Idag kommer vi att ägna ett samtal åt ett sådant fenomen som ljusets tryck. Beakta förutsättningarna för upptäckt och konsekvenser för vetenskapen.

ljus och färg

Mysteriet med mänskliga förmågor har upphetsat människor sedan urminnes tider. Hur ser ögat? Varför finns färger? Vad är anledningen till att världen är som vi uppfattar den? Hur långt kan en person se? Experiment med nedbrytning av en solstråle till ett spektrum utfördes av Newton på 1600-talet. Han lade också en strikt matematisk grund i ett antal olika fakta som vid den tiden var kända om ljus. Och Newtonsk teori förutspådde mycket: till exempel upptäckter som bara kvantfysiken förklarade (ljusets avböjning i ett gravitationsfält). Men den tidens fysik visste inte och förstod inte ljusets exakta natur.

våg eller partikel

Sedan forskare över hela världen började tränga in i ljusets väsen har det varit en debatt: vad är strålning, en våg eller en partikel (kropp)? Vissa fakta (brytning, reflektion och polarisering) bekräftade den första teorin. Andra (rätlinjig utbredning i frånvaro av hinder, lätt tryck) - den andra. Men bara kvantfysiken kunde lugna denna tvist genom att kombinera de två versionerna till en gemensam. anger att vilken mikropartikel som helst, inklusive en foton, har både egenskaperna hos en våg och en partikel. Det vill säga, ett ljuskvantum har sådana egenskaper som frekvens, amplitud och våglängd, såväl som momentum och massa. Låt oss göra en reservation direkt: fotoner har ingen vilomassa. Eftersom de är ett kvantum av det elektromagnetiska fältet, bär de energi och massa endast i rörelseprocessen. Detta är kärnan i begreppet "ljus". Fysiken idag har förklarat det tillräckligt detaljerat.

Våglängd och energi

Begreppet "vågenergi" nämndes lite högre. Einstein bevisade på ett övertygande sätt att energi och massa är identiska begrepp. Om en foton bär energi måste den ha massa. Ett ljuskvantum är dock en "slug" partikel: när en foton kolliderar med ett hinder, ger den helt upp sin energi till materia, blir den och förlorar sin individuella essens. Samtidigt kan vissa omständigheter (t.ex. stark uppvärmning) göra att de tidigare mörka och lugna interiörerna av metaller och gaser avger ljus. En fotons rörelsemängd, en direkt följd av närvaron av massa, kan bestämmas med hjälp av ljusets tryck. forskare från Ryssland, bevisade på ett övertygande sätt detta fantastiska faktum.

Lebedevs erfarenhet

Den ryske vetenskapsmannen Petr Nikolaevich Lebedev gjorde 1899 följande experiment. På en tunn silvertråd hängde han en tvärstång. Till ändarna av tvärstången fäste forskaren två plattor av samma ämne. Dessa var silverfolie och guld och till och med glimmer. Därmed skapades ett slags vågar. Bara de mätte vikten inte av lasten som trycker uppifrån, utan av lasten som trycker från sidan på var och en av plattorna. Lebedev placerade hela denna struktur under ett glasskydd så att vinden och slumpmässiga fluktuationer i luftdensiteten inte kunde påverka den. Vidare skulle jag vilja skriva att han skapade ett vakuum under locket. Men på den tiden var till och med ett genomsnittligt vakuum omöjligt att uppnå. Så vi säger att han skapade under glasskyddet starkt Och växelvis belyst en platta och lämnade den andra i skuggan. Mängden ljus riktat mot ytorna var förutbestämd. Från avböjningsvinkeln bestämde Lebedev vilken impuls som överförde ljuset till plattorna.

Formler för att bestämma trycket av elektromagnetisk strålning vid normal strålinfallsvinkel

Till att börja med, vad är ett "normalt fall"? Ljus infaller normalt på en yta om det riktas strikt vinkelrätt mot ytan. Detta medför begränsningar för problemet: ytan måste vara perfekt slät, och strålningsstrålen måste riktas mycket exakt. I detta fall beräknas trycket:

k är transmittansen, ρ är reflektionskoefficienten, I är intensiteten för den infallande ljusstrålen, c är ljusets hastighet i vakuum.

Men förmodligen har läsaren redan gissat att en sådan idealisk kombination av faktorer inte existerar. Även om vi inte tar hänsyn till ytans idealitet är det ganska svårt att organisera ljusinfallet strikt vinkelrätt.

