Banayad na presyon sa isang ganap na sumisipsip na ibabaw. A. Banayad na presyon. Mga formula para sa pagtukoy ng presyon ng electromagnetic radiation kapag ito ay bumagsak sa isang anggulo
Ang isa sa mga pang-eksperimentong kumpirmasyon ng pagkakaroon ng momentum sa mga photon ay ang pagkakaroon ng magaan na presyon (mga eksperimento ni Lebedev).
Pagpapaliwanag ng alon (ayon kay Maxwell): pakikipag-ugnayan ng mga sapilitan na alon sa magnetic field ng alon.
Mula sa isang quantum point of view, ang presyon ng liwanag sa isang ibabaw ay dahil sa ang katunayan na sa pagbangga sa ibabaw na ito, ang bawat photon ay naglilipat ng momentum nito dito. Dahil ang isang photon ay maaari lamang gumalaw sa bilis ng liwanag sa isang vacuum, ang pagmuni-muni ng liwanag mula sa ibabaw ng isang katawan ay dapat isaalang-alang bilang isang proseso ng "muling paglabas" ng mga photon - isang insidente na photon ay hinihigop ng ibabaw at pagkatapos muling inilalabas nito na may kabaligtaran na direksyon ng momentum.
Isaalang-alang natin ang magaan na presyon na ibinibigay sa ibabaw ng isang katawan sa pamamagitan ng flux ng monochromatic radiation incident na patayo sa ibabaw.
Hayaan ang bawat yunit ng oras bawat yunit ng ibabaw na lugar ng katawan ay mahulog P mga photon. Kung ang coefficient ng light reflection mula sa ibabaw ng katawan ay katumbas ng R, yun Rn ang mga photon ay sinasalamin at (1 –R) p- hinihigop. Ang bawat sinasalamin na photon ay naglilipat sa dingding ng isang salpok na katumbas ng 2р f =2hv/c (sa pagmuni-muni, nagbabago ang momentum ng photon sa – r f). Ang bawat hinihigop na photon ay naglilipat ng momentum nito sa dingding r f =hv/c .Ang magaan na presyon sa ibabaw ay katumbas ng impulse na ipinapadala ng lahat ng mga ibabaw sa loob ng 1 s P mga photon:
, (11-12)
saan I=nhv – ang enerhiya ng lahat ng insidente ng photon sa isang unit surface kada yunit ng oras, ibig sabihin, ang intensity ng liwanag, at w=I/c – volumetric energy density ng radiation ng insidente. Ang formula na ito ay nasubok sa eksperimento at nakumpirma sa mga eksperimento ni Lebedev.
4. Photon gas. Mga boson. Pamamahagi ng Bose–Einstein.
Isaalang-alang natin ang liwanag bilang isang koleksyon ng mga photon na nasa loob ng saradong lukab na may mga dingding na salamin. Ang presyon ng liwanag sa isang specularly reflecting surface ay dapat na kapareho ng kung ang mga photon ay specularly reflected mula sa ibabaw tulad ng ganap na nababanat na mga bola.
Hanapin natin ang pressure na ibinibigay sa ideally reflective walls| saradong lukab.
Para sa pagiging simple, ipinapalagay namin na ang lukab ay hugis-kubo. Dahil sa isotropy ng radiation, maaari nating ipagpalagay na ang lahat ng direksyon ng paggalaw ng photon ay pantay na posibilidad. Walang interaksyon sa pagitan ng mga photon (ang kanilang dalas ay hindi nagbabago sa panahon ng banggaan). Samakatuwid, ang mga photon ay gumagalaw tulad ng mga molekula ng isang perpektong monatomic gas.
Nahanap namin ang presyon ng isang perpektong gas sa mga dingding ng lukab mula sa pangunahing equation ng kinetic theory ng mga gas:
Ngunit para sa mga photon m=hv i /c 2 , υ i=с at samakatuwid mυ i 2 = hv i.Kaya,
saan W ay ang kabuuang enerhiya ng lahat ng mga photon sa cavity, at ang presyon sa mga dingding nito
Dito w- volumetric radiation density ng enerhiya. Kung ang mga photon sa loob ng ating cavity ay may mga frequency mula 0 hanggang ∞, kung gayon w maaaring matukoy ng formula:
(11-14)
Dito ρ(ν) - volumetric radiation energy density sa frequency range mula ν hanggang ν+dν.
Function ρ(ν) ay matatagpuan gamit ang isang espesyal na quantum distribution ng mga photon sa pamamagitan ng enerhiya (dalas), - pamamahagi Bose-Einstein (B-E).
1. Hindi tulad ng pamamahagi ng Maxwell, na nagpapakilala sa pamamahagi ng mga particle sa tulin (momentum) na espasyo, inilalarawan ng pamamahagi ng quantum ang mga enerhiya ng mga particle sa phase space na nabuo ng momenta at coordinate ng mga particle.
