë fakt mahnitës.
Përvoja e Lebedev
Shkencëtari rus Pyotr Nikolaevich Lebedev kreu eksperimentin e mëposhtëm në 1899. Ai e vari traversën në një fije të hollë argjendi. Shkencëtari bashkoi dy pllaka të së njëjtës substancë në skajet e shiritit. Këto përfshinin fletë argjendi, ar dhe madje mikë. Kështu u krijuan një lloj peshoreje. Vetëm ata matën peshën jo të një ngarkese që shtyp nga lart, por të një ngarkese që shtyp nga ana në secilën prej pllakave. Lebedev e vendosi të gjithë këtë strukturë nën një mbulesë xhami në mënyrë që era dhe luhatjet e rastësishme në densitetin e ajrit të mos mund të ndikonin në të. Më tej, do të doja të shkruaja se ai krijoi një vakum nën kapak. Por në atë kohë ishte e pamundur të arrihej qoftë edhe një vakum mesatar. Pra, do të themi se ai krijoi nën një mbulesë xhami me forcë dhe në mënyrë të alternuar ndriçoi njërën pjatë, duke e lënë tjetrën në hije. Sasia e dritës së drejtuar në sipërfaqe ishte e paracaktuar. Bazuar në këndin e devijimit, Lebedev përcaktoi se cili impuls transmetonte dritë në pllaka.
Formulat për përcaktimin e presionit të rrezatimit elektromagnetik në incidencë normale të rrezes
Le të shpjegojmë fillimisht se çfarë është një "rënie normale"? Drita bie në një sipërfaqe normalisht nëse drejtohet rreptësisht pingul me sipërfaqen. Kjo vendos kufizime në problem: sipërfaqja duhet të jetë krejtësisht e lëmuar dhe rrezja e rrezatimit duhet të drejtohet me shumë saktësi. Në këtë rast, presioni llogaritet:
k është koeficienti i transmetimit, ρ është koeficienti i reflektimit, I është intensiteti i rrezes së dritës rënëse, c është shpejtësia e dritës në vakum.
Por, me siguri, lexuesi tashmë ka marrë me mend se një kombinim i tillë ideal i faktorëve nuk ekziston. Edhe nëse nuk marrim parasysh idealitetin e sipërfaqes, është mjaft e vështirë të organizohet incidenca e dritës rreptësisht pingul.
Formulat për përcaktimin e presionit të rrezatimit elektromagnetik kur ai bie në një kënd
Presioni i dritës në një sipërfaqe pasqyre në një kënd llogaritet duke përdorur një formulë tjetër, e cila tashmë përmban elemente vektoriale:
p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Madhësitë p, i, i’ janë vektorë. Në këtë rast, k dhe ρ, si në formulën e mëparshme, janë përkatësisht koeficientët e transmetimit dhe reflektimit. Vlerat e reja nënkuptojnë sa vijon:
- ω - dendësia e energjisë së rrezatimit vëllimor;
- i dhe i' janë vektorë njësi që tregojnë drejtimin e përplasjes dhe rrezen e reflektuar të dritës (ato përcaktojnë drejtimet përgjatë të cilave duhet të shtohen forcat vepruese);
- ϴ është këndi ndaj normales në të cilën rrezja e dritës bie (dhe, në përputhje me rrethanat, reflektohet, pasi sipërfaqja është e pasqyruar).
Le t'i kujtojmë lexuesit se normalja është pingul me sipërfaqen, kështu që nëse problemi jep këndin e rënies së dritës në sipërfaqe, atëherë ϴ është 90 gradë minus vlerën e dhënë.
Zbatimi i fenomenit të presionit të rrezatimit elektromagnetik
Për një student që studion fizikën, shumë formula, koncepte dhe fenomene i duken të mërzitshme. Sepse, si rregull, mësuesi flet për aspekte teorike, por rrallë mund të japë shembuj për përfitimet e fenomeneve të caktuara. Le të mos fajësojmë mësuesit e shkollës për këtë: ata janë shumë të kufizuar nga programi; gjatë mësimit ata duhet të mbulojnë material të gjerë dhe ende kanë kohë për të testuar njohuritë e nxënësve.
