Hoy hablaremos sobre el experimento de Lebedev para probar la presión de los fotones de luz. Revelaremos la importancia de este descubrimiento y los antecedentes que lo llevaron a él.
El conocimiento es curiosidad
Hay dos puntos de vista sobre el fenómeno de la curiosidad. Uno se expresa con el dicho "la nariz curiosa de Varvara fue arrancada en el mercado", y el otro, con el dicho "la curiosidad no es un vicio". Esta paradoja se resuelve fácilmente si se distinguen áreas en las que el interés no es bienvenido o, por el contrario, es necesario.
Johannes Kepler no nació para ser científico: su padre luchó en la guerra y su madre regentaba una taberna. Pero tenía habilidades extraordinarias y, por supuesto, era curioso. Además, Kepler padecía una grave discapacidad visual. Pero fue él quien hizo descubrimientos, gracias a los cuales la ciencia y el mundo entero están donde están ahora. Johannes Kepler es famoso por aclarar el sistema planetario de Copérnico, pero hoy hablaremos de otros logros del científico.
Inercia y longitud de onda: un legado medieval
Hace cincuenta mil años, las matemáticas y la física pertenecían a la sección "Arte". Por lo tanto, Copérnico se dedicó a la mecánica del movimiento de los cuerpos (incluidos los celestes), la óptica y la gravedad. Fue él quien probó la existencia de la inercia. De las conclusionesEste científico desarrolló la mecánica moderna, el concepto de las interacciones de los cuerpos, la ciencia del intercambio de velocidades de los objetos en contacto. Copérnico también desarrolló un sistema armonioso de óptica lineal.
Introdujo conceptos como:
- "refracción de la luz";
- "refracción";
- "eje óptico";
- "reflexión interna total";
- "iluminación".
Y su investigación finalmente demostró la naturaleza ondulatoria de la luz y condujo al experimento de Lebedev para medir la presión de los fotones.
Propiedades cuánticas de la luz
En primer lugar, vale la pena definir la esencia de la luz y hablar de lo que es. Un fotón es un cuanto de un campo electromagnético. Es un paquete de energía que se mueve a través del espacio como un todo. No se puede "morder" un poco de energía de un fotón, pero se puede transformar. Por ejemplo, si la luz es absorbida por una sustancia, entonces dentro del cuerpo su energía puede sufrir cambios y emitir un fotón con una energía diferente. Pero formalmente, esta no será la misma cantidad de luz que fue absorbida.
Un ejemplo de esto sería una bola de metal sólida. Si se arranca un trozo de materia de su superficie, la forma cambiará, dejará de ser esférica. Pero si derrite todo el objeto, toma un poco de metal líquido y luego crea una bola más pequeña a partir de los restos, entonces volverá a ser una esfera, pero diferente, no igual que antes.
Propiedades ondulatorias de la luz
Los fotones tienen las propiedades de una onda. Los parámetros básicos son:
- longitud de onda (caracteriza el espacio);
- frecuencia (caracterizahora);
- amplitud (caracteriza la fuerza de la oscilación).
Sin embargo, como cuanto de un campo electromagnético, un fotón también tiene una dirección de propagación (indicada como vector de onda). Además, el vector de amplitud puede girar alrededor del vector de onda y crear una polarización de onda. Con la emisión simultánea de varios fotones, la fase, o más bien la diferencia de fase, también se convierte en un factor importante. Recordemos que la fase es aquella parte de la oscilación que tiene el frente de onda en un momento determinado del tiempo (subida, máxima, bajada o mínima).
Masa y energía
Como demostró ingeniosamente Einstein, la masa es energía. Pero en cada caso concreto, la búsqueda de una ley según la cual un valor se convierta en otro puede resultar difícil. Todas las características ondulatorias anteriores de la luz están estrechamente relacionadas con la energía. A saber: aumentar la longitud de onda y disminuir la frecuencia significa menos energía. Pero como hay energía, entonces el fotón debe tener masa, por lo tanto, debe haber una presión ligera.
Estructura de la experiencia
Sin embargo, dado que los fotones son muy pequeños, su masa también debería ser pequeña. Construir un dispositivo que pudiera determinarlo con suficiente precisión fue una tarea técnica difícil. El científico ruso Lebedev Petr Nikolaevich fue el primero en afrontarlo.
El experimento en sí se basó en el diseño de los pesos que determinaban el momento de torsión. Un travesaño estaba colgado de un hilo de plata. Adjuntas a sus extremos había placas delgadas idénticas de variosmateriales La mayoría de las veces, los metales (plata, oro, níquel) se usaron en el experimento de Lebedev, pero también había mica. Toda la estructura se colocó en un recipiente de vidrio, en el que se creó un vacío. Después de eso, una placa se iluminó, mientras que la otra permaneció en la sombra. La experiencia de Lebedev demostró que la iluminación de un lado conduce al hecho de que la balanza comienza a girar. Según el ángulo de desviación, el científico juzgó la fuerza de la luz.
