დღეს ჩვენ მივუძღვნით საუბარს ისეთ ფენომენს, როგორიცაა მსუბუქი წნევა. განვიხილოთ აღმოჩენის საფუძველი და შედეგები მეცნიერებისთვის.
სინათლე და ფერი
ადამიანის შესაძლებლობების საიდუმლო უძველესი დროიდან აწუხებდა ადამიანებს. როგორ ხედავს თვალი? რატომ არსებობს ფერები? რა არის იმის მიზეზი, რომ სამყარო ისეთია, როგორც ჩვენ აღვიქვამთ მას? რამდენად შორს ხედავს ადამიანს? მზის სხივების სპექტრად დაშლის ექსპერიმენტები ჩაატარა ნიუტონმა მე-17 საუკუნეში. მან ასევე მკაცრი მათემატიკური საფუძველი ჩაუყარა უამრავ განსხვავებულ ფაქტს, რომლებიც იმ დროს ცნობილი იყო სინათლის შესახებ. ნიუტონის თეორიამ კი ბევრი რამ იწინასწარმეტყველა: მაგალითად, აღმოჩენები, რომლებსაც მხოლოდ კვანტური ფიზიკა ხსნიდა (სინათლის გადახრა გრავიტაციულ ველში). მაგრამ იმდროინდელმა ფიზიკამ არ იცოდა და არ ესმოდა სინათლის ზუსტი ბუნება.
ტალღა ან ნაწილაკი
მას შემდეგ, რაც მთელ მსოფლიოში მეცნიერებმა დაიწყეს შეღწევა სინათლის არსში, მიმდინარეობს დებატები: რა არის რადიაცია, ტალღა თუ ნაწილაკი (კორპუსკულა)? ზოგიერთმა ფაქტმა (რეფრაქცია, ასახვა და პოლარიზაცია) დაადასტურა პირველი თეორია. სხვები (სწორხაზოვანი გავრცელება დაბრკოლებების არარსებობის შემთხვევაში, მსუბუქი წნევა) - მეორე. თუმცა, მხოლოდ კვანტურმა ფიზიკამ შეძლო ამ დავის დამშვიდება ორი ვერსიის ერთში გაერთიანებით.გენერალი. კორპუსკულური ტალღის თეორია ამბობს, რომ ნებისმიერ მიკრონაწილაკს, ფოტონის ჩათვლით, აქვს როგორც ტალღის, ასევე ნაწილაკების თვისებები. ანუ, სინათლის კვანტს აქვს ისეთი მახასიათებლები, როგორიცაა სიხშირე, ამპლიტუდა და ტალღის სიგრძე, ისევე როგორც იმპულსი და მასა. მოდით დაუყოვნებლივ გავაკეთოთ დათქმა: ფოტონებს არ აქვთ მოსვენების მასა. როგორც ელექტრომაგნიტური ველის კვანტი, ისინი ატარებენ ენერგიას და მასას მხოლოდ მოძრაობის პროცესში. ეს არის "სინათლის" კონცეფციის არსი. ფიზიკამ ეს უკვე საკმარისად დეტალურად ახსნა.
ტალღის სიგრძე და ენერგია
ოდნავ ზემოთ იყო ნახსენები "ტალღის ენერგიის" კონცეფცია. აინშტაინმა დამაჯერებლად დაამტკიცა, რომ ენერგია და მასა იდენტური ცნებებია. თუ ფოტონი ატარებს ენერგიას, მას უნდა ჰქონდეს მასა. თუმცა, სინათლის კვანტური არის "მზაკვრული" ნაწილაკი: როდესაც ფოტონი ეჯახება დაბრკოლებას, ის მთლიანად უთმობს თავის ენერგიას მატერიას, ხდება იგი და კარგავს თავის ინდივიდუალურ არსს. ამავდროულად, გარკვეულმა გარემოებებმა (მაგალითად, ძლიერმა გათბობამ) შეიძლება გამოიწვიოს ლითონებისა და გაზების ადრე ბნელი და მშვიდი ინტერიერის გამოსხივება. ფოტონის იმპულსი, მასის არსებობის პირდაპირი შედეგი, შეიძლება განისაზღვროს სინათლის წნევის გამოყენებით. რუსეთიდან მკვლევარის ლებედევის ექსპერიმენტებმა დამაჯერებლად დაამტკიცა ეს საოცარი ფაქტი.