Sidoqoftë, objekti i studimit tonë ka shumë aplikime interesante:
- Tani pothuajse çdo nxënës i shkollës në laboratorin e institucionit të tij arsimor mund të përsërisë eksperimentin e Lebedev. Por atëherë koincidenca e të dhënave eksperimentale me llogaritjet teorike ishte një zbulim i vërtetë. Eksperimenti, i kryer për herë të parë me një gabim prej 20%, i lejoi shkencëtarët në mbarë botën të zhvillonin një degë të re të fizikës - optikën kuantike.
- Prodhimi i protoneve me energji të lartë (për shembull, për rrezatim të substancave të ndryshme) duke përshpejtuar filmat e hollë me një puls lazer.
- Marrja parasysh e presionit të rrezatimit elektromagnetik nga Dielli në sipërfaqen e objekteve pranë Tokës, duke përfshirë satelitët dhe stacionet hapësinore, bën të mundur korrigjimin e orbitës së tyre me saktësi më të madhe dhe parandalon që këto pajisje të bien në Tokë.
Aplikacionet e mësipërme ekzistojnë tani në botën reale. Por ka edhe mundësi potenciale që ende nuk janë realizuar, sepse teknologjia e njerëzimit nuk ka arritur ende nivelin e kërkuar. Midis tyre:
- Vela diellore. Me ndihmën e tij do të ishte e mundur të lëvizeshin ngarkesa mjaft të mëdha në hapësirën afër Tokës dhe madje edhe afër diellit. Drita jep një impuls të vogël, por duke pasur parasysh pozicionin e dëshiruar të sipërfaqes së velit, nxitimi do të ishte konstant. Në mungesë të fërkimit, mjafton të fitoni shpejtësi dhe të dërgoni ngarkesën në pikën e dëshiruar në sistemin diellor.
- Motori foton. Kjo teknologji mund të lejojë një person të kapërcejë gravitetin e yllit të tij të lindjes dhe të fluturojë në botë të tjera. Dallimi është se impulset diellore do të gjenerohen nga një pajisje e krijuar artificialisht, për shembull, një motor termonuklear.
Mesazh nga administratori:
Djema! Kush prej kohësh dëshiron të mësojë anglisht?
Shkoni te dhe merrni dy mësime falas në shkollën e gjuhës angleze SkyEng!
Unë studioj vetë atje - është shumë e lezetshme. Ka progres.
Në aplikacion mund të mësoni fjalë, të stërvitni dëgjimin dhe shqiptimin.
Provojeni. Dy mësime falas duke përdorur lidhjen time!
Klikoni
Një rrymë fotonesh (drite) që me goditje me një sipërfaqe ushtron presion.
Fluksi i fotoneve që bien në një sipërfaqe thithëse:
Fluksi i fotoneve që bien në një sipërfaqe pasqyre:
Fluksi i fotoneve që bien në sipërfaqe:
Kuptimi fizik i Presionit të Dritës:
Drita është një rrymë fotonesh, atëherë, sipas parimeve të mekanikës klasike, grimcat, kur godasin një trup, duhet të transferojnë momentin në të, me fjalë të tjera, të ushtrojnë presion.
Pajisje, matje presion i lehtë, ishte një dinamometër përdredhës shumë i ndjeshëm (shkallë rrotullimi). Kjo pajisje u krijua nga Lebedev. Pjesa e saj lëvizëse ishte një kornizë e lehtë e varur në një fije të hollë guroreje me krahë të ngjitur në të - disqe të lehta dhe të zeza deri në 0,01 mm të trasha. Krahët ishin bërë nga fletë metalike. Korniza ishte pezulluar brenda një ene nga e cila pompohej ajri. Drita që binte në krahë ushtronte presione të ndryshme në disqet e lehta dhe të zeza. Si rezultat, një çift rrotullues veproi në kornizë, i cili shtrembëroi fillin e pezullimit. Këndi i rrotullimit të fillit është përdorur për të përcaktuar presionin e dritës.
