Бүгін біз әңгімені жеңіл қысым сияқты құбылысқа арнаймыз. Ашудың алғышарттары мен ғылым үшін салдарын қарастырыңыз.
Жарық және түс
Адам қабілеттерінің құпиясы ерте заманнан бері адамдарды алаңдатып келеді. Көз қалай көреді? Неліктен түстер бар? Дүниені біз қалай қабылдаймыз? Адам қаншалықты алысты көре алады? Күн сәулесінің спектрге ыдырауы бойынша эксперименттерді Ньютон 17 ғасырда жүргізді. Ол сондай-ақ сол кезде жарық туралы белгілі болған бірқатар әртүрлі фактілердің қатаң математикалық негізін қалады. Ал Ньютон теориясы көп нәрсені болжаған: мысалы, тек кванттық физика түсіндіретін жаңалықтар (гравитациялық өрістегі жарықтың ауытқуы). Бірақ ол кездегі физика жарықтың нақты табиғатын білмеді және түсінбеді.
Толқын немесе бөлшек
Бүкіл әлем ғалымдары жарықтың мәніне ене бастағаннан бері пікірталас туды: радиация, толқын немесе бөлшек (корпускул) дегеніміз не? Кейбір фактілер (сыну, шағылысу және поляризация) бірінші теорияны растады. Басқалары (кедергілер болмаған кезде түзу сызықты таралу, жеңіл қысым) - екіншісі. Дегенмен, тек кванттық физика екі нұсқаны біріктіру арқылы бұл дауды тыныштандырады.жалпы. Корпускулярлық-толқындық теория кез келген микробөлшектердің, соның ішінде фотонның толқындық және бөлшектік қасиеттеріне ие екенін айтады. Яғни, жарық кванты жиілік, амплитуда және толқын ұзындығы, сондай-ақ импульс пен масса сияқты сипаттамаларға ие. Бірден ескертейік: фотондарда тыныштық массасы жоқ. Электромагниттік өрістің кванты бола отырып, олар қозғалыс процесінде ғана энергия мен массаны тасымалдайды. Бұл «жарық» ұғымының мәні. Физика мұны жеткілікті егжей-тегжейлі түсіндірді.
Толқын ұзындығы және энергия
Сәл жоғарыда «толқындық энергия» түсінігі айтылды. Эйнштейн энергия мен массаның бірдей ұғымдар екенін сенімді түрде дәлелдеді. Егер фотон энергия тасымалдаса, оның массасы болуы керек. Дегенмен, жарық кванты «қулық» бөлшек болып табылады: фотон кедергімен соқтығысқан кезде ол өзінің энергиясын затқа толығымен береді, оған айналады және өзінің жеке мәнін жоғалтады. Сонымен қатар, белгілі бір жағдайлар (мысалы, күшті қыздыру) металдар мен газдардың бұрын қараңғы және тыныш ішкі бөліктерінің жарық шығаруын тудыруы мүмкін. Фотонның импульсін, массаның болуының тікелей салдары, жарық қысымының көмегімен анықтауға болады. Ресейлік зерттеуші Лебедевтің тәжірибелері бұл таңғажайып фактіні сенімді түрде дәлелдеді.
Лебедев тәжірибесі
Орыс ғалымы Петр Николаевич Лебедев 1899 жылы мынадай тәжірибе жасады. Жіңішке күміс жіпке арқанды іліп қойды. Айқастың ұштарына ғалым бір заттың екі табақшасын бекітті. Бұл күміс фольга, алтын, тіпті слюда болды. Осылайша таразылардың бір түрі жасалды. Тек олар жоғарыдан басқан жүктің салмағын емес, әр пластинаның бүйірінен басатын жүктің салмағын өлшеген. Лебедев бұл құрылымды жел мен ауа тығыздығының кездейсоқ ауытқуы оған әсер етпеуі үшін шыны жамылғы астына қойды. Әрі қарай, мен оның қақпақ астында вакуум жасағанын жазғым келеді. Бірақ ол кезде тіпті орташа вакуумға қол жеткізу мүмкін емес еді. Демек, ол шыны жамылғысының астында өте сирек атмосфераны жасады деп айтамыз. Және бір тақтайшаны кезекпен жарықтандырып, екіншісін көлеңкеде қалдырды. Беттерге бағытталған жарық мөлшері алдын ала анықталған. Лебедев ауытқу бұрышынан жарықты пластинкаларға қандай импульс жіберетінін анықтады.
