Aujourd'hui, nous allons parler de l'expérience de Lebedev pour prouver la pression des photons lumineux. Nous vous dévoilerons l'importance de cette découverte et le contexte qui y a mené.
La connaissance est la curiosité
Il y a deux points de vue sur le phénomène de la curiosité. L'un est exprimé par le dicton "le nez du curieux Varvara a été arraché au marché", et l'autre - par le dicton "la curiosité n'est pas un vice". Ce paradoxe est facilement résolu si l'on distingue les domaines dans lesquels l'intérêt n'est pas le bienvenu ou, au contraire, est nécessaire.
Johannes Kepler n'est pas né pour devenir scientifique: son père a combattu pendant la guerre et sa mère tenait une taverne. Mais il avait des capacités extraordinaires et, bien sûr, était curieux. De plus, Kepler souffrait d'une grave déficience visuelle. Mais c'est lui qui a fait des découvertes, grâce auxquelles la science et le monde entier sont là où ils sont maintenant. Johannes Kepler est célèbre pour avoir clarifié le système planétaire de Copernic, mais aujourd'hui, nous allons parler d'autres réalisations du scientifique.
Inertie et longueur d'onde: un héritage médiéval
Il y a cinquante mille ans, les mathématiques et la physique appartenaient à la section "Art". Par conséquent, Copernic était engagé dans la mécanique du mouvement des corps (y compris les corps célestes), l'optique et la gravité. C'est lui qui a prouvé l'existence de l'inertie. De la conclusionCe scientifique a développé la mécanique moderne, le concept des interactions des corps, la science de l'échange des vitesses des objets en contact. Copernic a également développé un système harmonieux d'optique linéaire.
Il a introduit des concepts tels que:
- "réfraction de la lumière";
- "réfraction";
- "axe optique";
- "réflexion interne totale";
- "illumination".
Et ses recherches ont finalement prouvé la nature ondulatoire de la lumière et ont conduit à l'expérience de Lebedev sur la mesure de la pression des photons.
Propriétés quantiques de la lumière
Tout d'abord, il convient de définir l'essence de la lumière et de parler de ce qu'elle est. Un photon est un quantum d'un champ électromagnétique. C'est un paquet d'énergie qui se déplace dans l'espace dans son ensemble. Vous ne pouvez pas "extraire" un peu d'énergie d'un photon, mais il peut être transformé. Par exemple, si la lumière est absorbée par une substance, alors à l'intérieur du corps son énergie est capable de subir des changements et de renvoyer un photon avec une énergie différente. Mais formellement, ce ne sera pas le même quantum de lumière qui a été absorbé.
Un exemple de ceci serait une boule de métal solide. Si un morceau de matière est arraché de sa surface, sa forme changera, il cessera d'être sphérique. Mais si vous faites fondre l'objet entier, prenez du métal liquide, puis créez une boule plus petite à partir des restes, alors ce sera à nouveau une sphère, mais différente, pas la même qu'avant.
Propriétés ondulatoires de la lumière
Les photons ont les propriétés d'une onde. Les paramètres de base sont:
- longueur d'onde (caractère l'espace);
- fréquence (caractèreheure);
- amplitude (caractère la force de l'oscillation).
Cependant, en tant que quantum d'un champ électromagnétique, un photon a également une direction de propagation (appelée vecteur d'onde). De plus, le vecteur d'amplitude est capable de tourner autour du vecteur d'onde et de créer une polarisation d'onde. Avec l'émission simultanée de plusieurs photons, la phase, ou plutôt la différence de phase, devient également un facteur important. Rappelez-vous que la phase est la partie de l'oscillation que le front d'onde a à un moment donné (montée, maximum, descente ou minimum).
Masse et énergie
Comme Einstein l'a prouvé avec esprit, la masse est l'énergie. Mais dans chaque cas particulier, la recherche d'une loi selon laquelle une valeur se transforme en une autre peut être difficile. Toutes les caractéristiques d'onde de lumière ci-dessus sont étroitement liées à l'énergie. A savoir: augmenter la longueur d'onde et diminuer la fréquence signifie moins d'énergie. Mais puisqu'il y a de l'énergie, alors le photon doit avoir une masse, donc il doit y avoir une légère pression.
Structure d'expérience
Cependant, comme les photons sont très petits, leur masse devrait également être petite. Construire un appareil capable de le déterminer avec une précision suffisante était une tâche technique difficile. Le scientifique russe Lebedev Petr Nikolaevich a été le premier à y faire face.
L'expérience elle-même était basée sur la conception des poids qui déterminaient le moment de torsion. Une barre transversale était accrochée à un fil d'argent. Attachées à ses extrémités étaient des plaques minces identiques de diversmatériaux. Le plus souvent, des métaux (argent, or, nickel) ont été utilisés dans l'expérience de Lebedev, mais il y avait aussi du mica. L'ensemble de la structure a été placé dans un récipient en verre, dans lequel un vide a été créé. Après cela, une plaque a été éclairée, tandis que l'autre est restée dans l'ombre. L'expérience de Lebedev a prouvé que l'éclairage d'un côté conduit au fait que les écailles commencent à tourner. Selon l'angle de déviation, le scientifique a jugé la force de la lumière.