2. Ang elementary volume ng phase space ay katumbas ng (paramihin natin ang lahat ng coordinate increments):
3. Ang dami ng bawat estado ay katumbas ng h 3 .
4. Bilang ng mga estado dg i Ang radiation na matatagpuan sa elementary phase volume sa quantum statistics ay nakukuha sa pamamagitan ng paghahati ng volume (11-15) sa h 3:
5. Pamamahagi B-E sistema ng mga particle na may integer spin obey. Nakuha nila ang pangalan boson. Kasama rin sa mga particle na ito ang mga photon. Ang kanilang pag-ikot ay tumatagal ng mga halaga ng integer. Ang angular momentum ng photon ay tumatagal sa halaga mh/2π, Saan m = 1. 2,3… Ang Bose-Einstein distribution function para sa mga photon ay may anyo:
, (11-16)
saan. ΔN - bilang ng mga photon sa dami ng dV, n i - average na bilang ng mga particle sa isang estado ng enerhiya na may enerhiya W i na tinatawag na k - Boltzmann pare-pareho, T- ganap na temperatura. Lumilitaw ang koepisyent 2 dahil sa pagkakaroon ng dalawang posibleng direksyon ng polariseysyon ng liwanag (kaliwa at kanang pag-ikot ng eroplano ng polariseysyon).
Kabuuang bilang ng mga estado sa dami V(pagkatapos ng pagsasama sa volume at paggamit ng mga ugnayan sa pagitan ng photon momentum R at ang kanyang enerhiya W,νр =hv/c, W= hv ):
kung saan ang ν ay frequency, kasama si - bilis ng liwanag sa vacuum.
Bilang ng mga photon na may enerhiya mula sa W dati W+dW sa dami V:
Nahanap namin ang volumetric radiation energy density sa frequency range mula ν hanggang ν +dν sa pamamagitan ng pag-multiply (11-16) sa enerhiya ng isang photon hν :
. (11-18)
Nahanap namin ang presyon ng radiation gamit ang mga formula (11-13), (11-14) at (11-18):
Equation ng estado para sa radiation:
Enerhiya ng radiation mula sa volume V (batas ni Stefan-Boltzmann):
Ang kaugnayan sa pagitan ng energetic na liwanag at volumetric radiation energy density (sumusunod mula sa paghahambing ng formula ng Planck sa formula (11-18):
R E (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).
Ngayon ay maglalaan kami ng isang pag-uusap sa isang hindi pangkaraniwang bagay tulad ng magaan na presyon. Isaalang-alang natin ang lugar ng pagtuklas at ang mga kahihinatnan para sa agham.
Banayad at kulay
Ang misteryo ng mga kakayahan ng tao ay nag-aalala sa mga tao mula noong sinaunang panahon. Paano nakikita ng mata? Bakit may mga kulay? Ano ang dahilan kung bakit ang mundo ay kung paano natin ito nakikita? Gaano kalayo ang makikita ng isang tao? Ang mga eksperimento sa pagkabulok ng isang solar ray sa isang spectrum ay isinagawa ni Newton noong ika-17 siglo. Naglatag din siya ng mahigpit na pundasyong matematika para sa ilang magkakaibang katotohanan na kilala tungkol sa liwanag noong panahong iyon. At ang teorya ni Newton ay naghula ng maraming: halimbawa, ang mga pagtuklas na ang quantum physics lamang ang maaaring ipaliwanag (ang pagpapalihis ng liwanag sa isang gravitational field). Ngunit ang pisika noong panahong iyon ay hindi alam o nauunawaan ang eksaktong katangian ng liwanag.
Alon o butil
Dahil nagsimulang maunawaan ng mga siyentipiko sa buong mundo ang kakanyahan ng liwanag, nagkaroon ng debate: ano ang radiation, wave o particle (corpuscle)? Ang ilang mga katotohanan (repraksyon, pagmuni-muni at polariseysyon) ay nakumpirma ang unang teorya. Iba pa (linear propagation sa kawalan ng mga hadlang, magaan na presyon) - ang pangalawa. Gayunpaman, ang quantum physics lamang ang nakapagpatahimik sa hindi pagkakaunawaan na ito sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng dalawang bersyon sa isang karaniwang isa. nagsasaad na ang anumang microparticle, kabilang ang isang photon, ay may parehong mga katangian ng isang alon at isang particle. Iyon ay, ang isang quantum ng liwanag ay may mga katangian tulad ng frequency, amplitude at wavelength, pati na rin ang momentum at masa. Magpareserba agad tayo: walang rest mass ang mga photon. Bilang isang quantum ng electromagnetic field, nagdadala sila ng enerhiya at masa sa proseso ng paggalaw. Ito ang kakanyahan ng konsepto ng "liwanag". Ipinaliwanag ito ng pisika sa ilang detalye sa mga araw na ito.
