Aujourd'hui, nous allons consacrer une conversation à un phénomène tel que la légère pression. Considérez les prémisses de la découverte et les conséquences pour la science.
Lumière et couleur
Le mystère des capacités humaines inquiète les gens depuis l'Antiquité. Comment l'œil voit-il ? Pourquoi les couleurs existent-elles ? Quelle est la raison pour laquelle le monde est tel que nous le percevons ? Jusqu'où une personne peut-elle voir ? Des expériences de décomposition d'un rayon solaire en un spectre ont été réalisées par Newton au 17ème siècle. Il a également posé une base mathématique stricte pour un certain nombre de faits disparates connus à l'époque sur la lumière. Et la théorie newtonienne prédisait beaucoup: par exemple, des découvertes que seule la physique quantique expliquait (la déviation de la lumière dans un champ gravitationnel). Mais la physique de cette époque ne connaissait pas et ne comprenait pas la nature exacte de la lumière.
Onde ou particule
Depuis que les scientifiques du monde entier ont commencé à pénétrer l'essence de la lumière, il y a eu un débat: qu'est-ce qu'un rayonnement, une onde ou une particule (corpuscule) ? Certains faits (réfraction, réflexion et polarisation) ont confirmé la première théorie. Autres (propagation rectiligne en l'absence d'obstacles, légère pression) - la seconde. Cependant, seule la physique quantique a pu calmer cette dispute en combinant les deux versions en une seule.général. La théorie des ondes corpusculaires stipule que toute microparticule, y compris un photon, possède à la fois les propriétés d'une onde et d'une particule. Autrement dit, un quantum de lumière a des caractéristiques telles que la fréquence, l'amplitude et la longueur d'onde, ainsi que la quantité de mouvement et la masse. Faisons tout de suite une réservation: les photons n'ont pas de masse au repos. Étant un quantum du champ électromagnétique, ils ne transportent de l'énergie et de la masse que dans le processus de mouvement. C'est l'essence même du concept de "lumière". La physique l'a maintenant expliqué avec suffisamment de détails.
Longueur d'onde et énergie
Légèrement au-dessus, le concept d'"énergie des vagues" a été évoqué. Einstein a prouvé de manière convaincante que l'énergie et la masse sont des concepts identiques. Si un photon transporte de l'énergie, il doit avoir une masse. Or, un quantum de lumière est une particule « rusée »: lorsqu'un photon heurte un obstacle, il cède complètement son énergie à la matière, le devient et perd son essence individuelle. Dans le même temps, certaines circonstances (un fort chauffage, par exemple) peuvent faire en sorte que les intérieurs auparavant sombres et calmes des métaux et des gaz émettent de la lumière. La quantité de mouvement d'un photon, conséquence directe de la présence d'une masse, peut être déterminée à l'aide de la pression de la lumière. Les expériences de Lebedev, un chercheur russe, ont prouvé de manière convaincante ce fait étonnant.
L'expérience de Lebedev
Le scientifique russe Petr Nikolaevich Lebedev a réalisé en 1899 l'expérience suivante. À un mince fil d'argent, il accrocha une barre transversale. Aux extrémités de la barre transversale, le scientifique a attaché deux plaques de la même substance. C'étaient des feuilles d'argent, de l'or et même du mica. Ainsi, une sorte d'échelles a été créée. Seulement, ils ont mesuré le poids non pas de la charge qui appuie d'en haut, mais de la charge qui appuie de côté sur chacune des plaques. Lebedev a placé toute cette structure sous une couverture de verre afin que le vent et les fluctuations aléatoires de la densité de l'air ne puissent pas l'affecter. De plus, je voudrais écrire qu'il a créé un vide sous le couvercle. Mais à cette époque, même un vide moyen était impossible à réaliser. On dit donc qu'il a créé une atmosphère très raréfiée sous la verrière. Et alternativement illuminé une assiette, laissant l'autre dans l'ombre. La quantité de lumière dirigée vers les surfaces était prédéterminée. À partir de l'angle de déviation, Lebedev a déterminé quel élan transmettait la lumière aux plaques.
