>> Presión ligera

§ 91 PRESIÓN LIGERA

Maxwell, basándose en la teoría electromagnética de la luz, predijo que la luz debería ejercer presión sobre los obstáculos.

Bajo la influencia campo eléctrico Onda que incide en la superficie de un cuerpo, por ejemplo un metal, un electrón libre se mueve en la dirección opuesta al vector (figura 11.7). Sobre un electrón en movimiento actúa una fuerza de Lorentz dirigida en la dirección de propagación de la onda. fuerza total, que actúa sobre los electrones de la superficie del metal y determina la fuerza de la presión ligera.

Para demostrar la validez de la teoría de Maxwell, era importante medir la presión de la luz. Muchos científicos han intentado hacer esto, pero sin éxito, ya que la presión de la luz es muy baja. En un día soleado, una fuerza igual a solo 4 · 10 -6 N actúa sobre una superficie con un área de 1 m 2. La presión de la luz fue medida por primera vez por el físico ruso Pyotr Nikolaevich Lebedev en 1900.

Lébedev Petr Nikolaevich (1866-1912)- Físico ruso que fue el primero en medir la presión de la luz sobre sólidos y gases. Estos trabajos confirmaron cuantitativamente la teoría de Maxwell. En un esfuerzo por encontrar nuevas pruebas experimentales de la teoría electromagnética de la luz, obtuvo ondas electromagnéticas de longitud de onda milimétrica y estudió todas sus propiedades. Creó el primero en Rusia. escuela fisica. Muchos científicos soviéticos destacados fueron sus alumnos. El Instituto de Física de la Academia de Ciencias de la URSS (FIAN) lleva el nombre de Lebedev.

El dispositivo de Lebedev consistía en una varilla muy ligera sobre un fino hilo de vidrio, pero cuyos bordes tenían alas ligeras pegadas (fig. 11.8). Todo el dispositivo se colocó en un recipiente del que se extrajo el aire. La luz incidía sobre las alas situadas a un lado de la varilla. El valor de la presión se puede juzgar por el ángulo de torsión del hilo. Las dificultades para medir con precisión la presión de la luz se asociaron con la incapacidad de bombear todo el aire del recipiente (el movimiento de las moléculas de aire causado por el calentamiento desigual de las alas y las paredes del recipiente genera pares adicionales). Además, la torsión del hilo se ve afectada por el calentamiento desigual de los lados de las alas (el lado que mira hacia la fuente de luz se calienta más que lado opuesto). Las moléculas reflejadas desde el lado más caliente transfieren más impulso al ala que las moléculas reflejadas desde el lado menos caliente.

Lebedev logró superar todas estas dificultades, a pesar de nivel bajo Técnica experimental de la época, tomando una embarcación muy grande y alas muy delgadas. Finalmente se demostró y midió la existencia de una ligera presión sobre los sólidos. El valor resultante coincidió con el predicho por Maxwell. Posteriormente, después de tres años de trabajo, Lebedev logró realizar un experimento aún más sutil: medir la presión de la luz sobre los gases.

El surgimiento de la teoría cuántica de la luz hizo posible explicar de manera más sencilla la causa de la presión de la luz. Los fotones, al igual que las partículas de materia que tienen masa en reposo, tienen impulso. Cuando son absorbidos por el cuerpo, le transfieren su impulso. Según la ley de conservación del impulso, el impulso del cuerpo se vuelve igual al impulso de los fotones absorbidos. Por tanto, un cuerpo en reposo entra en movimiento. Un cambio en el impulso de un cuerpo significa, según la segunda ley de Newton, que actúa una fuerza sobre el cuerpo.

Los experimentos de Lebedev pueden considerarse una prueba experimental de que los fotones tienen impulso.

Aunque la presión de la luz es muy baja en condiciones normales, su efecto puede ser significativo. En el interior de las estrellas, a temperaturas de varias decenas de millones de Kelvin, la presión de la radiación electromagnética debería alcanzar valores enormes. Las fuerzas de presión ligera, junto con las fuerzas gravitacionales, desempeñan un papel importante en los procesos estelares.

Según la electrodinámica de Maxwell, la presión de la luz surge debido a la acción de la fuerza de Lorentz sobre los electrones del medio, oscilando bajo la influencia de un campo eléctrico. onda electromagnética. Desde el punto de vista de la teoría cuántica, la presión aparece como resultado de la transferencia de impulsos de fotones al cuerpo cuando son absorbidos.

Myakishev G. Ya., Física. 11º grado: educativo. para educación general Instituciones: básica y perfil. niveles / G. Ya Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; editado por V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17ª ed., revisada. y adicional - M.: Educación, 2008. - 399 p.: enfermo.

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Esta videolección está dedicada al tema “Presión ligera. Los experimentos de Lebedev. Los experimentos de Lebedev causaron una gran impresión en el mundo científico, ya que gracias a ellos se midió por primera vez la presión de la luz y se demostró la validez de la teoría de Maxwell. ¿Cómo lo hizo? La respuesta a esta y muchas otras preguntas interesantes relacionado con la teoría cuántica de la luz, puedes aprender de esta fascinante lección de física.