Haba ng daluyong at enerhiya
Ang konsepto ng "enerhiya ng alon" ay binanggit sa itaas. Si Einstein ay nakakumbinsi na pinatunayan na ang enerhiya at masa ay magkaparehong mga konsepto. Kung ang isang photon ay nagdadala ng enerhiya, dapat itong may masa. Gayunpaman, ang isang quantum ng liwanag ay isang "tuso" na butil: kapag ang isang photon ay nakatagpo ng isang balakid, ito ay ganap na nagbibigay ng kanyang enerhiya sa sangkap, nagiging ito at nawawala ang kanyang indibidwal na kakanyahan. Bukod dito, ang ilang mga pangyayari (halimbawa, malakas na pag-init) ay maaaring maging sanhi ng dating madilim at kalmadong interior ng mga metal at gas na maglabas ng liwanag. Ang momentum ng isang photon, isang direktang resulta ng pagkakaroon ng masa, ay maaaring matukoy gamit ang presyon ng liwanag. ang mga mananaliksik mula sa Russia ay nakakumbinsi na napatunayan ang kamangha-manghang katotohanang ito.
Ang karanasan ni Lebedev
Ang Russian scientist na si Pyotr Nikolaevich Lebedev ay nagsagawa ng sumusunod na eksperimento noong 1899. Isinabit niya ang crossbar sa isang manipis na sinulid na pilak. Ang siyentipiko ay nakakabit ng dalawang plato ng parehong sangkap sa mga dulo ng crossbar. Kabilang dito ang pilak na foil, ginto, at maging ang mika. Kaya, isang uri ng kaliskis ang nilikha. Tanging sinukat nila ang bigat hindi ng isang kargada na pumipindot mula sa itaas, ngunit ng isang karga na pumipindot mula sa gilid sa bawat isa sa mga plato. Inilagay ni Lebedev ang buong istraktura sa ilalim ng isang takip ng salamin upang hindi ito maapektuhan ng hangin at mga random na pagbabagu-bago sa density ng hangin. Dagdag pa, nais kong isulat na lumikha siya ng vacuum sa ilalim ng talukap ng mata. Ngunit sa oras na iyon imposibleng makamit kahit isang average na vacuum. Kaya't sasabihin natin na nilikha niya sa ilalim ng isang takip ng salamin na malakas at halili na nag-iilaw sa isang plato, na iniiwan ang isa pa sa anino. Ang dami ng liwanag na nakadirekta sa mga ibabaw ay paunang natukoy. Batay sa anggulo ng pagpapalihis, tinukoy ni Lebedev kung aling salpok ang nagpapadala ng liwanag sa mga plato.
Mga formula para sa pagtukoy ng presyon ng electromagnetic radiation sa normal na saklaw ng sinag
Ipaliwanag muna natin kung ano ang "normal na pagkahulog"? Karaniwang nahuhulog ang liwanag sa ibabaw kung ito ay nakadirekta nang patayo sa ibabaw. Nagpapataw ito ng mga paghihigpit sa problema: ang ibabaw ay dapat na perpektong makinis, at ang radiation beam ay dapat na nakadirekta nang tumpak. Sa kasong ito, ang presyon ay kinakalkula:
k ay ang koepisyent ng transmittance, ρ ang koepisyent ng pagmuni-muni, ang I ay ang intensity ng sinag ng liwanag ng insidente, c ay ang bilis ng liwanag sa vacuum.
Ngunit, marahil, nahulaan na ng mambabasa na ang gayong perpektong kumbinasyon ng mga kadahilanan ay hindi umiiral. Kahit na hindi natin isinasaalang-alang ang pagiging perpekto ng ibabaw, medyo mahirap ayusin ang saklaw ng liwanag nang mahigpit na patayo.
Mga formula para sa pagtukoy ng presyon ng electromagnetic radiation kapag ito ay bumagsak sa isang anggulo
Ang magaan na presyon sa ibabaw ng salamin sa isang anggulo ay kinakalkula gamit ang isa pang formula, na naglalaman na ng mga elemento ng vector:
p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Ang mga dami ng p, i, i’ ay mga vector. Sa kasong ito, ang k at ρ, tulad ng sa nakaraang formula, ay ang transmittance at reflection coefficient, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga bagong halaga ay nangangahulugan ng sumusunod:
- ω - volumetric radiation enerhiya density;
- ang i at i’ ay mga unit vector na nagpapakita ng direksyon ng insidente at sinasalamin na sinag ng liwanag (tinukoy nila ang mga direksyon kung saan dapat idagdag ang kumikilos na pwersa);
- Ang ϴ ay ang anggulo sa normal kung saan bumabagsak ang liwanag na sinag (at, nang naaayon, ay sinasalamin, dahil ang ibabaw ay nasasalamin).
