Hoje falaremos sobre o experimento de Lebedev em provar a pressão dos fótons de luz. Vamos revelar a importância dessa descoberta e os antecedentes que levaram a ela.
Conhecimento é curiosidade
Existem dois pontos de vista sobre o fenômeno da curiosidade. Um é expresso pelo ditado "o nariz do curioso Varvara foi arrancado no mercado", e o outro - pelo ditado "a curiosidade não é um vício". Este paradoxo é facilmente resolvido se distinguirmos entre áreas em que o interesse não é bem-vindo ou, ao contrário, é necessário.
Johannes Kepler não nasceu para se tornar um cientista: seu pai lutou na guerra e sua mãe mantinha uma taverna. Mas ele tinha habilidades extraordinárias e, claro, era curioso. Além disso, Kepler sofria de uma deficiência visual grave. Mas foi ele quem fez as descobertas, graças às quais a ciência e o mundo inteiro estão onde estão agora. Johannes Kepler é famoso por esclarecer o sistema planetário de Copérnico, mas hoje falaremos sobre outras realizações do cientista.
Inércia e comprimento de onda: um legado medieval
Cinquenta mil anos atrás, matemática e física pertenciam à seção "Arte". Portanto, Copérnico estava envolvido na mecânica do movimento dos corpos (incluindo os celestes), da ótica e da gravidade. Foi ele quem provou a existência da inércia. Das conclusõesEste cientista desenvolveu a mecânica moderna, o conceito das interações dos corpos, a ciência da troca de velocidades de objetos em contato. Copérnico também desenvolveu um sistema harmonioso de óptica linear.
Ele introduziu conceitos como:
- "refração da luz";
- "refração";
- "eixo óptico";
- "reflexão interna total";
- "iluminação".
E sua pesquisa eventualmente provou a natureza ondulatória da luz e levou ao experimento de Lebedev na medição da pressão dos fótons.
Propriedades quânticas da luz
Em primeiro lugar, vale a pena definir a essência da luz e falar sobre o que ela é. Um fóton é um quantum de um campo eletromagnético. É um pacote de energia que se move através do espaço como um todo. Você não pode "arrancar" um pouco de energia de um fóton, mas pode ser transformado. Por exemplo, se a luz é absorvida por uma substância, então dentro do corpo sua energia é capaz de sofrer mudanças e emitir de volta um fóton com uma energia diferente. Mas formalmente, este não será o mesmo quantum de luz que foi absorvido.
Um exemplo disso seria uma bola de metal sólida. Se um pedaço de matéria for arrancado de sua superfície, a forma mudará, deixará de ser esférica. Mas se você derreter todo o objeto, pegar um pouco de metal líquido e criar uma bola menor com os restos, então ela será novamente uma esfera, mas diferente, não a mesma de antes.
Propriedades de onda da luz
Os fótons têm as propriedades de uma onda. Os parâmetros básicos são:
- comprimento de onda (caracteriza o espaço);
- frequência (caracterizatempo);
- amplitude (caracteriza a força da oscilação).
No entanto, como um quantum de um campo eletromagnético, um fóton também tem uma direção de propagação (indicada como um vetor de onda). Além disso, o vetor de amplitude é capaz de girar em torno do vetor de onda e criar polarização de onda. Com a emissão simultânea de vários fótons, a fase, ou melhor, a diferença de fase, também se torna um fator importante. Lembre-se que a fase é aquela parte da oscilação que a frente de onda tem em um determinado momento (subida, máxima, descida ou mínima).
Massa e energia
Como Einstein provou com inteligência, massa é energia. Mas em cada caso específico, a busca de uma lei segundo a qual um valor se transforme em outro pode ser difícil. Todas as características de onda da luz acima estão intimamente relacionadas à energia. Ou seja: aumentar o comprimento de onda e diminuir a frequência significa menos energia. Mas como há energia, então o fóton deve ter massa, portanto, deve haver pressão leve.
Estrutura de experiência
No entanto, como os fótons são muito pequenos, sua massa também deve ser pequena. Construir um dispositivo que pudesse determiná-lo com precisão suficiente era uma tarefa técnica difícil. O cientista russo Lebedev Petr Nikolaevich foi o primeiro a lidar com isso.
O experimento em si foi baseado no desenho dos pesos que determinavam o momento de torção. Uma barra transversal estava pendurada em um fio de prata. Anexadas às suas extremidades estavam placas finas idênticas de váriosmateriais. Na maioria das vezes, metais (prata, ouro, níquel) foram usados no experimento de Lebedev, mas também havia mica. Toda a estrutura foi colocada em um recipiente de vidro, no qual foi criado um vácuo. Depois disso, uma placa foi iluminada, enquanto a outra permaneceu na sombra. A experiência de Lebedev provou que a iluminação de um lado leva ao fato de que a balança começa a girar. De acordo com o ângulo de desvio, o cientista julgou a força da luz.