Tema: Presión ligera

Lección: Presión ligera. Los experimentos de Lebedev

La hipótesis sobre la existencia de una ligera presión fue propuesta por primera vez por Johannes Kepler en el siglo XVII para explicar el fenómeno de las colas de los cometas cuando vuelan cerca del Sol.

Maxwell, basándose en la teoría electromagnética de la luz, predijo que la luz debería ejercer presión sobre un obstáculo.

Bajo la influencia del campo eléctrico de la onda, los electrones de los cuerpos oscilan - una electricidad. Esta corriente se dirige a lo largo de la intensidad del campo eléctrico. La fuerza de Lorentz actúa sobre los electrones en movimiento ordenado. campo magnético, dirigido en la dirección de propagación de la onda: esto es fuerza de presión ligera(Figura 1).

Arroz. 1. El experimento de Maxwell

Para probar la teoría de Maxwell, era necesario medir la presión de la luz. La presión de la luz fue medida por primera vez por el físico ruso Pyotr Nikolaevich Lebedev en 1900 (Fig. 2).

Arroz. 2. Petr Nikoláievich Lébedev

Arroz. 3. Dispositivo Lebedev

El dispositivo de Lebedev (Fig. 3) consiste en una varilla luminosa montada sobre un fino hilo de vidrio, a lo largo de cuyos bordes se colocan alas luminosas. Todo el dispositivo se colocó en un recipiente de vidrio del que se extrajo el aire. La luz incide sobre las alas situadas a un lado de la varilla. El valor de la presión se puede juzgar por el ángulo de torsión del hilo. La dificultad para medir con precisión la presión de la luz se debió al hecho de que era imposible bombear todo el aire del recipiente. Durante el experimento se inició el movimiento de las moléculas de aire, provocado por el calentamiento desigual de las alas y paredes del recipiente. Las alas no se pueden colgar completamente verticalmente. Los flujos de aire caliente se elevan y actúan sobre las alas, lo que genera pares adicionales. Además, la torsión del hilo se ve afectada por el calentamiento no uniforme de los lados de las alas. El lado que mira hacia la fuente de luz se calienta más que el lado opuesto. Las moléculas reflejadas desde el lado más caliente imparten más impulso al ala.

Arroz. 4. Dispositivo Lebedev

Arroz. 5. Dispositivo Lebedev

Lebedev logró superar todas las dificultades, a pesar del bajo nivel de tecnología experimental en ese momento. Tomó un barco muy grande y con alas muy delgadas. El ala constaba de dos pares de finos círculos de platino. Uno de los círculos de cada par brillaba por ambos lados. Otros lados tenían un lado cubierto con niel de platino. Además, ambos pares de círculos diferían en grosor.

Para excluir las corrientes de convección, Lebedev dirigió rayos de luz hacia las alas desde un lado o desde el otro. De este modo, las fuerzas que actuaban sobre las alas estaban equilibradas (figura 4-5).

Arroz. 6. Dispositivo Lebedev

Arroz. 7. Dispositivo Lebedev

Así, se demostró y midió la presión de la luz sobre los sólidos (fig. 6-7). El valor de esta presión coincidió con la presión prevista por Maxwell.

Tres años más tarde, Lebedev logró realizar otro experimento: medir la presión de la luz sobre los gases (Fig. 8).

Arroz. 8. Instalación para medir la presión de la luz sobre los gases.

Lord Kelvin: "Quizás sepas que toda mi vida luché con Maxwell, sin reconocer su ligera presión, y ahora tu Lebedev me obligó a rendirme a sus experimentos".

El surgimiento de la teoría cuántica de la luz hizo posible explicar de manera más sencilla la causa de la presión de la luz.

Los fotones tienen impulso. Cuando son absorbidos por el cuerpo, le transfieren su impulso. Esta interacción puede considerarse como un impacto completamente inelástico.

La fuerza que ejerce cada fotón sobre la superficie es:

Ligera presión sobre la superficie:

Interacción de un fotón con una superficie de espejo.

En el caso de esta interacción se obtiene una interacción absolutamente elástica. Cuando un fotón cae sobre una superficie, se refleja desde ella con la misma velocidad e impulso con el que cayó sobre esa superficie. El cambio de impulso será el doble que cuando un fotón cae sobre una superficie negra, la presión de la luz se duplicará.

No existen sustancias en la naturaleza cuya superficie absorba o refleje completamente los fotones. Por tanto, para calcular la presión de la luz sobre cuerpos reales, es necesario tener en cuenta que algunos fotones serán absorbidos por este cuerpo y otros se reflejarán.