Paalalahanan natin ang mambabasa na ang normal ay patayo sa ibabaw, kaya kung ang problema ay nagbibigay ng anggulo ng saklaw ng liwanag sa ibabaw, kung gayon ang ϴ ay 90 degrees minus ang ibinigay na halaga.
Application ng electromagnetic radiation pressure phenomenon
Para sa isang mag-aaral na nag-aaral ng physics, maraming mga formula, konsepto at phenomena ang tila nakakainip. Dahil, bilang isang patakaran, ang guro ay nagsasalita tungkol sa mga teoretikal na aspeto, ngunit bihirang makapagbigay ng mga halimbawa ng mga benepisyo ng ilang mga phenomena. Huwag nating sisihin ang mga tagapagturo ng paaralan para dito: sila ay limitado sa programa; sa panahon ng aralin kailangan nilang masakop ang malawak na materyal at mayroon pa ring oras upang subukan ang kaalaman ng mga mag-aaral.
Gayunpaman, ang layunin ng aming pag-aaral ay may maraming mga kagiliw-giliw na aplikasyon:
- Ngayon halos bawat mag-aaral sa laboratoryo ng kanyang institusyong pang-edukasyon ay maaaring ulitin ang eksperimento ni Lebedev. Ngunit pagkatapos ay ang pagkakataon ng pang-eksperimentong data na may mga teoretikal na kalkulasyon ay isang tunay na tagumpay. Ang eksperimento, na isinagawa sa unang pagkakataon na may 20% na error, ay nagpapahintulot sa mga siyentipiko sa buong mundo na bumuo ng isang bagong sangay ng physics - quantum optics.
- Paggawa ng mga proton na may mataas na enerhiya (halimbawa, para sa pag-iilaw ng iba't ibang mga sangkap) sa pamamagitan ng pagpapabilis ng mga manipis na pelikula na may laser pulse.
- Isinasaalang-alang ang presyon ng electromagnetic radiation mula sa Araw sa ibabaw ng mga bagay na malapit sa Earth, kabilang ang mga satellite at mga istasyon ng kalawakan, ginagawang posible na itama ang kanilang orbit nang mas tumpak at pinipigilan ang mga device na ito na mahulog sa Earth.
Ang mga application sa itaas ay umiiral sa totoong mundo ngayon. Ngunit mayroon ding mga potensyal na pagkakataon na hindi pa naisasakatuparan, dahil ang teknolohiya ng sangkatauhan ay hindi pa umabot sa kinakailangang antas. Sa kanila:
- Solar layag. Sa tulong nito magiging posible na ilipat ang medyo malalaking load sa malapit sa Earth at kahit malapit sa solar space. Ang liwanag ay nagbibigay ng isang maliit na salpok, ngunit ibinigay ang nais na posisyon ng ibabaw ng layag, ang acceleration ay magiging pare-pareho. Sa kawalan ng alitan, sapat na upang makakuha ng bilis at maghatid ng kargamento sa nais na punto sa solar system.
- Photon engine. Maaaring payagan ng teknolohiyang ito ang isang tao na madaig ang gravity ng kanyang katutubong bituin at lumipad sa ibang mga mundo. Ang pagkakaiba ay ang mga solar impulses ay bubuo ng isang artipisyal na nilikha na aparato, halimbawa, isang thermonuclear engine.
Mensahe mula sa administrator:
Guys! Sino ang matagal nang gustong matuto ng Ingles?
Pumunta sa at kumuha ng dalawang libreng aralin sa SkyEng English language school!
Nag-aaral ako doon mismo - napaka-cool. May pag-unlad.
Sa application maaari kang matuto ng mga salita, sanayin ang pakikinig at pagbigkas.
Subukan. Dalawang aralin nang libre gamit ang aking link!
I-click
Isang stream ng mga photon (liwanag) na kapag natamaan sa isang ibabaw ay nagdudulot ng presyon.
Flux ng mga photon na insidente sa isang sumisipsip na ibabaw:
Flux ng mga photon na insidente sa ibabaw ng salamin:
Flux ng insidente ng photon sa ibabaw:
Pisikal na kahulugan ng Light Pressure:
Ang liwanag ay isang stream ng mga photon, kung gayon, ayon sa mga prinsipyo ng klasikal na mekanika, ang mga particle, kapag tumama sa isang katawan, ay dapat maglipat ng momentum dito, sa madaling salita, magbigay ng presyon
Device, mga sukat magaan na presyon, ay isang napakasensitibong torsional dynamometer (torsion scale). Ang aparatong ito ay nilikha ni Lebedev. Ang gumagalaw na bahagi nito ay isang light frame na nasuspinde sa isang manipis na quarry thread na may mga pakpak na nakakabit dito - light at black disks hanggang sa 0.01 mm ang kapal. Ang mga pakpak ay ginawa mula sa metal foil. Ang frame ay nasuspinde sa loob ng isang sisidlan kung saan ang hangin ay pumped out. Ang liwanag na bumabagsak sa mga pakpak ay nagbigay ng iba't ibang presyon sa liwanag at itim na mga disk. Bilang isang resulta, ang isang metalikang kuwintas ay kumilos sa frame, na pinaikot ang suspension thread. Ang anggulo ng twist ng thread ay ginamit upang matukoy ang liwanag na presyon.
