Hoy dedicaremos una conversación a un fenómeno como la presión ligera. Considere las premisas del descubrimiento y las consecuencias para la ciencia.
Luz y color
El misterio de las habilidades humanas ha preocupado a la gente desde la antigüedad. ¿Cómo ve el ojo? ¿Por qué existen los colores? ¿Cuál es la razón por la que el mundo es como lo percibimos? ¿Hasta dónde puede ver una persona? Newton llevó a cabo experimentos con la descomposición de un rayo solar en un espectro en el siglo XVII. También sentó una base matemática estricta para una serie de hechos dispares que en ese momento se conocían sobre la luz. Y la teoría newtoniana predijo mucho: por ejemplo, descubrimientos que solo explicaba la física cuántica (la desviación de la luz en un campo gravitatorio). Pero la física de esa época no sabía ni entendía la naturaleza exacta de la luz.
Onda o partícula
Desde que los científicos de todo el mundo comenzaron a penetrar en la esencia de la luz, ha habido un debate: ¿qué es la radiación, una onda o una partícula (corpúsculo)? Algunos hechos (refracción, reflexión y polarización) confirmaron la primera teoría. Otros (propagación rectilínea en ausencia de obstáculos, presión ligera): el segundo. Sin embargo, solo la física cuántica pudo calmar esta disputa al combinar las dos versiones en una sola.general. La teoría de la onda corpuscular establece que cualquier micropartícula, incluido un fotón, tiene tanto las propiedades de una onda como de una partícula. Es decir, un cuanto de luz tiene características tales como frecuencia, amplitud y longitud de onda, así como cantidad de movimiento y masa. Hagamos una reserva de inmediato: los fotones no tienen masa en reposo. Al ser un cuanto del campo electromagnético, transportan energía y masa solo en el proceso de movimiento. Esta es la esencia del concepto de "luz". La física ahora lo ha explicado con suficiente detalle.
Longitud de onda y energía
Un poco más arriba se mencionó el concepto de "energía de las olas". Einstein demostró de manera convincente que la energía y la masa son conceptos idénticos. Si un fotón transporta energía, debe tener masa. Sin embargo, un cuanto de luz es una partícula “astuta”: cuando un fotón choca con un obstáculo, cede completamente su energía a la materia, se convierte en ella y pierde su esencia individual. Al mismo tiempo, determinadas circunstancias (un fuerte calentamiento, por ejemplo) pueden hacer que los interiores de metales y gases, antes oscuros y tranquilos, emitan luz. El momento de un fotón, consecuencia directa de la presencia de masa, se puede determinar utilizando la presión de la luz. Los experimentos de Lebedev, un investigador de Rusia, demostraron de manera convincente este hecho asombroso.
Experimento de Lebedev
El científico ruso Petr Nikolaevich Lebedev en 1899 hizo el siguiente experimento. De un fino hilo de plata colgó un travesaño. En los extremos del travesaño, el científico colocó dos placas de la misma sustancia. Estos eran láminas de plata, oro y hasta mica. Así, se crearon una especie de balanzas. Solo midieron el peso no de la carga que presiona desde arriba, sino de la carga que presiona desde el costado sobre cada una de las placas. Lebedev colocó toda esta estructura bajo una cubierta de vidrio para que el viento y las fluctuaciones aleatorias en la densidad del aire no pudieran afectarla. Además, me gustaría escribir que creó un vacío debajo de la tapa. Pero en ese momento, incluso un vacío promedio era imposible de lograr. Entonces decimos que creó una atmósfera muy enrarecida debajo de la cubierta de vidrio. E iluminaba alternativamente un plato, dejando el otro en sombra. La cantidad de luz dirigida a las superficies estaba predeterminada. A partir del ángulo de desviación, Lebedev determinó qué impulso transmitía la luz a las placas.