Сәуленің қалыпты түсуі кезіндегі электромагниттік сәулелену қысымын анықтауға арналған формулалар
Алдымен «қалыпты құлау» деген не екенін түсіндіріп алайық? Жарық әдетте бетке тікелей перпендикуляр бағытталған болса, оған түседі. Бұл мәселеге шектеулер қояды: беті мінсіз тегіс болуы керек, ал радиациялық сәуле өте дәл бағытталуы керек. Бұл жағдайда жарық қысымы мына формула бойынша есептеледі:
p=(1-k+ρ)I/c, қайда
k – өткізгіштік, ρ – шағылу коэффициенті, I – түсетін жарық сәулесінің қарқындылығы, c – вакуумдағы жарық жылдамдығы.
Бірақ, оқырман факторлардың мұндай тамаша үйлесімі жоқ екенін болжаған шығар. Тіпті идеалды бет ескерілмесе де, жарықтың түсуін қатаң перпендикуляр етіп ұйымдастыру өте қиын.
Формулаларбұрышқа түскен кездегі электромагниттік сәуленің қысымын анықтау
Жарықтың айна бетіндегі бұрыштағы қысымы вектор элементтері бар басқа формула арқылы есептеледі:
p=ω ((1-k)i+ρi’)себебі ϴ
p, i, i' мәндері векторлар. Бұл жағдайда алдыңғы формуладағыдай k және ρ сәйкесінше өткізу және шағылу коэффициенттері болып табылады. Жаңа мәндер мынаны білдіреді:
- ω – сәулелену энергиясының көлемдік тығыздығы;
- i және i' - түскен бағытты және шағылған жарық шоғын көрсететін бірлік векторлары (олар әсер етуші күштердің қосылуы керек бағыттарды белгілейді);
- ϴ - жарық сәулесі түсетін нормаға қатысты бұрыш (және сәйкесінше, бет шағылыстырылғандықтан шағылысады).
Оқырманға нормальдың бетке перпендикуляр екенін еске түсіріңіз, сондықтан мәселеге жарықтың бетке түсу бұрышы берілсе, онда ϴ берілген мәннен 90 градус минус болады.
Электромагниттік сәулелену қысымы құбылысын қолдану
Физиканы оқитын студентке көптеген формулалар, ұғымдар мен құбылыстар жалықтырады. Өйткені, әдетте, мұғалім теориялық аспектілерін айтады, бірақ кейбір құбылыстардың пайдасы туралы сирек мысалдар келтіре алады. Бұл үшін мектеп тәлімгерлерін кінәламай-ақ қояйық: олар бағдарлама бойынша өте шектеулі, сабақ барысында кең көлемде материал айтып, оқушылардың білімін тексеруге әлі де үлгеру керек.
Десе де, біздің зерттеу объектісі көпқызықты қолданбалар:
- Қазір өз оқу орнының зертханасында әрбір студент дерлік Лебедев тәжірибесін қайталай алады. Бірақ содан кейін эксперименттік деректердің теориялық есептеулермен сәйкес келуі нағыз серпіліс болды. 20% қателікпен алғаш рет жасалған эксперимент бүкіл әлем ғалымдарына физиканың жаңа саласын - кванттық оптиканы дамытуға мүмкіндік берді.
- Лазер импульсі арқылы жұқа қабықшаларды жеделдету арқылы жоғары энергиялы протондарды алу (мысалы, әртүрлі заттарды сәулелендіру үшін).
- Жерге жақын объектілердің, соның ішінде спутниктер мен ғарыш станцияларының бетіндегі Күннің электромагниттік сәулеленуінің қысымын ескере отырып, олардың орбитасын үлкен дәлдікпен түзетуге мүмкіндік береді және бұл құрылғылардың Жерге құлауын болдырмайды.
Жоғарыдағы қолданбалар қазір нақты әлемде бар. Бірақ әлі іске асырылмаған әлеуетті мүмкіндіктер де бар, өйткені адамзаттың технологиясы әлі қажетті деңгейге жете қойған жоқ. Олардың ішінде:
- Күн желкені. Оның көмегімен Жерге жақын және тіпті Күнге жақын кеңістікте айтарлықтай үлкен жүктерді жылжытуға болады. Жарық шамалы серпін береді, бірақ желкеннің бетінің дұрыс орналасуымен үдеу тұрақты болады. Үйкеліс болмаған жағдайда жылдамдықты арттырып, күн жүйесіндегі қажетті нүктеге жүкті жеткізу жеткілікті.
- Фотоникалы қозғалтқыш. Бұл технология, мүмкін, адамға өз жұлдызының тартымдылығын жеңіп, басқа әлемдерге ұшуға мүмкіндік береді. Күн желкенінен айырмашылығы жасанды түрде жасалған құрылғы, мысалы, термоядролық, күн импульстарын тудырады.қозғалтқыш.
