اليوم سنخصص محادثة لظاهرة مثل الضغط الخفيف. ضع في اعتبارك مقدمات الاكتشاف وعواقبه على العلم.
الضوء واللون
أثار لغز القدرات البشرية قلق الناس منذ العصور القديمة. كيف ترى العين؟ لماذا توجد الألوان؟ ما السبب في أن العالم هو الطريقة التي نتصورها بها؟ إلى أي مدى يمكن للشخص أن يرى؟ أجرى نيوتن تجارب على تحلل شعاع شمسي إلى طيف في القرن السابع عشر. كما أنه وضع أساسًا رياضيًا صارمًا لعدد من الحقائق المتباينة التي كانت معروفة في ذلك الوقت عن الضوء. وقد تنبأت نظرية نيوتن بالكثير: على سبيل المثال ، الاكتشافات التي أوضحها فقط فيزياء الكم (انحراف الضوء في مجال الجاذبية). لكن فيزياء ذلك الوقت لم تعرف ولم تفهم بالضبط طبيعة الضوء
موجة أو جسيم
منذ أن بدأ العلماء في جميع أنحاء العالم في اختراق جوهر الضوء ، كان هناك نقاش: ما هو الإشعاع ، الموجة أو الجسيم (جسم)؟ أكدت بعض الحقائق (الانكسار والانعكاس والاستقطاب) النظرية الأولى. البعض الآخر (انتشار مستقيم في حالة عدم وجود عوائق ، ضغط خفيف) - الثاني. ومع ذلك ، كانت فيزياء الكم فقط هي القادرة على تهدئة هذا الخلاف من خلال دمج النسختين في نسخة واحدة.جنرال لواء. تنص نظرية الموجة الجسدية على أن أي جسيم دقيق ، بما في ذلك الفوتون ، له خصائص الموجة والجسيم. أي أن كم من الضوء له خصائص مثل التردد والسعة والطول الموجي ، بالإضافة إلى الزخم والكتلة. دعونا نحجز على الفور: الفوتونات ليس لها كتلة راحة. كونها كمية من المجال الكهرومغناطيسي ، فإنها تحمل الطاقة والكتلة فقط في عملية الحركة. هذا هو جوهر مفهوم "الضوء". لقد شرحت الفيزياء ذلك الآن بتفاصيل كافية.
الطول الموجي والطاقة
قليلا فوق ذكر مفهوم "طاقة الأمواج". أثبت أينشتاين بشكل مقنع أن الطاقة والكتلة مفهومان متطابقان. إذا كان الفوتون يحمل طاقة ، فلا بد أن يكون له كتلة. ومع ذلك ، فإن كمية الضوء هي جسيم "ماكر": عندما يصطدم الفوتون بعائق ما ، فإنه يتخلى تمامًا عن طاقته ويصبح المادة ويفقد جوهره الفردي. في الوقت نفسه ، يمكن لظروف معينة (التسخين القوي ، على سبيل المثال) أن تتسبب في انبعاث الضوء من الأجزاء الداخلية المظلمة والهادئة من المعادن والغازات. يمكن تحديد زخم الفوتون ، نتيجة مباشرة لوجود كتلة ، باستخدام ضغط الضوء. أثبتت تجارب ليبيديف ، الباحث من روسيا ، بشكل مقنع هذه الحقيقة المذهلة.
تجربة ليبيديف
قام العالم الروسي بيتر نيكولايفيتش ليبيديف عام 1899 بالتجربة التالية. علق العارضة على خيط رفيع من الفضة. إلى نهايات العارضة ، أرفق العالم لوحين من نفس المادة. كانت هذه من رقائق الفضة والذهب وحتى الميكا. وهكذا ، تم إنشاء نوع من المقاييس.هم فقط قاموا بقياس الوزن ليس للحمل الذي يضغط من الأعلى ، ولكن للحمل الذي يضغط من الجانب على كل لوحة. وضع ليبيديف هذا الهيكل بأكمله تحت غطاء زجاجي بحيث لا تؤثر عليه الرياح والتقلبات العشوائية في كثافة الهواء. علاوة على ذلك ، أود أن أكتب أنه خلق فراغًا تحت الغطاء. لكن في ذلك الوقت ، كان من المستحيل تحقيق حتى فراغ متوسط. لذلك نقول إنه خلق جوًا شديد التخلخل تحت الغطاء الزجاجي. وأضاء أحدهما بالتناوب ، وترك الآخر في الظل. تم تحديد كمية الضوء الموجه إلى الأسطح مسبقًا. من زاوية الانحراف ، حدد ليبيديف الزخم الذي ينقل الضوء إلى الألواح.