Fórmulas para determinar la presión de la radiación electromagnética con una incidencia normal del haz
Primero vamos a explicar qué es una "caída normal"? La luz incide sobre una superficie normalmente si se dirige estrictamente perpendicular a la superficie. Esto impone restricciones al problema: la superficie debe ser perfectamente lisa y el haz de radiación debe dirigirse con mucha precisión. En este caso, la presión de la luz se calcula mediante la fórmula:
p=(1-k+ρ)I/c, dónde
k es la transmitancia, ρ es el coeficiente de reflexión, I es la intensidad del haz de luz incidente, c es la velocidad de la luz en el vacío.
Pero, probablemente, el lector ya habrá adivinado que tal combinación ideal de factores no existe. Incluso si no se tiene en cuenta la superficie ideal, es bastante difícil organizar la incidencia de la luz estrictamente perpendicular.
Fórmulas paradeterminar la presión de la radiación electromagnética cuando cae en un ángulo
La presión de la luz sobre la superficie de un espejo en un ángulo se calcula usando una fórmula diferente que ya contiene elementos de vectores:
p=ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Los valores p, i, i' son vectores. En este caso, k y ρ, como en la fórmula anterior, son los coeficientes de transmisión y reflexión, respectivamente. Los nuevos valores significan lo siguiente:
- ω – densidad volumétrica de la energía de radiación;
- i e i’ son vectores unitarios que muestran la dirección del haz de luz incidente y reflejado (establecen las direcciones en las que se deben sumar las fuerzas actuantes);
- ϴ - ángulo con respecto a la normal en el que cae el rayo de luz (y, en consecuencia, se refleja, ya que la superficie está reflejada).
Recuerde al lector que la normal es perpendicular a la superficie, por lo que si el problema es el ángulo de incidencia de la luz sobre la superficie, entonces ϴ es 90 grados menos el valor dado.
Aplicación del fenómeno de presión de radiación electromagnética
Un estudiante que estudia física encuentra aburridas muchas fórmulas, conceptos y fenómenos. Porque, por regla general, el profesor cuenta los aspectos teóricos, pero rara vez puede dar ejemplos de los beneficios de ciertos fenómenos. No culpemos a los mentores de la escuela por esto: están muy limitados por el programa, durante la lección debe contar un material extenso y aún tener tiempo para verificar el conocimiento de los estudiantes.
Sin embargo, el objeto de nuestro estudio tiene muchoaplicaciones interesantes:
- Ahora casi todos los estudiantes en el laboratorio de su institución educativa pueden repetir el experimento de Lebedev. Pero entonces la coincidencia de datos experimentales con cálculos teóricos fue un verdadero avance. El experimento, realizado por primera vez con un error del 20 %, permitió a científicos de todo el mundo desarrollar una nueva rama de la física: la óptica cuántica.
- Producción de protones de alta energía (por ejemplo, para la irradiación de diversas sustancias) mediante la aceleración de películas delgadas con un pulso láser.
- Tener en cuenta la presión de la radiación electromagnética del Sol sobre la superficie de los objetos cercanos a la Tierra, incluidos satélites y estaciones espaciales, permite corregir su órbita con mayor precisión y evita que estos dispositivos caigan a la Tierra.
Las aplicaciones anteriores existen ahora en el mundo real. Pero también hay oportunidades potenciales que aún no se han realizado, porque la tecnología de la humanidad aún no ha alcanzado el nivel requerido. Entre ellos:
- Vela solar. Con su ayuda, sería posible mover cargas bastante grandes en el espacio cercano a la Tierra e incluso cerca del sol. La luz da un pequeño impulso, pero con la posición correcta de la superficie de la vela, la aceleración sería constante. En ausencia de fricción, basta con ganar velocidad y entregar mercancías en el punto deseado del sistema solar.
- Motor fotónico. Esta tecnología, quizás, permitirá a una persona superar la atracción de su propia estrella y volar a otros mundos. La diferencia con una vela solar es que un dispositivo creado artificialmente, por ejemplo, uno termonuclear, generará pulsos solares.motor.