Në Formulën kemi përdorur:
Forca me të cilën shtyp një foton
Sipërfaqja në të cilën ndodh presioni i lehtë
Momenti i një fotoni
Ky video mësim i kushtohet temës “Presioni i lehtë. Eksperimentet e Lebedev. Eksperimentet e Lebedevit lanë një përshtypje të madhe në botën shkencore, pasi falë tyre u mat presioni i dritës për herë të parë dhe u vërtetua vlefshmëria e teorisë së Maxwell. Si e bëri atë? Ju mund të mësoni përgjigjen për këtë dhe shumë pyetje të tjera interesante në lidhje me teorinë kuantike të dritës nga ky mësim magjepsës i fizikës.
Tema: Presioni i lehtë
Mësimi: Presion i lehtë. Eksperimentet e Lebedev
Hipoteza për ekzistencën e presionit të dritës u parashtrua për herë të parë nga Johannes Kepler në shekullin e 17-të për të shpjeguar fenomenin e bishtave të kometave kur ato fluturojnë pranë Diellit.
Maxwell, bazuar në teorinë elektromagnetike të dritës, parashikoi se drita duhet të ushtrojë presion mbi një pengesë.
Nën ndikimin e fushës elektrike të valës, elektronet në trupa lëkunden - formohet një rrymë elektrike. Kjo rrymë drejtohet përgjatë fuqisë së fushës elektrike. Elektronet në lëvizje të rregullt ndikohen nga forca e Lorencit nga fusha magnetike, e drejtuar në drejtimin e përhapjes së valës - kjo është forca e presionit të lehtë(Fig. 1).
Oriz. 1. Eksperimenti i Maksuellit
Për të vërtetuar teorinë e Maxwell-it, ishte e nevojshme të matej presioni i dritës. Presioni i dritës u mat për herë të parë nga fizikani rus Pyotr Nikolaevich Lebedev në vitin 1900 (Fig. 2).
Oriz. 2. Petr Nikolaevich Lebedev
Oriz. 3. Pajisja Lebedev
Pajisja e Lebedevit (Fig. 3) përbëhet nga një shufër e lehtë mbi një fije xhami të hollë, përgjatë skajeve të së cilës janë ngjitur krahë të lehta. E gjithë pajisja u vendos në një enë qelqi, nga e cila pompohej ajri. Drita bie në krahët e vendosur në njërën anë të shufrës. Vlera e presionit mund të gjykohet nga këndi i rrotullimit të fillit. Vështirësia e matjes së saktë të presionit të dritës ishte për faktin se ishte e pamundur të pompohej i gjithë ajri nga anija. Gjatë eksperimentit filloi lëvizja e molekulave të ajrit, e shkaktuar nga ngrohja e pabarabartë e krahëve dhe mureve të enës. Krahët nuk mund të varen plotësisht vertikalisht. Rrjedhat e ajrit të nxehtë ngrihen lart dhe veprojnë në krahë, gjë që çon në çift rrotullues shtesë. Gjithashtu, përdredhja e fillit ndikohet nga ngrohja jo uniforme e anëve të krahëve. Ana përballë burimit të dritës nxehet më shumë se ana e kundërt. Molekulat e reflektuara nga ana më e nxehtë i japin më shumë vrull krahut.
Oriz. 4. Pajisja Lebedev
Oriz. 5. Pajisja Lebedev
Lebedev arriti të kapërcejë të gjitha vështirësitë, pavarësisht nivelit të ulët të teknologjisë eksperimentale në atë kohë. Ai mori një anije shumë të madhe dhe krahë shumë të hollë. Krahu përbëhej nga dy palë rrathë të hollë platini. Një nga rrathët e secilës palë ishte me shkëlqim në të dy anët. Anët e tjera kishin njërën anë të mbuluar me niello platini. Për më tepër, të dy palët e rrathëve ndryshonin në trashësi.
Për të përjashtuar rrymat e konvekcionit, Lebedev drejtoi rrezet e dritës mbi krahët nga njëra anë ose nga tjetra. Kështu, forcat që vepronin në krahë ishin të balancuara (Fig. 4-5).
Oriz. 6. Pajisja Lebedev
Oriz. 7. Pajisja Lebedev
Kështu, presioni i dritës mbi trupat e ngurtë u vërtetua dhe u mat (Fig. 6-7). Vlera e këtij presioni përkoi me presionin e parashikuar të Maxwell.