ლებედევის ექსპერიმენტი
რუსმა მეცნიერმა პეტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევმა 1899 წელს ჩაატარა შემდეგი ექსპერიმენტი. ვერცხლის თხელ ძაფზე დაკიდა ჯვარი. ჯვრის ზოლის ბოლოებზე მეცნიერმა ერთი და იგივე ნივთიერების ორი ფირფიტა მიამაგრა. ეს იყო ვერცხლის ფოლგა, ოქრო და თუნდაც მიკა. ამრიგად, შეიქმნა ერთგვარი სასწორები.მხოლოდ მათ გაზომეს არა ტვირთის წონა, რომელიც ზემოდან დაჭერს, არამედ იმ ტვირთს, რომელიც გვერდიდან აჭერს თითოეულ ფირფიტას. ლებედევმა მთელი ეს სტრუქტურა შუშის საფარის ქვეშ მოათავსა, რათა ქარმა და ჰაერის სიმკვრივის შემთხვევითმა რყევებმა მასზე გავლენა არ მოახდინოს. გარდა ამისა, მინდა დავწერო, რომ მან შექმნა ვაკუუმი სახურავის ქვეშ. მაგრამ იმ დროს საშუალო ვაკუუმის მიღწევაც კი შეუძლებელი იყო. ასე რომ, ჩვენ ვამბობთ, რომ მან შექმნა ძალიან იშვიათი ატმოსფერო მინის საფარის ქვეშ. და მონაცვლეობით ანათებდა ერთ ფირფიტას, ტოვებდა მეორეს ჩრდილში. ზედაპირებზე მიმართული სინათლის რაოდენობა წინასწარ იყო განსაზღვრული. გადახრის კუთხიდან ლებედევმა განსაზღვრა, თუ რა იმპულსი გადასცა სინათლე ფირფიტებს.
ფორმულები ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის დასადგენად სხივის ნორმალურ დაცემაზე
მოდი ჯერ ავხსნათ რა არის "ნორმალური დაცემა"? სინათლე ჩვეულებრივ ეცემა ზედაპირზე, თუ ის მიმართულია ზედაპირზე მკაცრად პერპენდიკულურად. ეს აწესებს შეზღუდვებს პრობლემაზე: ზედაპირი უნდა იყოს იდეალურად გლუვი, ხოლო რადიაციული სხივი ძალიან ზუსტად უნდა იყოს მიმართული. ამ შემთხვევაში სინათლის წნევა გამოითვლება ფორმულით:
p=(1-k+ρ)I/c, სად
k არის გამტარობა, ρ არის ასახვის კოეფიციენტი, I არის ინტენსივობა ჩავარდნილი სინათლის სხივის, c არის სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში.
მაგრამ, ალბათ, მკითხველმა უკვე მიხვდა, რომ ფაქტორების ასეთი იდეალური კომბინაცია არ არსებობს. მაშინაც კი, თუ იდეალური ზედაპირი არ არის გათვალისწინებული, საკმაოდ რთულია სინათლის დაცემის მკაცრად პერპენდიკულურად ორგანიზება.
ფორმულები ამისთვისელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის განსაზღვრა, როდესაც ის ეცემა კუთხით
სინათლის წნევა სარკის ზედაპირზე კუთხით გამოითვლება სხვა ფორმულის გამოყენებით, რომელიც უკვე შეიცავს ვექტორების ელემენტებს:
p=ω ((1-k)i+ρi')cos ϴ
მნიშვნელობები p, i, i' არის ვექტორები. ამ შემთხვევაში, k და ρ, როგორც წინა ფორმულაში, არის გადაცემის და ასახვის კოეფიციენტები, შესაბამისად. ახალი მნიშვნელობები ნიშნავს შემდეგს:
- ω - გამოსხივების ენერგიის მოცულობითი სიმკვრივე;
- i და i' არის ერთეული ვექტორები, რომლებიც აჩვენებენ ინციდენტის მიმართულებას და არეკლილი სინათლის სხივს (ისინი ადგენენ მიმართულებებს, რომლებშიც უნდა დაემატოს მოქმედი ძალები);
- ϴ - კუთხე ნორმასთან, რომლის დროსაც სინათლის სხივი ეცემა (და, შესაბამისად, აირეკლება, რადგან ზედაპირი სარკისებურია).