Vivre des difficultés
Au début du XXe siècle, il était difficile de mettre en place une expérience suffisamment précise. Chaque physicien savait créer le vide, travailler le verre et polir les surfaces. En fait, la connaissance a été obtenue manuellement. À cette époque, il n'y avait pas de grandes entreprises qui produiraient l'équipement nécessaire en centaines de pièces. L'appareil de Lebedev a été créé à la main, le scientifique a donc dû faire face à un certain nombre de difficultés.
Le vide à cette époque n'était même pas moyen. Le scientifique a pompé l'air sous un capuchon en verre avec une pompe spéciale. Mais l'expérience s'est déroulée au mieux dans une atmosphère raréfiée. Il était difficile de séparer la pression de la lumière (transfert d'impulsions) de l'échauffement de la face éclairée de l'appareil: le principal obstacle était la présence de gaz. Si l'expérience était réalisée dans un vide profond, il n'y aurait pas de molécules dont le mouvement brownien du côté éclairé serait plus fort.
La sensibilité de l'angle de déviation laissait beaucoup à désirer. Les viseurs à vis modernes peuvent mesurer des angles jusqu'au millionième de radian. Au début du XIXe siècle, l'échelle se voyait à l'œil nu. Techniquele temps n'a pas pu fournir un poids et une taille identiques des assiettes. Ceci, à son tour, rendait impossible la répartition uniforme de la masse, ce qui créait également des difficultés pour déterminer le couple.
L'isolation et la structure du fil affectent grandement le résultat. Si une extrémité de la pièce métallique était plus chauffée pour une raison quelconque (c'est ce qu'on appelle un gradient de température), le fil pourrait commencer à se tordre sans légère pression. Malgré le fait que l'appareil de Lebedev était assez simple et donnait une grande erreur, le fait du transfert d'impulsion par les photons de lumière a été confirmé.
Forme des plaques d'éclairage
La section précédente a énuméré de nombreuses difficultés techniques qui existaient dans l'expérience, mais n'ont pas affecté l'essentiel - la lumière. Purement théoriquement, on imagine qu'un faisceau de rayons monochromatiques tombe sur la plaque, qui sont strictement parallèles entre eux. Mais au début du XXe siècle, la source de lumière était le soleil, des bougies et de simples lampes à incandescence. Pour rendre le faisceau de rayons parallèle, des systèmes de lentilles complexes ont été construits. Et dans ce cas, la courbe d'intensité lumineuse de la source était le facteur le plus important.
En cours de physique, on dit souvent que les rayons proviennent d'un point. Mais les vrais générateurs de lumière ont certaines dimensions. De plus, le milieu d'un filament peut émettre plus de photons que les bords. En conséquence, la lampe éclaire mieux certaines zones autour d'elle que d'autres. La ligne qui fait le tour de tout l'espace avec le même éclairement d'une source donnée s'appelle la courbe d'intensité lumineuse.
Lune de sang et éclipse partielle
Les romans de vampires regorgent de terribles transformations qui arrivent aux gens et à la nature dans la lune de sang. Mais il ne dit pas que ce phénomène ne doit pas être craint. Parce que c'est le résultat de la grande taille du Soleil. Le diamètre de notre étoile centrale est d'environ 110 diamètres terrestres. Dans le même temps, les photons émis de part et d'autre du disque visible atteignent la surface de la planète. Ainsi, lorsque la Lune tombe dans la pénombre de la Terre, elle n'est pas complètement obscurcie, mais, pour ainsi dire, devient rouge. L'atmosphère de la planète est également à blâmer pour cette nuance: elle absorbe toutes les longueurs d'onde visibles, à l'exception des oranges. N'oubliez pas que le Soleil devient également rouge au coucher du soleil, et tout cela précisément parce qu'il traverse une couche plus épaisse de l'atmosphère.
Comment se forme la couche d'ozone de la Terre ?
Un lecteur méticuleux peut se demander: "Quel est le rapport entre la pression de la lumière et les expériences de Lebedev ?" L'effet chimique de la lumière, soit dit en passant, est également dû au fait que le photon porte une quantité de mouvement. A savoir, ce phénomène est responsable de certaines couches de l'atmosphère de la planète.
Comme vous le savez, notre océan atmosphérique absorbe principalement la composante ultraviolette de la lumière solaire. De plus, la vie sous une forme connue serait impossible si la surface rocheuse de la terre était baignée de lumière ultraviolette. Mais à une altitude d'environ 100 km, l'atmosphère n'est pas encore assez épaisse pour tout absorber. Et les ultraviolets ont la possibilité d'interagir directement avec l'oxygène. Il décompose les molécules O2 enatomes libres et favorise leur combinaison en une autre modification - O3. Dans sa forme pure, ce gaz est mortel. C'est pourquoi il est utilisé pour désinfecter l'air, l'eau, les vêtements. Mais en tant que partie de l'atmosphère terrestre, il protège tous les êtres vivants des effets des rayonnements nocifs, car la couche d'ozone absorbe très efficacement les quanta du champ électromagnétique avec des énergies supérieures au spectre visible.