Tre vjet më vonë, Lebedev arriti të kryejë një eksperiment tjetër - të masë presionin e dritës mbi gazrat (Fig. 8).
Oriz. 8. Instalim për matjen e presionit të dritës në gaze
Lord Kelvin: "Ju mund ta dini se gjatë gjithë jetës sime kam luftuar me Maxwell, duke mos njohur presionin e tij të lehtë, dhe tani Lebedev juaj më detyroi të dorëzohem në eksperimentet e tij."
Shfaqja e teorisë kuantike të dritës bëri të mundur shpjegimin më të thjeshtë të shkakut të presionit të dritës.
Fotonet kanë vrull. Kur absorbohen nga trupi, ata transferojnë impulsin e tyre tek ai. Një ndërveprim i tillë mund të konsiderohet si një ndikim krejtësisht joelastik.
Forca e ushtruar në sipërfaqe nga çdo foton është:
Presion i lehtë në sipërfaqe:
Ndërveprimi i një fotoni me një sipërfaqe pasqyre
Në rastin e këtij ndërveprimi, fitohet një ndërveprim absolutisht elastik. Kur një foton bie në një sipërfaqe, ai reflektohet prej saj me të njëjtën shpejtësi dhe vrull me të cilin ra në këtë sipërfaqe. Ndryshimi i momentit do të jetë dy herë më i madh se kur një foton bie në një sipërfaqe të zezë, presioni i dritës do të dyfishohet.
Nuk ka substanca në natyrë, sipërfaqja e të cilave do të thithte ose reflektonte plotësisht fotonet. Prandaj, për të llogaritur presionin e dritës në trupat realë, është e nevojshme të merret parasysh se disa fotone do të absorbohen nga ky trup, dhe disa do të reflektohen.
Eksperimentet e Lebedev mund të konsiderohen si provë eksperimentale që fotonet kanë vrull. Megjithëse presioni i dritës është shumë i ulët në kushte normale, efekti i tij mund të jetë i rëndësishëm. Bazuar në presionin e Diellit, u zhvillua një vela për anijet kozmike, e cila do t'i lejojë ata të lëvizin në hapësirë nën presionin e dritës (Fig. 11).
Oriz. 11. Lundrimi i anijes kozmike
Presioni i dritës, sipas teorisë së Maxwell-it, lind si rezultat i veprimit të forcës së Lorencit mbi elektronet që kryejnë lëvizje lëkundëse nën ndikimin e fushës elektrike të një valë elektromagnetike.
Nga pikëpamja e teorisë kuantike, presioni i dritës lind si rezultat i bashkëveprimit të fotoneve me sipërfaqen në të cilën bien.
Llogaritjet e kryera nga Maxwell përkonin me rezultatet e prodhuara nga Lebedev. Kjo vërteton qartë dualizmin e valës kuantike të dritës.
Eksperimentet e Crookes
Lebedev ishte i pari që zbuloi presionin e lehtë në mënyrë eksperimentale dhe ishte në gjendje ta matë atë. Eksperimenti ishte tepër kompleks, por ekziston një lodër shkencore - eksperimenti Crookes (Fig. 12).
Oriz. 12. Eksperimenti i Crookes
Një helikë e vogël, e përbërë nga katër petale, është e vendosur në një gjilpërë, e cila është e mbuluar me një kapak xhami. Nëse e ndriçoni këtë helikë me dritë, ajo fillon të rrotullohet. Nëse e shikoni këtë helikë në ajër të hapur kur mbi të fryn era, rrotullimi i saj nuk do të habiste askënd, por në këtë rast mbulesa prej xhami nuk lejon që rrymat e ajrit të veprojnë në helikë. Prandaj, shkaku i lëvizjes së tij është drita.
Fizikani anglez William Crookes krijoi aksidentalisht të parin rrotullues i lehtë.
Në 1873, Crookes vendosi të përcaktojë peshën atomike të elementit Talium dhe ta peshojë atë në një ekuilibër shumë të saktë. Për të parandaluar që rrymat e rastësishme të ajrit të shtrembërojnë figurën e peshimit, Crookes vendosi të pezullojë krahët e lëkundës në një vakum. E bëri dhe mbeti i mahnitur, pasi luspat e tij më të holla ishin të ndjeshme ndaj nxehtësisë. Nëse burimi i nxehtësisë ishte nën objekt, ai zvogëlonte peshën e tij, nëse më lart, e rritte atë.