შეახსენეთ მკითხველს, რომ ნორმალური არის ზედაპირის პერპენდიკულარული, ასე რომ, თუ პრობლემას მიენიჭება ზედაპირთან სინათლის დაცემის კუთხე, მაშინ ϴ არის 90 გრადუსი მინუს მოცემული მნიშვნელობა.
ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის ფენომენის გამოყენება
სტუდენტი, რომელიც სწავლობს ფიზიკას, ბევრ ფორმულას, ცნებას და ფენომენს მოსაწყენად მიიჩნევს. იმის გამო, რომ, როგორც წესი, მასწავლებელი ეუბნება თეორიულ ასპექტებს, მაგრამ იშვიათად შეუძლია მაგალითების მოყვანა გარკვეული ფენომენის სარგებლობის შესახებ. ამაში სკოლის მენტორებს ნუ დავაბრალებთ: ისინი ძალიან შეზღუდულია პროგრამით, გაკვეთილზე უნდა თქვათ ვრცელი მასალა და ჯერ კიდევ გაქვთ დრო, რომ შეამოწმოთ მოსწავლეთა ცოდნა.
მიუხედავად ამისა, ჩვენი კვლევის ობიექტი ბევრიასაინტერესო აპლიკაციები:
- ახლა თითქმის ყველა სტუდენტს თავისი საგანმანათლებლო დაწესებულების ლაბორატორიაში შეუძლია გაიმეოროს ლებედევის ექსპერიმენტი. მაგრამ მაშინ ექსპერიმენტული მონაცემების დამთხვევა თეორიულ გამოთვლებთან იყო რეალური გარღვევა. ექსპერიმენტმა, რომელიც პირველად ჩატარდა 20%-იანი შეცდომით, მთელ მსოფლიოში მეცნიერებს საშუალება მისცა შეექმნათ ფიზიკის ახალი ფილიალი - კვანტური ოპტიკა.
- მაღალენერგეტიკული პროტონების წარმოება (მაგალითად, სხვადასხვა ნივთიერების დასხივებისთვის) თხელი ფენების ლაზერული პულსის აჩქარებით.
- მზის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წნევის გათვალისწინება დედამიწასთან ახლოს ობიექტების ზედაპირზე, თანამგზავრების და კოსმოსური სადგურების ჩათვლით, საშუალებას გაძლევთ შეასწოროთ მათი ორბიტა მეტი სიზუსტით და თავიდან აიცილოთ ამ მოწყობილობების დედამიწაზე დაცემა.
ზემოხსენებული აპლიკაციები ახლა რეალურ სამყაროში არსებობს. მაგრამ ასევე არის პოტენციური შესაძლებლობები, რომლებიც ჯერ კიდევ არ არის რეალიზებული, რადგან კაცობრიობის ტექნოლოგია ჯერ კიდევ არ მიუღწევია საჭირო დონეს. მათ შორის:
- მზის იალქანი. მისი დახმარებით შესაძლებელი იქნებოდა საკმაოდ დიდი ტვირთის გადატანა დედამიწასთან და თუნდაც მზის მახლობლად სივრცეში. სინათლე იძლევა მცირე იმპულსს, მაგრამ აფრების ზედაპირის სწორი პოზიციის შემთხვევაში, აჩქარება მუდმივი იქნება. ხახუნის არარსებობის შემთხვევაში საკმარისია სიჩქარის მოპოვება და საქონლის მიტანა მზის სისტემის სასურველ წერტილამდე.
- ფოტონური ძრავა. ეს ტექნოლოგია, ალბათ, საშუალებას მისცემს ადამიანს დაძლიოს საკუთარი ვარსკვლავის მიზიდულობა და გაფრინდეს სხვა სამყაროებში. მზის იალქნისაგან განსხვავება ისაა, რომ ხელოვნურად შექმნილი მოწყობილობა, მაგალითად, თერმობირთვული, გამოიმუშავებს მზის იმპულსებს.ძრავა.