Formler för att bestämma trycket av elektromagnetisk strålning när den faller i en vinkel

Ljustrycket på en spegelyta i en vinkel beräknas med hjälp av en annan formel, som redan innehåller element av vektorer:

p= ω ((1-k)i+ρi') cos ϴ

Värdena p, i, i' är vektorer. I detta fall är k och ρ, liksom i den föregående formeln, transmissions- respektive reflektionskoefficienterna. De nya värdena betyder följande:

• ω - volymdensitet av strålningsenergi;
• i och i' - enhetsvektorer som visar riktningen för den infallande och reflekterade ljusstrålen (de anger riktningarna i vilka de verkande krafterna ska adderas);
• ϴ är vinkeln mot normalen vid vilken ljusstrålen faller (och följaktligen reflekteras, eftersom ytan är spegelvänd).

Vi påminner läsaren om att normalen är vinkelrät mot ytan, så om problemet ges ljusets infallsvinkel mot ytan, så är ϴ 90 grader minus det givna värdet.

Tillämpning av elektromagnetisk strålningstryckfenomen

En skolpojke som studerar fysik tycker att många formler, begrepp och fenomen är tråkiga. Eftersom läraren som regel berättar om de teoretiska aspekterna, men sällan kan ge exempel på fördelarna med vissa fenomen. Låt oss inte skylla på skolans mentorer för detta: de är kraftigt begränsade av programmet, under lektionen är det nödvändigt att berätta omfattande material och fortfarande ha tid att kontrollera elevernas kunskaper.

Ändå har syftet med vår studie många intressanta tillämpningar:

1. Nu kan nästan varje student i laboratoriet på hans utbildningsinstitution upprepa Lebedevs experiment. Men då var sammanträffandet av experimentella data med teoretiska beräkningar ett verkligt genombrott. Experimentet, som gjordes för första gången med ett 20% fel, gjorde det möjligt för forskare runt om i världen att utveckla en ny gren av fysiken - kvantoptik.
2. Att erhålla högenergiprotoner (till exempel för att bestråla olika ämnen) genom att accelerera tunna filmer med en laserpuls.
3. Att ta hänsyn till trycket från solens elektromagnetiska strålning på ytan av objekt nära jorden, inklusive satelliter och rymdstationer, gör det möjligt att korrigera deras omloppsbana med större noggrannhet och förhindra att dessa enheter faller till jorden.

Ovanstående applikationer finns nu i den verkliga världen. Men det finns också potentiella möjligheter som ännu inte har realiserats, eftersom mänsklighetens teknologi ännu inte har nått den nivå som krävs. Bland dem:

1. Solsegel. Med dess hjälp skulle det vara möjligt att flytta ganska stora laster i nära jorden och till och med nära solrymden. Ljus ger en liten impuls, men med rätt läge på seglets yta skulle accelerationen vara konstant. I frånvaro av friktion räcker det att få fart och leverera varor till önskad punkt i solsystemet.
2. Fotonisk motor. Denna teknik kommer kanske att tillåta en person att övervinna sin egen stjärnas attraktion och flyga till andra världar. Skillnaden mot är att en artificiellt skapad enhet, till exempel en termonukleär motor, kommer att generera solimpulser.

Hypotesen om förekomsten av lätt tryck lades först fram av I. Kepler på 1600-talet för att förklara beteendet hos kometstjärtar under deras flygning nära solen. 1873 gav Maxwell en teori om ljusets tryck inom ramen för sin klassiska elektrodynamik. Lätttryck studerades först experimentellt av P. N. Lebedev 1899. I hans experiment hängdes en roterande våg på en tunn silvertråd i ett evakuerat kärl, till vars balkar tunna skivor av glimmer och olika metaller fästes. Den största svårigheten var att särskilja lätt tryck mot bakgrund av radiometriska och konvektiva krafter (krafter på grund av skillnaden i temperatur hos den omgivande gasen från de upplysta och obelysta sidorna). Genom att omväxlande bestråla olika sidor av vingarna utjämnade Lebedev de radiometriska krafterna och fick en tillfredsställande (±20%) överensstämmelse med Maxwells teori. Senare, 1907-1910. Lebedev genomförde mer exakta experiment på ljusets tryck i gaser och fick också en acceptabel överensstämmelse med teorin.

fysisk mening

Enligt dagens idéer har ljus korpuskulär vågdualism, det vill säga det uppvisar egenskaperna hos partiklar (fotoner) och egenskaperna hos vågor (elektromagnetisk strålning).