Duke përmirësuar këtë përvojë aksidentale, Crookes doli me një lodër - një radiometër (mulli të lehta). Radiometri Crookes është një shtytës me katër tehe i balancuar në një gjilpërë brenda një llambë xhami nën një vakum të lehtë. Kur një rreze drite godet tehun, shtytësi fillon të rrotullohet, gjë që ndonjëherë shpjegohet gabimisht nga presioni i lehtë. Në fakt, shkaku i rrotullimit është një efekt radiometrik. Shfaqja e një force refuzuese për shkak të ndryshimit në energjitë kinetike të molekulave të gazit që godasin anën e ndriçuar (të nxehtë) të tehut dhe anën e kundërt të pandriçuar (më të ftohtë).
- Presioni i dritës dhe presioni i rrethanave ().
- Pyotr Nikolaevich Lebedev ().
- Radiometer Crookes ().
Rezulton se presioni mund të krijohet jo vetëm nga trupat e ngurtë, lëngjet dhe gazrat. Duke rënë në sipërfaqen e trupit, rrezatimi elektromagnetik i dritës ushtron gjithashtu presion mbi të.
Teoria e presionit të lehtë
Johannes Kepler
Për herë të parë u bë supozimi se ekziston presioni i lehtë Shkencëtari gjerman Johannes Kepler në shekullin e 17-të. Ndërsa studionte sjelljen e kometave që fluturonin pranë Diellit, ai vuri re se bishti i kometës devijon gjithmonë në drejtim të kundërt me Diellin. Kepler teorizoi se disi ky devijim ishte shkaktuar nga ekspozimi ndaj dritës së diellit.
Ekzistenca teorike e presionit të dritës u parashikua në shekullin e 19-të Fizikani britanik James Clerk Maxwell, i cili krijoi teorinë elektromagnetike dhe argumentoi se drita është gjithashtu dridhje elektromagnetike dhe ajo duhet të ushtrojë presion mbi pengesat.
James Clerk Maxwell
Drita është një valë elektromagnetike. Krijon një fushë elektrike, nën ndikimin e së cilës elektronet në një trup që ndeshen në rrugën e tij lëkunden. Një rrymë elektrike shfaqet në trup, e drejtuar përgjatë fuqisë së fushës elektrike. Fusha magnetike vepron në elektrone Forca e Lorencit. Drejtimi i tij përkon me drejtimin e përhapjes së valës së dritës. Kjo fuqi është forca e presionit të lehtë .
Sipas llogaritjeve të Maxwell-it, rrezet e diellit prodhojnë një presion të një vlere të caktuar në një pllakë të zezë të vendosur në Tokë (p = 4 · 10 -6 N/m 2). Dhe nëse në vend të një pllake të zezë merrni një reflektues, atëherë presioni i dritës do të jetë 2 herë më i madh.
Por ky ishte vetëm një supozim teorik. Për ta vërtetuar atë, ishte e nevojshme të konfirmohej teoria me një eksperiment praktik, domethënë të matej vlera e presionit të dritës. Por meqenëse vlera e tij është shumë e vogël, është jashtëzakonisht e vështirë për ta bërë këtë në praktikë.
Pyotr Nikolaevich Lebedev
Në praktikë kjo u bë Fizikani eksperimental rus Pyotr Nikolaevich Lebedev. Një eksperiment që ai kreu në 1899 konfirmoi supozimin e Maxwell se presioni i dritës ekziston në trupat e ngurtë.
Përvoja e Lebedev
Paraqitja skematike e eksperimentit të Lebedev
Për të kryer eksperimentin e tij, Lebedev krijoi një pajisje të veçantë, e cila ishte një enë qelqi. Brenda enës vendosej një shufër e lehtë mbi një fije xhami të hollë. Në skajet e kësaj shufre ishin ngjitur krahë të hollë e të lehtë nga metale të ndryshme dhe mikë. Ajri u pompua nga anija. Duke përdorur sisteme të veçanta optike të përbëra nga një burim drite dhe pasqyra, rrezja e dritës u drejtua në krahët e vendosur në njërën anë të shufrës. Nën ndikimin e presionit të lehtë, shufra u rrotullua dhe filli u përdredh në një kënd të caktuar. Madhësia e presionit të dritës u përcaktua nga madhësia e këtij këndi.
