Hari ini kita akan membahas fenomena seperti tekanan ringan. Pertimbangkan premis penemuan dan konsekuensinya bagi sains.
Cahaya dan warna
Misteri kemampuan manusia telah mengkhawatirkan orang sejak zaman kuno. Bagaimana mata melihat? Mengapa warna ada? Apa alasan bahwa dunia adalah cara kita memandangnya? Seberapa jauh seseorang dapat melihat? Eksperimen dengan penguraian sinar matahari menjadi spektrum dilakukan oleh Newton pada abad ke-17. Dia juga meletakkan dasar matematika yang ketat untuk sejumlah fakta berbeda yang pada waktu itu diketahui tentang cahaya. Dan teori Newtonian banyak meramalkan: misalnya, penemuan-penemuan yang hanya dijelaskan oleh fisika kuantum (pembelokan cahaya dalam medan gravitasi). Tetapi fisika pada waktu itu tidak mengetahui dan tidak memahami sifat sebenarnya dari cahaya.
Gelombang atau partikel
Sejak para ilmuwan di seluruh dunia mulai menembus esensi cahaya, telah terjadi perdebatan: apa itu radiasi, gelombang, atau partikel (sel darah)? Beberapa fakta (pembiasan, pemantulan, dan polarisasi) menguatkan teori pertama. Lainnya (perambatan bujursangkar tanpa adanya hambatan, tekanan ringan) - yang kedua. Namun, hanya fisika kuantum yang mampu menenangkan perselisihan ini dengan menggabungkan dua versi menjadi satu.umum. Teori gelombang sel menyatakan bahwa setiap mikropartikel, termasuk foton, memiliki sifat gelombang dan partikel. Artinya, kuantum cahaya memiliki karakteristik seperti frekuensi, amplitudo dan panjang gelombang, serta momentum dan massa. Mari kita membuat reservasi segera: foton tidak memiliki massa istirahat. Menjadi kuantum medan elektromagnetik, mereka membawa energi dan massa hanya dalam proses gerakan. Ini adalah inti dari konsep "cahaya". Fisika sekarang telah menjelaskannya dengan cukup detail.
Panjang gelombang dan energi
Sedikit di atas konsep "energi gelombang" disebutkan. Einstein dengan meyakinkan membuktikan bahwa energi dan massa adalah konsep yang identik. Jika foton membawa energi, ia harus memiliki massa. Namun, kuantum cahaya adalah partikel "licik": ketika sebuah foton bertabrakan dengan penghalang, ia sepenuhnya menyerahkan energinya ke materi, menjadi itu dan kehilangan esensi individualnya. Pada saat yang sama, keadaan tertentu (pemanasan yang kuat, misalnya) dapat menyebabkan interior logam dan gas yang sebelumnya gelap dan tenang memancarkan cahaya. Momentum foton, konsekuensi langsung dari kehadiran massa, dapat ditentukan dengan menggunakan tekanan cahaya. Eksperimen Lebedev, seorang peneliti dari Rusia, secara meyakinkan membuktikan fakta menakjubkan ini.
Eksperimen Lebedev
Ilmuwan Rusia Petr Nikolaevich Lebedev pada tahun 1899 melakukan eksperimen berikut. Pada seutas benang perak tipis dia menggantungkan palang. Di ujung palang, ilmuwan menempelkan dua pelat dari zat yang sama. Ini adalah kertas perak, dan emas, dan bahkan mika. Dengan demikian, semacam timbangan diciptakan. Hanya mereka yang mengukur berat bukan dari beban yang menekan dari atas, tetapi dari beban yang menekan dari samping pada masing-masing pelat. Lebedev menempatkan seluruh struktur ini di bawah penutup kaca sehingga angin dan fluktuasi acak dalam kepadatan udara tidak dapat memengaruhinya. Selanjutnya, saya ingin menulis bahwa dia menciptakan ruang hampa di bawah tutupnya. Tetapi pada saat itu, bahkan vakum rata-rata tidak mungkin dicapai. Jadi kami mengatakan bahwa dia menciptakan suasana yang sangat jernih di bawah penutup kaca. Dan secara bergantian menerangi satu piring, meninggalkan yang lain dalam bayangan. Jumlah cahaya yang diarahkan pada permukaan telah ditentukan sebelumnya. Dari sudut defleksi, Lebedev menentukan momentum apa yang mentransmisikan cahaya ke pelat.