Sa Formula na ginamit namin:
Ang puwersa kung saan pinindot ng isang photon
Lugar sa ibabaw kung saan nangyayari ang magaan na presyon
Momentum ng isang photon
Ang araling video na ito ay nakatuon sa paksang “Light pressure. Mga eksperimento ni Lebedev. Ang mga eksperimento ni Lebedev ay gumawa ng malaking impresyon sa siyentipikong mundo, dahil salamat sa kanila ang presyon ng liwanag ay nasusukat sa unang pagkakataon at ang bisa ng teorya ni Maxwell ay napatunayan. Paano niya ito nagawa? Matututuhan mo ang sagot dito at sa maraming iba pang mga interesanteng tanong na may kaugnayan sa quantum theory ng liwanag mula sa kamangha-manghang aralin sa pisika na ito.
Paksa: Banayad na presyon
Aralin: Banayad na presyon. Mga eksperimento ni Lebedev
Ang hypothesis tungkol sa pagkakaroon ng light pressure ay unang iniharap ni Johannes Kepler noong ika-17 siglo upang ipaliwanag ang phenomenon ng mga buntot ng kometa kapag lumilipad sila malapit sa Araw.
Si Maxwell, batay sa electromagnetic theory ng liwanag, ay hinulaan na ang liwanag ay dapat magbigay ng presyon sa isang balakid.
Sa ilalim ng impluwensya ng electric field ng alon, ang mga electron sa mga katawan ay nag-oscillate - isang electric current ay nabuo. Ang kasalukuyang ito ay nakadirekta kasama ang lakas ng patlang ng kuryente. Ang mga maayos na gumagalaw na mga electron ay ginagampanan ng puwersa ng Lorentz mula sa magnetic field, na nakadirekta sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon - ito ay liwanag na puwersa ng presyon(Larawan 1).
kanin. 1. Eksperimento ni Maxwell
Upang patunayan ang teorya ni Maxwell, kinakailangang sukatin ang presyon ng liwanag. Ang presyon ng liwanag ay unang sinukat ng Russian physicist na si Pyotr Nikolaevich Lebedev noong 1900 (Fig. 2).
kanin. 2. Petr Nikolaevich Lebedev
kanin. 3. Lebedev device
Ang aparato ni Lebedev (Larawan 3) ay binubuo ng isang magaan na baras sa isang manipis na thread ng salamin, kasama ang mga gilid kung saan ang mga light wing ay nakakabit. Ang buong aparato ay inilagay sa isang sisidlan ng salamin, kung saan ang hangin ay pumped out. Ang liwanag ay nahuhulog sa mga pakpak na matatagpuan sa isang gilid ng pamalo. Ang halaga ng presyon ay maaaring hatulan ng anggulo ng twist ng thread. Ang kahirapan ng tumpak na pagsukat ng presyon ng liwanag ay dahil sa ang katunayan na ito ay imposible upang pump out ang lahat ng hangin mula sa sisidlan. Sa panahon ng eksperimento, nagsimula ang paggalaw ng mga molekula ng hangin, sanhi ng hindi pantay na pag-init ng mga pakpak at dingding ng sisidlan. Ang mga pakpak ay hindi maaaring ganap na ibitin nang patayo. Ang pinainit na daloy ng hangin ay tumaas pataas at kumikilos sa mga pakpak, na humahantong sa karagdagang mga torque. Gayundin, ang pag-twist ng thread ay apektado ng hindi pantay na pag-init ng mga gilid ng mga pakpak. Ang gilid na nakaharap sa pinagmumulan ng ilaw ay mas umiinit kaysa sa kabaligtaran. Ang mga molekula na sumasalamin mula sa mas mainit na bahagi ay nagbibigay ng mas maraming momentum sa winglet.
kanin. 4. Lebedev device
kanin. 5. Lebedev device
Nagtagumpay si Lebedev sa lahat ng mga paghihirap, sa kabila ng mababang antas ng teknolohiyang pang-eksperimento sa oras na iyon. Kumuha siya ng napakalaking sisidlan at napakanipis na pakpak. Ang pakpak ay binubuo ng dalawang pares ng manipis na mga bilog na platinum. Ang isa sa mga bilog ng bawat pares ay makintab sa magkabilang panig. Ang ibang panig ay may isang gilid na natatakpan ng platinum niello. Bukod dito, ang parehong mga pares ng mga bilog ay naiiba sa kapal.