Om vi ​​betraktar ljus som en ström av fotoner, då, enligt principerna för klassisk mekanik, när partiklar träffar en kropp måste de överföra momentum till den, med andra ord utöva tryck. Detta tryck kallas ibland strålningstryck.

För att beräkna ljustrycket kan du använda följande formel:

var är mängden strålningsenergi som normalt infaller på 1 m² yta på 1 s; - ljusets hastighet, - reflektionskoefficient.

Om ljuset faller i en vinkel mot normalen, kan trycket uttryckas med formeln:

där är den volymetriska strålningsenergidensiteten, är reflektionskoefficienten, är enhetsvektorn för den infallande strålens riktning, är enhetsvektorn för den reflekterade strålens riktning.

Till exempel kommer den tangentiella komponenten av lätttryckskraften på en enhetsarea att vara lika med:

Den normala komponenten av lätttryckskraften på en enhetsarea kommer att vara lika med:

Förhållandet mellan de normala och tangentiella komponenterna är:

Ansökan

Möjliga tillämpningar är solsegel och gasseparation.

Anteckningar

• Luft
• Kronometer

Se vad "Lätt tryck" är i andra ordböcker:

lätt tryck- Lätt tryck. Schema för gasseparation med hjälp av resonant ljustryck (frekvensen av laserljus är lika med frekvensen av atomövergången). Resonantatomer under inverkan av ljus, efter att ha fått en riktad impuls från ljuskvanta, kommer att gå in i fjärran ... ... Illustrerad encyklopedisk ordbok

lätt tryck- det tryck som alstras av ljus på reflekterande eller absorberande kroppar. D. s. upptäcktes och mättes först experimentellt av P. N. Lebedev (1899). Värdet av D. s. även för de starkaste ljuskällorna (solen, en elektrisk båge) är försumbar ... ... Stora sovjetiska encyklopedien

TRYCK LJUS- Det tryck som ljus utövar på kroppar som reflekterar eller absorberar ljus. Ljustrycket är resultatet av överföringen av momentum till kroppen av fotoner som absorberas eller reflekteras av den. Under inverkan av solstrålning på makroskopiska kroppar är den extremt liten ... ... Stor encyklopedisk ordbok

TRYCK LJUS- (se LÄTT TRYCK). Fysisk encyklopedisk ordbok. Moskva: Sovjetiskt uppslagsverk. Chefredaktör A. M. Prokhorov. 1983... Fysisk uppslagsverk

lätt tryck- det tryck som produceras av ljus på kroppar som reflekterar eller absorberar ljus, partiklar, såväl som enskilda molekyler och atomer. Hypotesen om ljustryck föreslogs först (1619) av I. Kepler för att förklara avvikelsen hos svansarna på kometer som flyger nära solen. ... ... encyklopedisk ordbok

lätt tryck- šviesos slėgis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Slėgis, kurį kuria šviesa veikdama tam tikrą paviršių. atitikmenys: engl. lätt tryck vok. Lichtdruck, m rus. lätt tryck, n; lätt tryck, n pranc. tryck de… Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

lätt tryck- šviesos slėgis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. lätt tryck vok. Lichtdruck, m rus. lätt tryck, n; lätt tryck, n pranc. pression de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

TRYCK LJUS- tryck som produceras av ljus på kroppar som reflekterar eller absorberar ljus, partiklar, samt otd. molekyler och atomer. Hypotes om D. med. för första gången (1619) uppgav I. Kepler att förklara avvikelsen av svansarna på kometer som flyger nära solen. I det jordiska ...... Naturvetenskap. encyklopedisk ordbok

lätt tryckär det tryck som ljuset utövar på den upplysta ytan. Det spelar en viktig roll i kosmiska processer (bildande av komet svansar, jämvikt av stora stjärnor). D.S. förutspåddes 1619 av honom. astronomen I. Kepler. (1571 1630) och experimentellt ... ... Astronomisk ordbok

När elektromagnetiska vågor faller på en yta utövar de tryck på den ytan. Ljustrycket kan förklaras både ur en elektromagnetisk synvinkel och inom ramen för kvantteorin.

Låt en normalt plan elektromagnetisk våg falla på metallytan, då är vektorerna för de elektriska och magnetiska fälten för en sådan våg parallella med ytan. Under påverkan av ett elektriskt fält E elektroner börjar röra sig parallellt med ytan. I det här fallet, för varje elektron som rör sig med en hastighet , från sidan av ljusvågens magnetfält med induktion Lorentz kraft fungerar

riktad inuti metallen vinkelrätt mot dess yta. Sålunda måste ljusvågen producera tryck på metallens yta.