Experimente dificuldades
No início do século XX, era difícil montar um experimento suficientemente preciso. Todo físico sabia criar vácuo, trabalhar com vidro e polir superfícies. Na verdade, o conhecimento foi obtido manualmente. Naquela época, não havia grandes corporações que produzissem os equipamentos necessários em centenas de peças. O dispositivo de Lebedev foi criado à mão, então o cientista enfrentou várias dificuldades.
O vácuo naquela época não era nem mediano. O cientista bombeou ar sob uma tampa de vidro com uma bomba especial. Mas o experimento ocorreu na melhor das hipóteses em uma atmosfera rarefeita. Era difícil separar a pressão da luz (transferência de impulso) do aquecimento do lado iluminado do aparelho: o principal obstáculo era a presença de gás. Se o experimento fosse realizado em um vácuo profundo, então não haveria moléculas cujo movimento browniano no lado iluminado seria mais forte.
A sensibilidade do ângulo de deflexão deixou muito a desejar. Os localizadores de parafusos modernos podem medir ângulos de até milionésimos de radiano. No início do século XIX, a escala podia ser vista a olho nu. Técnicatempo não poderia fornecer peso e tamanho idênticos das placas. Isso, por sua vez, impossibilitou a distribuição uniforme da massa, o que também criou dificuldades na determinação do torque.
O isolamento e a estrutura da rosca afetam muito o resultado. Se uma extremidade da peça de metal for aquecida mais por algum motivo (isso é chamado de gradiente de temperatura), o fio poderá começar a torcer sem uma leve pressão. Apesar do dispositivo de Lebedev ser bastante simples e apresentar um grande erro, o fato da transferência de momento por fótons de luz foi confirmado.
Forma das placas de iluminação
A seção anterior listou muitas dificuldades técnicas que existiam no experimento, mas não afetaram o principal - a luz. De forma puramente teórica, imaginamos que um feixe de raios monocromáticos incide sobre a placa, que são estritamente paralelas entre si. Mas no início do século XX, a fonte de luz era o sol, velas e simples lâmpadas incandescentes. Para tornar o feixe de raios paralelo, foram construídos complexos sistemas de lentes. E neste caso, a curva de intensidade luminosa da fonte foi o fator mais importante.
Nas aulas de física costuma-se dizer que os raios vêm de um ponto. Mas geradores de luz reais têm certas dimensões. Além disso, o meio de um filamento pode emitir mais fótons do que as bordas. Como resultado, a lâmpada ilumina algumas áreas ao seu redor melhor do que outras. A linha que circunda todo o espaço com a mesma iluminação de uma determinada fonte é chamada de curva de intensidade luminosa.
Lua de sangue e eclipse parcial
Os romances de vampiros estão repletos de terríveis transformações que acontecem às pessoas e à natureza na lua de sangue. Mas não diz que esse fenômeno não deve ser temido. Porque é o resultado do grande tamanho do Sol. O diâmetro da nossa estrela central é de aproximadamente 110 diâmetros terrestres. Ao mesmo tempo, os fótons emitidos por uma e outra borda do disco visível atingem a superfície do planeta. Assim, quando a Lua cai na penumbra da Terra, ela não fica completamente obscurecida, mas, por assim dizer, fica vermelha. A atmosfera do planeta também é responsável por essa tonalidade: ela absorve todos os comprimentos de onda visíveis, exceto os laranjas. Lembre-se, o Sol também fica vermelho ao pôr do sol, e tudo precisamente porque passa por uma camada mais espessa da atmosfera.
Como é criada a camada de ozônio da Terra?
Um leitor meticuloso pode perguntar: "O que a pressão da luz tem a ver com os experimentos de Lebedev?" O efeito químico da luz, aliás, também se deve ao fato de o fóton carregar momento. Ou seja, esse fenômeno é responsável por algumas camadas da atmosfera do planeta.
Como você sabe, nosso oceano de ar absorve principalmente o componente ultravioleta da luz solar. Além disso, a vida em uma forma conhecida seria impossível se a superfície rochosa da Terra fosse banhada em luz ultravioleta. Mas a uma altitude de cerca de 100 km, a atmosfera ainda não é espessa o suficiente para absorver tudo. E o ultravioleta tem a oportunidade de interagir diretamente com o oxigênio. Ele quebra as moléculas O2 emátomos livres e promove sua combinação em outra modificação - O3. Em sua forma pura, esse gás é mortal. É por isso que é usado para desinfetar o ar, a água, as roupas. Mas, como parte da atmosfera terrestre, protege todos os seres vivos dos efeitos da radiação nociva, porque a camada de ozônio absorve de forma muito eficaz os quanta do campo eletromagnético com energias acima do espectro visível.