Upang ibukod ang mga alon ng convection, itinuro ni Lebedev ang mga sinag ng liwanag papunta sa mga pakpak mula sa isang gilid o sa iba pa. Kaya, ang mga puwersang kumikilos sa mga pakpak ay balanse (Larawan 4-5).
kanin. 6. Lebedev device
kanin. 7. Lebedev device
Kaya, ang presyon ng liwanag sa mga solido ay napatunayan at nasusukat (Larawan 6-7). Ang halaga ng presyur na ito ay kasabay ng hinulaang presyon ni Maxwell.
Pagkalipas ng tatlong taon, nagawa ni Lebedev ang isa pang eksperimento - upang masukat ang presyon ng liwanag sa mga gas (Larawan 8).
kanin. 8. Pag-install para sa pagsukat ng presyon ng liwanag sa mga gas
Lord Kelvin: "Maaaring alam mo na sa buong buhay ko ay nakipaglaban ako kay Maxwell, hindi kinikilala ang kanyang magaan na presyon, at ngayon pinilit ako ng iyong Lebedev na sumuko sa kanyang mga eksperimento."
Ang paglitaw ng quantum theory ng liwanag ay naging posible upang mas simpleng ipaliwanag ang sanhi ng light pressure.
Ang mga photon ay may momentum. Kapag hinihigop ng katawan, inililipat nila ang kanilang salpok dito. Ang ganitong pakikipag-ugnayan ay maaaring ituring bilang isang ganap na hindi nababanat na epekto.
Ang puwersang ibinibigay sa ibabaw ng bawat photon ay:
Banayad na presyon sa ibabaw:
Pakikipag-ugnayan ng isang photon sa ibabaw ng salamin
Sa kaso ng pakikipag-ugnayan na ito, ang isang ganap na nababanat na pakikipag-ugnayan ay nakuha. Kapag ang isang photon ay nahulog sa isang ibabaw, ito ay makikita mula dito na may parehong bilis at momentum kung saan ito nahulog sa ibabaw na ito. Ang pagbabago sa momentum ay magiging dalawang beses na mas malaki kaysa kapag ang isang photon ay bumagsak sa isang itim na ibabaw, ang presyon ng liwanag ay doble.
Walang mga sangkap sa kalikasan na ang ibabaw ay ganap na sumisipsip o sumasalamin sa mga photon. Samakatuwid, upang makalkula ang magaan na presyon sa mga tunay na katawan, kinakailangang isaalang-alang na ang ilang mga photon ay masisipsip ng katawan na ito, at ang ilan ay makikita.
Ang mga eksperimento ni Lebedev ay maaaring ituring bilang pang-eksperimentong patunay na may momentum ang mga photon. Bagama't napakababa ng magaan na presyon sa ilalim ng normal na mga kondisyon, maaaring maging makabuluhan ang epekto nito. Batay sa presyon ng Araw, isang layag ang binuo para sa mga sasakyang pangkalawakan, na magpapahintulot sa paggalaw sa espasyo sa ilalim ng presyon ng liwanag (Larawan 11).
kanin. 11. Layag ng sasakyang pangkalawakan
Ang presyon ng liwanag, ayon sa teorya ni Maxwell, ay bumangon bilang resulta ng pagkilos ng puwersa ng Lorentz sa mga electron na nagsasagawa ng mga oscillatory na paggalaw sa ilalim ng impluwensya ng electric field ng isang electromagnetic wave.
Mula sa punto ng view ng quantum theory, ang magaan na presyon ay lumitaw bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan ng mga photon sa ibabaw kung saan sila nahulog.
Ang mga kalkulasyon na isinagawa ni Maxwell ay kasabay ng mga resulta na ginawa ni Lebedev. Ito ay malinaw na nagpapatunay sa quantum-wave dualism ng liwanag.
Mga eksperimento ni Crookes
Si Lebedev ang unang nakadiskubre ng magaan na presyon sa eksperimento at nagawang sukatin ito. Ang eksperimento ay hindi kapani-paniwalang kumplikado, ngunit mayroong isang pang-agham na laruan - ang eksperimento ng Crookes (Larawan 12).
kanin. 12. Eksperimento ng mga Crooke
Ang isang maliit na propeller, na binubuo ng apat na petals, ay matatagpuan sa isang karayom, na natatakpan ng isang takip ng salamin. Kung iilawan mo ang propeller na ito ng liwanag, magsisimula itong umikot. Kung titingnan mo ang propeller na ito sa bukas na hangin kapag umihip ang hangin dito, ang pag-ikot nito ay hindi nakakagulat sa sinuman, ngunit sa kasong ito ang takip ng salamin ay hindi pinapayagan ang mga daloy ng hangin na kumilos sa propeller. Samakatuwid, ang dahilan ng paggalaw nito ay magaan.
Hindi sinasadyang nilikha ng English physicist na si William Crookes ang una ilaw na spinner.