Inom ramen för kvantfotonteorin beror ljustrycket på det faktum att varje foton inte bara bär energi utan också har momentum . Varje absorberad foton överför sin rörelsemängd till ytan

Exempel på lösta problem i fysik på ämnet "ljustryck". Lätt tryck Lätt tryck på en helt absorberande yta Nedan finns förutsättningarna för problemen och de skannade lösningarna. Om du behöver lösa ett problem i detta ämne kan du hitta ett liknande tillstånd här och lösa ditt eget analogt. Det kan ta lite tid att ladda sidan på grund av det stora antalet bilder. Om du behöver problemlösning eller onlinehjälp inom fysik, vänligen kontakta oss, vi hjälper gärna till. Det fysiska fenomenet - ljusets tryck på ytan - kan betraktas från två positioner - korpuskulära och vågteorier om ljus. Enligt den korpuskulära (kvant)teorin om ljus är en foton en partikel och har en impuls, som, när en foton träffar en yta, helt eller delvis överförs till ytan. Enligt vågteorin är ljus en elektromagnetisk våg, som när den passerar genom ett material har en effekt på laddade partiklar (Lorentzkraften), vilket förklarar ljusets tryck i denna teori. Ljus med en våglängd på 620 nm faller normalt in på en svärtad yta och utövar ett tryck på 0,1 µPa. Hur många fotoner faller på en yta med en area av 5 cm2 under en tid av 10 s? Ljus faller normalt på en spegelyta och utövar ett tryck på 40 µPa på den. Vad är energibelysningen av ytan? Ljus med en våglängd på 600 nm infaller normalt på en spegelyta och utövar ett tryck på 4 µPa. Hur många fotoner träffar en 1 mm2 yta på 10 s? Ljus med en våglängd på 590 nm infaller på en spegelyta i en vinkel på 60 grader. Ljusflödestätheten är 1 kW/m2. Bestäm ljusets tryck på ytan. Källan är belägen på ett avstånd av 10 cm från ytan. Det lätta trycket på ytan är 1 MPa. Hitta kraften i källan. Ett ljusflöde med en effekt på 0,8 W faller normalt på en spegelyta med en yta av 6 cm2. Ta reda på trycket och kraften av lätt tryck. Ett ljusflöde på 0,9 W faller normalt på en spegelyta. Hitta kraften av lätt tryck på denna yta. Ljus infaller normalt på en yta med en reflektans på 0,8. Det lätta trycket som utövas på denna yta är 5,4 µPa. Vilken energi kommer att tillföras av fotoner som faller in på en yta med en area av 1 m2 på en tid av 1 s? Ta reda på trycket av ljus som utövas på den svärtade ytan av glödlampan på en glödlampa från insidan. Betrakta kolven som en sfär med en radie på 10 cm och ta lampspiralen som en punktljuskälla med en effekt på 1 kW. Ett ljusflöde med en effekt på 120 W/m2 faller normalt på ytan och utövar ett tryck på 0,5 µPa. Hitta ytans reflektionskoefficient. Ljus infaller normalt på en perfekt reflekterande yta med en yta av 5 cm2. På en tid av 3 minuter är energin för det infallande ljuset 9 J. Hitta ljusets tryck. Ljus faller in på en spegelyta med en yta på 4,5 cm2. Ytans energibelysning är 20 W/cm2. Vilken impuls kommer ytfotonerna att ge på 5 s? Ljus faller normalt på en svärtad yta och ger på 10 minuter en energi på 20 J. Ytan är 3 cm2. Ta reda på ytans energibelysning och ljustrycket. Ljus med en flödeseffekt på 0,1 W/cm2 faller på en spegelyta med en infallsvinkel på 30 grader. Bestäm ljusets tryck på ytan.