صيغ لتحديد ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي عند وقوع الحزمة العادية
دعونا أولا نشرح ما هو "السقوط الطبيعي"؟ يسقط الضوء على السطح بشكل طبيعي إذا تم توجيهه بشكل عمودي تمامًا على السطح. هذا يفرض قيودًا على المشكلة: يجب أن يكون السطح أملسًا تمامًا ، ويجب توجيه حزمة الإشعاع بدقة شديدة. في هذه الحالة ، يتم حساب ضغط الضوء بالصيغة:
p=(1-k + ρ)I / c ،
حيث
k هي النفاذية ، هي معامل الانعكاس ، أنا هي شدة شعاع الضوء الساقط ، c هي سرعة الضوء في الفراغ.
لكن ، على الأرجح ، خمن القارئ بالفعل أن مثل هذا المزيج المثالي من العوامل غير موجود. حتى لو لم يتم أخذ السطح المثالي في الاعتبار ، فمن الصعب تنظيم وقوع الضوء بشكل عمودي بدقة.
صيغ لتحديد ضغط الاشعاع الكهرومغناطيسي عند سقوطه بزاوية
يتم حساب ضغط الضوء على سطح المرآة بزاوية باستخدام صيغة مختلفة تحتوي بالفعل على عناصر المتجهات:
p=ω ((1-k) i + i ') cos ϴ
القيم p ، i ، i 'هي نواقل. في هذه الحالة ، k و ، كما في الصيغة السابقة ، هما معاملات الإرسال والانعكاس ، على التوالي. القيم الجديدة تعني ما يلي:
- ω - كثافة حجم الطاقة الإشعاعية ؛
- أنا و أنا متجهان للوحدة يوضحان اتجاه الحادث وشعاع الضوء المنعكس (يحددان الاتجاهات التي يجب إضافة القوى المؤثرة فيها) ؛
- ϴ - الزاوية إلى الوضع الطبيعي الذي يسقط عندها شعاع الضوء (وبالتالي ينعكس ، لأن السطح معكوس).
ذكر القارئ بأن الوضع الطبيعي عمودي على السطح ، لذلك إذا أعطيت المشكلة زاوية سقوط الضوء على السطح ، فإن ϴ تساوي 90 درجة مطروحًا منها القيمة المعطاة.
تطبيق ظاهرة ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي
الطالب الذي يدرس الفيزياء يجد العديد من الصيغ والمفاهيم والظواهر مملة. لأنه ، كقاعدة عامة ، يخبر المعلم الجوانب النظرية ، ولكن نادرًا ما يعطي أمثلة على فوائد بعض الظواهر. دعنا لا نلوم مرشدي المدرسة على هذا: فهم مقيدون للغاية بالبرنامج ، أثناء الدرس تحتاج إلى سرد مواد مكثفة ولا يزال لديك الوقت للتحقق من معرفة الطلاب.
ومع ذلك ، فإن موضوع دراستنا يحتوي على الكثيرتطبيقات مثيرة للاهتمام:
- الآن يمكن لكل طالب تقريبًا في مختبر مؤسسته التعليمية تكرار تجربة ليبيديف. ولكن بعد ذلك كان تزامن البيانات التجريبية مع الحسابات النظرية بمثابة اختراق حقيقي. التجربة ، التي أجريت لأول مرة مع خطأ بنسبة 20٪ ، سمحت للعلماء في جميع أنحاء العالم بتطوير فرع جديد من الفيزياء - البصريات الكمومية.
- إنتاج البروتونات عالية الطاقة (على سبيل المثال ، لإشعاع مواد مختلفة) عن طريق تسريع الأغشية الرقيقة بنبض ليزر.
- مع مراعاة ضغط الإشعاع الكهرومغناطيسي للشمس على سطح الأجسام القريبة من الأرض ، بما في ذلك الأقمار الصناعية والمحطات الفضائية ، يسمح لك بتصحيح مدارها بدقة أكبر ويمنع هذه الأجهزة من السقوط على الأرض.
التطبيقات المذكورة أعلاه موجودة الآن في العالم الحقيقي. لكن هناك أيضًا فرصًا محتملة لم تتحقق بعد ، لأن التكنولوجيا البشرية لم تصل بعد إلى المستوى المطلوب. من بينها:
- شراع شمسي. بمساعدتها ، سيكون من الممكن نقل أحمال كبيرة جدًا في الفضاء القريب من الأرض وحتى بالقرب من الشمس. يعطي الضوء دفعة صغيرة ، ولكن مع الموضع الصحيح لسطح الشراع ، فإن التسارع سيكون ثابتًا. في حالة عدم وجود احتكاك يكفي زيادة السرعة وتسليم البضائع إلى النقطة المرغوبة في المجموعة الشمسية.
- محرك فوتوني. هذه التكنولوجيا ، ربما ، ستسمح للشخص بالتغلب على جاذبية نجمه والطيران إلى عوالم أخرى. الفرق عن الشراع الشمسي هو أن الجهاز المصطنع ، على سبيل المثال ، جهاز نووي حراري ، سوف يولد نبضات شمسية.المحرك