Pajisja Lebedev
Por ky eksperiment nuk dha rezultate të sakta. Realizimi i tij kishte vështirësitë e veta. Meqenëse pompat e vakumit nuk ekzistonin në ato ditë, ato përdorën ato të zakonshme mekanike. Dhe me ndihmën e tyre ishte e pamundur të krijohej një vakum absolut në anije. Edhe pas pompimit, pak ajër mbeti në të. Krahët dhe muret e enës ngroheshin ndryshe. Ana përballë rrezes së dritës nxehet më shpejt. Dhe kjo shkaktoi lëvizjen e molekulave të ajrit. Rrjedhat e ajrit më të ngrohtë u ngritën lart. Meqenëse është e pamundur të instalohen krahët absolutisht vertikalisht, këto rrjedha krijuan çift rrotullues shtesë. Për më tepër, krahët nuk u ngrohën në mënyrë të barabartë. Ana përballë burimit të dritës u bë më e nxehtë. Si rezultat, pati një efekt shtesë në këndin e rrotullimit të fillit.
Për ta bërë eksperimentin më të saktë, Lebedev mori një anije shumë të madhe. Ai e bëri krahun nga dy palë rrathë shumë të hollë platini. Për më tepër, trashësia e rrathëve të njërës palë ndryshonte nga trashësia e rrathëve të palës tjetër. Në njërën anë të shufrës, rrathët ishin me shkëlqim nga të dy anët, nga ana tjetër, njëra anë ishte e mbuluar me niello platini. Rrezet e dritës u drejtoheshin atyre nga njëra anë ose tjetra për të balancuar forcat që vepronin në krahë. Si rezultat, u mat presioni i lehtë në krahë. Rezultatet eksperimentale konfirmuan supozimet teorike të Maxwell për ekzistencën e presionit të dritës. Dhe madhësia e saj ishte pothuajse e njëjtë me atë që parashikoi Maxwell.
Në 1907-1910 Duke përdorur eksperimente më të sakta, Lebedev mati presionin e dritës mbi gazrat.
Drita, si çdo rrezatim elektromagnetik, ka energji E .
Vrulli i saj p = E v / c 2 ,
Ku v - shpejtësia e rrezatimit elektromagnetik,
c - shpejtësia e dritës.
Sepse v = Me , Kjo p = E/s .
Me ardhjen e teorisë kuantike, drita filloi të konsiderohet si një rrymë fotonesh - grimca elementare, kuante drite. Kur godasin një trup, fotonet e transferojnë momentin e tyre në të, domethënë ushtrojnë presion.
Vela diellore
Friedrich Arturovich Zander
Megjithëse sasia e presionit të lehtë është shumë e vogël, megjithatë, ajo mund të jetë e dobishme për një person.
Në vitin 1920 Shkencëtari dhe shpikësi sovjetik Friedrich Arturovich Zander, një nga krijuesit e raketës së parë me karburant të lëngshëm, parashtroi idenë e fluturimit në hapësirë duke përdorur vela diellore . Ajo ishte shumë e thjeshtë. Drita e diellit përbëhet nga fotone. Dhe ata krijojnë presion, duke transferuar impulsin e tyre në çdo sipërfaqe të ndriçuar. Prandaj, presioni i krijuar nga rrezet e diellit ose një lazer në një sipërfaqe pasqyre mund të përdoret për të shtyrë një anije kozmike. Një vela e tillë nuk kërkon karburant raketash, dhe kohëzgjatja e saj është e pakufizuar. Dhe kjo do të bëjë të mundur transportin e më shumë ngarkesave në krahasim me një anije kozmike konvencionale me një motor reaktiv.
Vela diellore
Por deri më tani këto janë vetëm projekte për të krijuar anije yje me një vela diellore si motor kryesor.