Huvudpostulatet för den korpuskulära teorin om elektromagnetisk strålning är som följer: eh elektromagnetisk strålning (och i synnerhet ljuset) - det är en ström timme tic ,kallad fotoner . Fotoner fortplantar sig i vakuum med en hastighet lika med begränsa hastigheten för interaktionens utbredning , Med= 3 10 8 m/s, massa och viloenergi vilken foton som helst noll , fotonenergi Eär relaterad till frekvensen av elektromagnetisk strålning ν och våglängden λ med formeln (2.7.1) Observera att formel (2.7.1) länkar korpuskulär karakteristisk för elektromagnetisk strålning, fotonenergi, s Vinka egenskaper - frekvens och våglängd. Det är en bro mellan korpuskulära och vågteorier. Förekomsten av denna bro är oundviklig, eftersom både fotonen och elektromagnetisk våg - det är bara två modeller av samma verkliga objekt –elektromagnetisk strålning . Alla rörliga partiklar ( blodkropp) har momentum, och enligt relativitetsteorin, partikelenergin E och hennes fart sid länkad med formel (2.7.2) Var – resten av energin i partikeln. Eftersom restens energi för en foton är lika med noll, följer två mycket viktiga formler från (2.7.2) och (2.7.1): , (2.7.3) . (2.7.4) Låt oss nu övergå till fenomenet lätttryck. Ljustrycket upptäcktes av den ryske forskaren P.N. Lebedev 1901. I sina experiment fann han att ljusets tryck beror på ljusets intensitet och på kroppens reflektionsförmåga. I experimenten användes en spinner med svarta och spegelblad, placerad i en evakuerad kolv (Fig. 2.10). Ris. 2.10 Låt oss beräkna värdet på lätttryck. På ett kroppsområde S ljusflödet faller med energi , där N – antalet kvanta (Fig. 2.11). Ris. 2.11 KN kvanta kommer att reflekteras från ytan; (1 - K)N- absorberas (fig. 2.10), K- reflektionskoefficient. Varje absorberad foton kommer att överföra momentum till kroppen: . (2.7.5) Varje reflekterad foton kommer att ge kroppen en impuls: , (2.7.6) därför att . Allt per tidsenhet N kvanta ger kroppen en impuls R: . (2.7.7) Därför att fotonen har rörelsemängd, då är rörelsemängden som överförs till kroppen på en sekund tryckkraften - kraften per ytenhet. Då trycket, eller Var Jär strålningsintensiteten. Det vill säga att ljusets tryck kan beräknas.

och varje reflekterad är en dubbel impuls

Låt ett fotonflöde falla på ytan av någon kropp längs normalen N f (N fär antalet fotoner som infaller på en enhetsarea per tidsenhet). Om kroppens yta har en reflektionskoefficient, kommer fotoner per tidsenhet att reflekteras från den, och fotoner kommer att absorberas av ytan. Den rörelsemängd som tas emot av en enhet kroppsyta per tidsenhet är lika med

Enligt Newtons andra lag finns det en kraft vinkelrätt mot ytan (i detta fall är detta tryckkraften) och värdet - tryck. Så det lätta trycket är

Värdet lika med produkten av fotonenergin H w per antal fotoner N f fallande per enhetsarea av kroppen per tidsenhet är ljusenergins flödestäthet R. Samma värde kan erhållas genom att multiplicera den genomsnittliga energitätheten i en våg med ljusets hastighet:

Vi har redan diskuterat denna formel för och innan, när vi betraktade trycket från elektromagnetiska vågor.

Exempel. Låt oss bestämma trycket R solljus på en svärtad platta placerad vinkelrätt mot solens strålar och placerad utanför jordens atmosfär nära jorden.

Solkonstanten, det vill säga energiflödestätheten för elektromagnetisk solstrålning nära jorden utanför dess atmosfär, är ungefär lika med . En svärtad platta absorberar nästan allt, det vill säga för utvärdering kan vi lägga . Därav trycket

Lätt tryck spelar en stor roll i orienteringen av kometsvansar i förhållande till solen. Dammpartiklar och gasmolekyler som finns i kometer upplever lätt tryck från solens strålar, som ett resultat av vilket märkliga former av komet svansar bildas, orienterade i motsatt riktning från solen. (Det antas för närvarande att fenomenet med kometsvansbildning delvis bestäms av "protonvinden" som kommer från solen.)

Ris. 2.20. Lätt tryck avleder kometens svans bort från solen

Ris. 2.21. Projektet av ett solsegel i jordens omloppsbana, driven av ljusets tryck

Sålunda löser både elektromagnetiska (våg) och foton (kvantum) teorier problemet med mekanismen och regelbundenhet för ljustryck med lika stor framgång.

Låt oss sammanfatta:

Därför måste vi erkänna fotonens dubbla natur. Medan i vår kurs denna ovanliga egenskap - våg-partikeldualitet - endast inställd på ljus.