Noong 1873, nagpasya si Crookes na tukuyin ang atomic na timbang ng elementong Thallium at timbangin ito sa isang tumpak na balanse. Upang maiwasan ang mga random na agos ng hangin sa pagbaluktot sa tumitimbang na larawan, nagpasya si Crookes na suspindihin ang mga rocker arm sa isang vacuum. Ginawa niya ito at namangha, dahil ang kanyang pinakamanipis na kaliskis ay sensitibo sa init. Kung ang pinagmumulan ng init ay nasa ilalim ng bagay, binabawasan nito ang timbang nito; kung nasa itaas, pinalaki ito.
Dahil napabuti ang hindi sinasadyang karanasang ito, nakaisip si Crookes ng isang laruan - isang radiometer (light mill). Ang Crookes radiometer ay isang four-blade impeller na nakabalanse sa isang karayom sa loob ng isang glass bulb sa ilalim ng bahagyang vacuum. Kapag ang isang light beam ay tumama sa talim, ang impeller ay nagsisimulang umikot, na kung minsan ay hindi wastong ipinaliwanag ng magaan na presyon. Sa katunayan, ang sanhi ng torsion ay isang radiometric effect. Ang paglitaw ng isang salungat na puwersa dahil sa pagkakaiba sa kinetic energies ng mga molekula ng gas na tumatama sa iluminado (pinainit) na bahagi ng talim at sa kabaligtaran na hindi naiilaw (mas malamig) na bahagi.
- Ang presyon ng liwanag at ang presyon ng mga pangyayari ().
- Pyotr Nikolaevich Lebedev ().
- Crookes radiometer ().
Lumalabas na ang presyon ay maaaring malikha hindi lamang ng mga solido, likido at gas. Ang pagbagsak sa ibabaw ng katawan, ang light electromagnetic radiation ay nagdudulot din ng presyon dito.
Light pressure theory
Johannes Kepler
Sa kauna-unahang pagkakataon, ginawa ang pag-aakalang may magaan na presyon Aleman na siyentipiko na si Johannes Kepler noong ika-17 siglo. Habang pinag-aaralan ang pag-uugali ng mga kometa na lumilipad malapit sa Araw, napansin niya na ang buntot ng kometa ay palaging lumilihis sa direksyon na tapat sa Araw. Naisip ni Kepler na kahit papaano ang paglihis na ito ay sanhi ng pagkakalantad sa sikat ng araw.
Ang teoretikal na pagkakaroon ng magaan na presyon ay hinulaang noong ika-19 na siglo British physicist na si James Clerk Maxwell, na lumikha ng electromagnetic theory at nagtalo na ang liwanag ay electromagnetic vibrations din, at dapat itong magbigay ng presyon sa mga hadlang.
James Clerk Maxwell
Ang liwanag ay isang electromagnetic wave. Lumilikha ito ng isang electric field, sa ilalim ng impluwensya ng kung saan ang mga electron sa isang katawan na nakatagpo sa landas nito ay nag-oocillate. Lumilitaw ang isang electric current sa katawan, na nakadirekta sa lakas ng electric field. Ang magnetic field ay kumikilos sa mga electron Lorentz force. Ang direksyon nito ay tumutugma sa direksyon ng pagpapalaganap ng liwanag na alon. Ang kapangyarihang ito ay liwanag na puwersa ng presyon .
Ayon sa mga kalkulasyon ni Maxwell, ang sikat ng araw ay gumagawa ng isang presyon ng isang tiyak na halaga sa isang itim na plato na matatagpuan sa Earth (p = 4 · 10 -6 N/m 2). At kung sa halip na isang itim na plato ay kukuha ka ng isang mapanimdim, kung gayon ang magaan na presyon ay magiging 2 beses na mas malaki.
Ngunit ito ay isang teoretikal na palagay lamang. Upang patunayan ito, kinakailangan upang kumpirmahin ang teorya sa isang praktikal na eksperimento, iyon ay, sukatin ang halaga ng liwanag na presyon. Ngunit dahil ang halaga nito ay napakaliit, napakahirap gawin ito sa pagsasanay.
Pyotr Nikolaevich Lebedev
Sa pagsasanay ito ay ginawa Ang pang-eksperimentong pisikong Ruso na si Pyotr Nikolaevich Lebedev. Ang isang eksperimento na kanyang isinagawa noong 1899 ay nagpatunay sa palagay ni Maxwell na ang magaan na presyon ay umiiral sa mga solido.