Rumus untuk menentukan tekanan radiasi elektromagnetik pada pancaran sinar normal
Mari kita jelaskan dulu apa itu "jatuh normal"? Cahaya datang pada permukaan secara normal jika diarahkan tegak lurus ke permukaan. Ini memberlakukan batasan pada masalah: permukaan harus benar-benar halus, dan pancaran radiasi harus diarahkan dengan sangat akurat. Dalam hal ini, tekanan ringan dihitung dengan rumus:
p=(1-k+ρ)I/c, dimana
k adalah transmitansi, adalah koefisien refleksi, I adalah intensitas berkas cahaya yang datang, c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
Tapi, mungkin, pembaca sudah menduga bahwa kombinasi faktor yang ideal seperti itu tidak ada. Bahkan jika permukaan ideal tidak diperhitungkan, agak sulit untuk mengatur datangnya cahaya secara tegak lurus.
Rumus untukmenentukan tekanan radiasi elektromagnetik ketika jatuh pada sudut
Tekanan cahaya pada permukaan cermin pada sudut dihitung menggunakan rumus berbeda yang sudah mengandung elemen vektor:
p=((1-k)i+ρi’)cos
Nilai p, i, i' adalah vektor. Dalam hal ini, k dan, seperti pada rumus sebelumnya, masing-masing adalah koefisien transmisi dan refleksi. Nilai baru berarti sebagai berikut:
- ω – kerapatan volume energi radiasi;
- i dan i' adalah vektor satuan yang menunjukkan arah datang dan berkas cahaya yang dipantulkan (mereka menentukan arah penambahan gaya kerja);
- ϴ - sudut normal di mana sinar cahaya jatuh (dan, karenanya, dipantulkan, karena permukaannya dicerminkan).
Ingatkan pembaca bahwa garis normal tegak lurus dengan permukaan, jadi jika soal diberikan sudut datang cahaya ke permukaan, maka adalah 90 derajat dikurangi nilai yang diberikan.
Penerapan fenomena tekanan radiasi elektromagnetik
Seorang siswa yang mempelajari fisika menemukan banyak rumus, konsep, dan fenomena yang membosankan. Karena pada umumnya guru menceritakan aspek-aspek teoritis, tetapi jarang dapat memberikan contoh manfaat dari fenomena tertentu. Jangan salahkan pembimbing sekolah untuk ini: mereka sangat dibatasi oleh program, selama pelajaran Anda perlu menyampaikan materi yang luas dan masih punya waktu untuk memeriksa pengetahuan siswa.
Namun demikian, objek penelitian kami memiliki banyakaplikasi menarik:
- Sekarang hampir setiap siswa di laboratorium lembaga pendidikannya dapat mengulangi eksperimen Lebedev. Tapi kemudian kebetulan data eksperimen dengan perhitungan teoritis adalah terobosan nyata. Eksperimen, yang dibuat untuk pertama kalinya dengan kesalahan 20%, memungkinkan para ilmuwan di seluruh dunia untuk mengembangkan cabang baru fisika - optik kuantum.
- Produksi proton berenergi tinggi (misalnya, untuk penyinaran berbagai zat) dengan mempercepat film tipis dengan pulsa laser.
- Mempertimbangkan tekanan radiasi elektromagnetik Matahari pada permukaan objek dekat Bumi, termasuk satelit dan stasiun luar angkasa, memungkinkan Anda mengoreksi orbitnya dengan akurasi lebih tinggi dan mencegah perangkat ini jatuh ke Bumi.
Aplikasi di atas sekarang ada di dunia nyata. Namun ada juga potensi peluang yang belum terealisasi, karena teknologi umat manusia belum mencapai tingkat yang dibutuhkan. Diantaranya:
- layar surya. Dengan bantuannya, adalah mungkin untuk memindahkan muatan yang cukup besar di dekat Bumi dan bahkan di dekat matahari. Cahaya memberikan impuls kecil, tetapi dengan posisi permukaan layar yang tepat, percepatannya akan konstan. Dengan tidak adanya gesekan, cukup untuk mendapatkan kecepatan dan mengirimkan barang ke titik yang diinginkan di tata surya.
- Mesin fotonik. Teknologi ini, mungkin, akan memungkinkan seseorang untuk mengatasi daya tarik bintangnya sendiri dan terbang ke dunia lain. Perbedaan dari layar surya adalah bahwa perangkat yang dibuat secara artifisial, misalnya, termonuklir, akan menghasilkan pulsa matahari.mesin.