Experimenta dificultades
A principios del siglo XX, era difícil establecer un experimento lo suficientemente preciso. Todo físico sabía cómo crear un vacío, trabajar con vidrio y pulir superficies. De hecho, el conocimiento se obtuvo manualmente. En ese momento, no había grandes corporaciones que produjeran el equipo necesario en cientos de piezas. El dispositivo de Lebedev fue creado a mano, por lo que el científico enfrentó una serie de dificultades.
El vacío en ese momento ni siquiera era promedio. El científico extrajo aire de debajo de una tapa de vidrio con una bomba especial. Pero el experimento tuvo lugar en el mejor de los casos en una atmósfera enrarecida. Era difícil separar la presión de la luz (transferencia de impulsos) del calentamiento del lado iluminado del dispositivo: el principal obstáculo era la presencia de gas. Si el experimento se llevara a cabo en un vacío profundo, entonces no habría moléculas cuyo movimiento browniano en el lado iluminado fuera más fuerte.
La sensibilidad del ángulo de desviación dejaba mucho que desear. Los buscadores de tornillos modernos pueden medir ángulos de hasta millonésimas de radianes. A principios del siglo XIX, la escama se podía ver a simple vista. TécnicaEl tiempo no pudo proporcionar idéntico peso y tamaño de las placas. Esto, a su vez, hizo imposible distribuir uniformemente la masa, lo que también creó dificultades para determinar el par.
El aislamiento y la estructura del hilo afectan en gran medida al resultado. Si un extremo de la pieza de metal se calentó más por alguna razón (esto se llama gradiente de temperatura), entonces el cable podría comenzar a torcerse sin una ligera presión. A pesar del hecho de que el dispositivo de Lebedev era bastante simple y dio un gran error, se confirmó el hecho de la transferencia de impulso por fotones de luz.
Forma de las placas de iluminación
La sección anterior enumeró muchas dificultades técnicas que existían en el experimento, pero no afectaron lo principal: la luz. De manera puramente teórica, imaginamos que un haz de rayos monocromáticos cae sobre la placa, que son estrictamente paralelos entre sí. Pero a principios del siglo XX, la fuente de luz era el sol, las velas y simples lámparas incandescentes. Para hacer que el haz de rayos sea paralelo, se construyeron complejos sistemas de lentes. Y en este caso, la curva de intensidad luminosa de la fuente fue el factor más importante.
En la clase de física se suele decir que los rayos provienen de un punto. Pero los generadores de luz reales tienen ciertas dimensiones. Además, la mitad de un filamento puede emitir más fotones que los bordes. Como resultado, la lámpara ilumina algunas áreas a su alrededor mejor que otras. La línea que recorre todo el espacio con la misma iluminación de una fuente determinada se denomina curva de intensidad luminosa.
Luna de sangre y eclipse parcial
Las novelas de vampiros están repletas de terribles transformaciones que le suceden a las personas y a la naturaleza en la luna de sangre. Pero no dice que este fenómeno no deba ser temido. Porque es el resultado del gran tamaño del Sol. El diámetro de nuestra estrella central es de aproximadamente 110 diámetros terrestres. Al mismo tiempo, los fotones emitidos tanto por uno como por el otro borde del disco visible alcanzan la superficie del planeta. Así, cuando la Luna cae en la penumbra de la Tierra, no se oscurece por completo, sino que, por así decirlo, se vuelve roja. La atmósfera del planeta también tiene la culpa de este tono: absorbe todas las longitudes de onda visibles, excepto las naranjas. Recuerda, el Sol también se vuelve rojo al atardecer, y todo precisamente porque atraviesa una capa más gruesa de la atmósfera.
¿Cómo se crea la capa de ozono de la Tierra?
Un lector meticuloso puede preguntarse: "¿Qué tiene que ver la presión de la luz con los experimentos de Lebedev?" El efecto químico de la luz, por cierto, también se debe al hecho de que el fotón lleva impulso. Es decir, este fenómeno es responsable de algunas capas de la atmósfera del planeta.
Como saben, nuestro océano de aire absorbe principalmente el componente ultravioleta de la luz solar. Además, la vida en una forma conocida sería imposible si la superficie rocosa de la tierra estuviera bañada en luz ultravioleta. Pero a una altitud de unos 100 km, la atmósfera aún no es lo suficientemente espesa para absorberlo todo. Y el ultravioleta tiene la oportunidad de interactuar directamente con el oxígeno. Rompe las moléculas O2 enátomos libres y promueve su combinación en otra modificación - O3. En su forma pura, este gas es mortal. Por eso se utiliza para desinfectar el aire, el agua, la ropa. Pero como parte de la atmósfera terrestre, protege a todos los seres vivos de los efectos de las radiaciones nocivas, porque la capa de ozono absorbe muy eficazmente cuantos del campo electromagnético con energías por encima del espectro visible.
