Hoje vamos dedicar uma conversa a um fenômeno como a pressão leve. Considere as premissas da descoberta e as consequências para a ciência.
Luz e cor
O mistério das habilidades humanas tem preocupado as pessoas desde os tempos antigos. Como o olho vê? Por que as cores existem? Qual é a razão pela qual o mundo é como o percebemos? Até onde uma pessoa pode ver? Experimentos com a decomposição de um raio solar em um espectro foram realizados por Newton no século XVII. Ele também estabeleceu uma base matemática estrita para uma série de fatos díspares que naquela época eram conhecidos sobre a luz. E a teoria newtoniana previu muito: por exemplo, descobertas que apenas a física quântica explicava (a deflexão da luz em um campo gravitacional). Mas a física daquela época não sabia e não entendia a natureza exata da luz.
Onda ou partícula
Desde que cientistas de todo o mundo começaram a penetrar na essência da luz, tem havido um debate: o que é radiação, uma onda ou uma partícula (corpúsculo)? Alguns fatos (refração, reflexão e polarização) confirmaram a primeira teoria. Outros (propagação retilínea na ausência de obstáculos, pressão leve) - o segundo. No entanto, apenas a física quântica foi capaz de acalmar essa disputa combinando as duas versões em uma.em geral. A teoria da onda corpuscular afirma que qualquer micropartícula, incluindo um fóton, tem as propriedades de uma onda e de uma partícula. Ou seja, um quantum de luz tem características como frequência, amplitude e comprimento de onda, assim como momento e massa. Vamos fazer uma reserva imediatamente: os fótons não têm massa de repouso. Sendo um quantum do campo eletromagnético, eles carregam energia e massa apenas no processo de movimento. Esta é a essência do conceito de "luz". A física já explicou com detalhes suficientes.
Comprimento de onda e energia
Um pouco acima do conceito de "energia das ondas" foi mencionado. Einstein provou de forma convincente que energia e massa são conceitos idênticos. Se um fóton carrega energia, ele deve ter massa. No entanto, um quantum de luz é uma partícula “astuta”: quando um fóton colide com um obstáculo, ele cede completamente sua energia à matéria, torna-se ela e perde sua essência individual. Ao mesmo tempo, certas circunstâncias (forte aquecimento, por exemplo) podem fazer com que os interiores anteriormente escuros e calmos de metais e gases emitam luz. O momento de um fóton, uma consequência direta da presença de massa, pode ser determinado usando a pressão da luz. Os experimentos de Lebedev, um pesquisador da Rússia, provaram de forma convincente esse fato surpreendente.
Experiência de Lebedev
O cientista russo Petr Nikolaevich Lebedev em 1899 fez o seguinte experimento. Em um fino fio de prata ele pendurou uma barra transversal. Nas extremidades da barra, o cientista prendeu duas placas da mesma substância. Eram folha de prata, ouro e até mica. Assim, uma espécie de escalas foi criada. Só que eles mediram o peso não da carga que pressiona de cima, mas da carga que pressiona de lado em cada uma das placas. Lebedev colocou toda essa estrutura sob uma cobertura de vidro para que o vento e as flutuações aleatórias na densidade do ar não pudessem afetá-la. Além disso, gostaria de escrever que ele criou um vácuo sob a tampa. Mas naquela época, mesmo um vácuo médio era impossível de alcançar. Então dizemos que ele criou uma atmosfera muito rarefeita sob a tampa de vidro. E iluminou alternadamente uma placa, deixando a outra na sombra. A quantidade de luz direcionada para as superfícies foi predeterminada. A partir do ângulo de deflexão, Lebedev determinou qual momento transmitiu a luz para as placas.
Fórmulas para determinar a pressão da radiação eletromagnética na incidência normal do feixe
Vamos primeiro explicar o que é uma "queda normal"? A luz incide sobre uma superfície normalmente se for direcionada estritamente perpendicularmente à superfície. Isso impõe restrições ao problema: a superfície deve ser perfeitamente lisa e o feixe de radiação deve ser direcionado com muita precisão. Neste caso, a pressão leve é calculada pela fórmula:
p=(1-k+ρ)I/c, onde
k é a transmitância, ρ é o coeficiente de reflexão, I é a intensidade do feixe de luz incidente, c é a velocidade da luz no vácuo.
Mas, provavelmente, o leitor já adivinhou que tal combinação ideal de fatores não existe. Mesmo que a superfície ideal não seja levada em consideração, é bastante difícil organizar a incidência de luz estritamente perpendicular.
Fórmulas paradeterminar a pressão da radiação eletromagnética quando ela cai em um ângulo
A pressão da luz em uma superfície de espelho em um ângulo é calculada usando uma fórmula diferente que já contém elementos de vetores:
p=ω ((1-k)i+ρi')cos ϴ
Os valores p, i, i' são vetores. Neste caso, k e ρ, como na fórmula anterior, são os coeficientes de transmissão e reflexão, respectivamente. Os novos valores significam o seguinte:
- ω – densidade de volume da energia de radiação;
- i e i’ são vetores unitários que mostram a direção do feixe de luz incidente e refletido (eles definem as direções em que as forças atuantes devem ser somadas);
- ϴ - ângulo da normal em que o raio de luz incide (e, portanto, é refletido, pois a superfície é espelhada).
Lembre ao leitor que a normal é perpendicular à superfície, então se o problema for o ângulo de incidência da luz na superfície, então ϴ é 90 graus menos o valor dado.
Aplicação do fenômeno de pressão de radiação eletromagnética
Um estudante que estuda física acha muitas fórmulas, conceitos e fenômenos chatos. Porque, via de regra, o professor conta os aspectos teóricos, mas raramente consegue dar exemplos dos benefícios de determinados fenômenos. Não vamos culpar os mentores da escola por isso: eles são muito limitados pelo programa, durante a aula você precisa contar um material extenso e ainda ter tempo de verificar o conhecimento dos alunos.
No entanto, o objeto de nosso estudo tem muitoaplicações interessantes:
- Agora quase todos os alunos do laboratório de sua instituição de ensino podem repetir o experimento de Lebedev. Mas então a coincidência de dados experimentais com cálculos teóricos foi um verdadeiro avanço. O experimento, feito pela primeira vez com um erro de 20%, permitiu que cientistas de todo o mundo desenvolvessem um novo ramo da física - a óptica quântica.
- Produção de prótons de alta energia (por exemplo, para irradiação de várias substâncias) pela aceleração de filmes finos com um pulso de laser.
- Tendo em conta a pressão da radiação eletromagnética do Sol na superfície de objetos próximos da Terra, incluindo satélites e estações espaciais, permite corrigir sua órbita com maior precisão e evitar que esses dispositivos caiam na Terra.
As aplicações acima existem agora no mundo real. Mas também existem oportunidades potenciais que ainda não foram realizadas, porque a tecnologia da humanidade ainda não atingiu o nível necessário. Entre eles:
- Vela solar. Com sua ajuda, seria possível mover cargas bastante grandes no espaço próximo à Terra e até próximo ao solar. A luz dá um pequeno impulso, mas com a posição correta da superfície da vela, a aceleração seria constante. Na ausência de atrito, basta ganhar velocidade e entregar mercadorias no ponto desejado do sistema solar.
- Motor fotônico. Essa tecnologia, talvez, permita que uma pessoa supere a atração de sua própria estrela e voe para outros mundos. A diferença de uma vela solar é que um dispositivo criado artificialmente, por exemplo, um termonuclear, gerará pulsos solares.motor.