Ang karanasan ni Lebedev
Eskematiko na representasyon ng eksperimento ni Lebedev
Upang maisagawa ang kanyang eksperimento, lumikha si Lebedev ng isang espesyal na aparato, na isang sisidlan ng salamin. Ang isang magaan na baras sa isang manipis na sinulid na salamin ay inilagay sa loob ng sisidlan. Ang manipis at magaan na mga pakpak na gawa sa iba't ibang mga metal at mika ay nakakabit sa mga gilid ng baras na ito. Ang hangin ay pumped out sa sisidlan. Gamit ang mga espesyal na optical system na binubuo ng isang light source at mga salamin, ang light beam ay nakadirekta sa mga pakpak na matatagpuan sa isang gilid ng baras. Sa ilalim ng impluwensya ng magaan na presyon, ang baras ay umiikot at ang thread ay napilipit sa isang tiyak na anggulo. Ang magnitude ng light pressure ay tinutukoy ng magnitude ng anggulong ito.
Lebedev device
Ngunit ang eksperimentong ito ay hindi nagbigay ng tumpak na mga resulta. Ang pagsasagawa nito ay may sariling kahirapan. Dahil ang mga vacuum pump ay wala pa noong mga panahong iyon, gumamit sila ng mga ordinaryong mekanikal. At sa kanilang tulong imposibleng lumikha ng isang ganap na vacuum sa sisidlan. Kahit na matapos itong pumping out, may ilang hangin na nanatili sa loob nito. Ang mga pakpak at dingding ng sisidlan ay pinainit nang iba. Mas mabilis uminit ang gilid na nakaharap sa sinag ng liwanag. At naging sanhi ito ng paggalaw ng mga molekula ng hangin. Ang mga daloy ng mas mainit na hangin ay tumaas paitaas. Dahil imposibleng i-install ang mga pakpak nang patayo, ang mga daloy na ito ay lumikha ng karagdagang mga torque. Bilang karagdagan, ang mga pakpak mismo ay hindi uminit nang pantay. Mas uminit ang gilid na nakaharap sa pinanggagalingan ng liwanag. Bilang resulta, nagkaroon ng karagdagang epekto sa anggulo ng pag-ikot ng thread.
Upang gawing mas tumpak ang eksperimento, kumuha si Lebedev ng isang napakalaking sisidlan. Ginawa niya ang pakpak mula sa dalawang pares ng napakanipis na bilog ng platinum. Bukod dito, ang kapal ng mga bilog ng isang pares ay naiiba sa kapal ng mga bilog ng isa pang pares. Sa isang gilid ng baras, ang mga bilog ay makintab sa magkabilang panig, sa kabilang banda, ang isang gilid ay natatakpan ng platinum niello. Ang mga sinag ng liwanag ay nakadirekta sa kanila mula sa isang gilid o sa iba pa upang balansehin ang mga puwersang kumikilos sa mga pakpak. Bilang resulta, ang magaan na presyon sa mga pakpak ay nasusukat. Kinumpirma ng mga eksperimentong resulta ang mga teoretikal na pagpapalagay ni Maxwell tungkol sa pagkakaroon ng magaan na presyon. At ang magnitude nito ay halos pareho sa hinulaang ni Maxwell.
Noong 1907 - 1910 Gamit ang mas tumpak na mga eksperimento, sinukat ni Lebedev ang presyon ng liwanag sa mga gas.
Ang liwanag, tulad ng anumang electromagnetic radiation, ay may enerhiya E .
Ang momentum nito p = E v / c 2 ,
saan v - bilis ng electromagnetic radiation,
c - bilis ng liwanag.
kasi v = Sa , Iyon p = E/s .
Sa pagdating ng quantum theory, ang liwanag ay nagsimulang ituring bilang isang stream ng mga photon - elementarya na mga particle, quanta ng liwanag. Kapag natamaan ang isang katawan, inililipat ng mga photon ang kanilang momentum dito, iyon ay, nagsasagawa sila ng presyon.
Solar layag
Friedrich Arturovich Zander
Kahit na ang halaga ng magaan na presyon ay napakaliit, gayunpaman, maaari itong maging kapaki-pakinabang sa isang tao.
Bumalik noong 1920 Siyentista ng Sobyet at imbentor na si Friedrich Arturovich Zander, isa sa mga lumikha ng unang liquid-fuel rocket, ay naglagay ng ideya ng paglipad sa kalawakan gamit ang solar layag . Napakasimple niya. Ang sikat ng araw ay binubuo ng mga photon. At lumikha sila ng presyon, inililipat ang kanilang salpok sa anumang iluminado na ibabaw. Samakatuwid, ang presyon na nabuo sa pamamagitan ng sikat ng araw o isang laser sa ibabaw ng salamin ay maaaring gamitin upang itulak ang isang spacecraft. Ang nasabing layag ay hindi nangangailangan ng rocket fuel, at ang tagal nito ay walang limitasyon. At gagawin nitong posible na magdala ng mas maraming kargamento kumpara sa isang maginoo na spacecraft na may jet engine.
Solar layag
Ngunit sa ngayon ang mga ito ay mga proyekto lamang upang lumikha ng mga starship na may solar sail bilang pangunahing makina.