Formules pour déterminer la pression du rayonnement électromagnétique sous une incidence de faisceau normale
Expliquons d'abord ce qu'est une "chute normale" ? La lumière est incidente sur une surface normalement si elle est dirigée strictement perpendiculairement à la surface. Cela impose des restrictions au problème: la surface doit être parfaitement lisse et le faisceau de rayonnement doit être dirigé de manière très précise. Dans ce cas, la légère pression est calculée par la formule:
p=(1-k+ρ)I/c, où
k est la transmission, ρ est le coefficient de réflexion, I est l'intensité du faisceau lumineux incident, c est la vitesse de la lumière dans le vide.
Mais, probablement, le lecteur a déjà deviné qu'une telle combinaison idéale de facteurs n'existe pas. Même si la surface idéale n'est pas prise en compte, il est assez difficile d'organiser l'incidence de la lumière strictement perpendiculaire.
Formules pourdéterminer la pression du rayonnement électromagnétique lorsqu'il tombe sous un angle
La pression de la lumière sur une surface de miroir sous un angle est calculée à l'aide d'une formule différente qui contient déjà des éléments de vecteurs:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Les valeurs p, i, i' sont des vecteurs. Dans ce cas, k et ρ, comme dans la formule précédente, sont respectivement les coefficients de transmission et de réflexion. Les nouvelles valeurs signifient ce qui suit:
- ω – densité volumique de l'énergie de rayonnement;
- i et i’ sont des vecteurs unitaires qui indiquent la direction du faisceau lumineux incident et réfléchi (ils définissent les directions dans lesquelles les forces agissantes doivent être ajoutées);
- ϴ - angle par rapport à la normale auquel le rayon lumineux tombe (et, par conséquent, est réfléchi, puisque la surface est réfléchie).
Rappelez au lecteur que la normale est perpendiculaire à la surface, donc si le problème est donné l'angle d'incidence de la lumière sur la surface, alors ϴ est de 90 degrés moins la valeur donnée.
Application du phénomène de pression de rayonnement électromagnétique
Un étudiant qui étudie la physique trouve de nombreuses formules, concepts et phénomènes ennuyeux. Parce que, en règle générale, l'enseignant raconte les aspects théoriques, mais peut rarement donner des exemples des avantages de certains phénomènes. Ne blâmons pas les mentors de l'école pour cela: ils sont très limités par le programme, pendant la leçon, vous devez raconter une matière importante et avoir encore le temps de vérifier les connaissances des élèves.
Néanmoins, l'objet de notre étude a beaucoupapplications intéressantes:
- Maintenant, presque tous les étudiants du laboratoire de son établissement d'enseignement peuvent répéter l'expérience de Lebedev. Mais la coïncidence des données expérimentales avec les calculs théoriques a été une véritable avancée. L'expérience, réalisée pour la première fois avec une erreur de 20 %, a permis aux scientifiques du monde entier de développer une nouvelle branche de la physique: l'optique quantique.
- Production de protons à haute énergie (par exemple, pour l'irradiation de diverses substances) en accélérant des couches minces avec une impulsion laser.
- La prise en compte de la pression du rayonnement électromagnétique du Soleil sur la surface des objets proches de la Terre, y compris les satellites et les stations spatiales, vous permet de corriger leur orbite avec une plus grande précision et empêche ces appareils de tomber sur Terre.
Les applications ci-dessus existent maintenant dans le monde réel. Mais il existe également des opportunités potentielles qui n'ont pas encore été réalisées, car la technologie de l'humanité n'a pas encore atteint le niveau requis. Parmi eux:
- Voile solaire. Avec son aide, il serait possible de déplacer des charges assez importantes dans l'espace proche de la Terre et même proche du Soleil. La lumière donne une petite impulsion, mais avec la bonne position de la surface de la voile, l'accélération serait constante. En l'absence de friction, il suffit de gagner en vitesse et de livrer des marchandises au point souhaité du système solaire.
- Moteur photonique. Cette technologie permettra peut-être à une personne de surmonter l'attraction de sa propre étoile et de s'envoler vers d'autres mondes. La différence avec une voile solaire est qu'un appareil créé artificiellement, par exemple un appareil thermonucléaire, générera des impulsions solaires.moteur.