Los experimentos de Lebedev pueden considerarse una prueba experimental de que los fotones tienen impulso. Aunque la presión de la luz es muy baja en condiciones normales, su efecto puede ser significativo. Basándose en la presión del sol, se desarrolló una vela para naves espaciales, lo que te permitirá moverte en el espacio bajo la presión de la luz (Fig. 11).

Arroz. 11. Navegación de nave espacial

La presión de la luz, según la teoría de Maxwell, surge como resultado de la acción de la fuerza de Lorentz sobre los electrones que realizan movimientos oscilatorios bajo la influencia del campo eléctrico de una onda electromagnética.

Desde el punto de vista de la teoría cuántica, la presión de la luz surge como resultado de la interacción de los fotones con la superficie sobre la que caen.

Los cálculos realizados por Maxwell coincidieron con los resultados de Lebedev. Esto demuestra claramente el dualismo de la luz entre ondas cuánticas.

Los experimentos de Crooks

Lebedev fue el primero en descubrir experimentalmente la presión de la luz y pudo medirla. El experimento fue increíblemente difícil, pero hay un juguete científico: el experimento de Crookes (Fig. 12).

Arroz. 12. Experimento de Crookes

Una pequeña hélice, que consta de cuatro pétalos, se encuentra en una aguja cubierta con una tapa de vidrio. Si iluminas esta hélice con luz, comienza a girar. Si miras esta hélice al aire libre cuando sopla el viento sobre ella, su rotación no sorprendería a nadie, pero en este caso la tapa de cristal no permite que las corrientes de aire actúen sobre la hélice. Por tanto, la causa de su movimiento es la luz.

El físico inglés William Crookes creó accidentalmente el primer hilandero ligero.

En 1873, Crookes decidió determinar el peso atómico del elemento talio y pesarlo a una temperatura muy escalas precisas. Para evitar que corrientes de aire aleatorias distorsionaran la imagen de pesaje, Crookes decidió suspender los balancines en el vacío. Lo hizo y quedó asombrado, ya que sus escamas más delgadas eran sensibles al calor. Si la fuente de calor estaba debajo del objeto, reducía su peso; si encima, lo aumentaba.

Habiendo mejorado esta experiencia accidental, a Crookes se le ocurrió un juguete: un radiómetro (molino de luz). El radiómetro de Crookes es un impulsor de cuatro palas equilibrado sobre una aguja dentro de un bulbo de vidrio bajo un ligero vacío. Cuando un rayo de luz incide en la pala, el impulsor comienza a girar, lo que a veces se explica incorrectamente por una ligera presión. De hecho, la causa de la torsión es un efecto radiométrico. La aparición de una fuerza repulsiva debido a la diferencia en las energías cinéticas de las moléculas de gas que golpean el lado iluminado (calentado) de la hoja y el lado opuesto no iluminado (más frío).

  1. La presión de la luz y la presión de las circunstancias ().
  2. Piotr Nikoláievich Lebedev ().
  3. Radiómetro de Crookes ().

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“Ligera presión” - , Actuando sobre la corriente. – Coeficiente de reflexión de una superficie determinada. Fin de la conferencia sobre este tema. El impulso impartido a 1 m2 de superficie absolutamente absorbente en 1 s es igual a. Vectores. Bajo la influencia de la fuerza. Principios del siglo XVII Las filas comienzan a moverse en una dirección a lo largo de la superficie, formando una corriente superficial I.

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La teoría cuántica de la luz explica la presión de la luz como resultado de que los fotones transfieren su impulso a los átomos o moléculas de materia.

Dejar en la superficie del área. S normalmente cae ante ella cada segundo

norte frecuencia de fotones v . Cada fotón tiene impulso. hv/c . Si

R es la reflectancia de la superficie, entonces pN Los fotones se reflejarán desde la superficie, ( 1-p) norte Los fotones serán absorbidos.

Cada cuanto de luz absorbido transferirá un impulso a la superficie. hv/c , y cada impulso reflejado [(hv/c) - (-hv/c)] = 2hv/c , ya que tras la reflexión la dirección del impulso del fotón cambia a la opuesta y el impulso transferido por él a las partículas de materia es 2hv/c . Lleno el impulso recibido por la superficie del cuerpo será

Calculemos la presión ligera. Para ello dividimos (20.18) por el área S del “ala”: (20.19)

Si tenemos en cuenta que hvN/S = Ee, entonces la fórmula (20.19) tomará la forma

(20.20)

Las expresiones (20.17) y (20.20), derivadas en el marco de la electromagnética y teorías cuánticas, emparejar.

La validez de estos resultados fue probada experimentalmente mediante los experimentos de P.N. Lebebedeva.

Hay muy poca presión de luz natural. Si el coeficiente de absorción de una superficie es cercano a la unidad, entonces la presión ejercida por los rayos del sol sobre dichas superficies en la Tierra es aproximadamente

5·10 Pa (es decir, 3,7·10 mmHg) . Esta presión es diez órdenes de magnitud menor presión atmosférica en la superficie de la Tierra.

P. N. Lebedev sólo pudo medir una presión tan baja demostrando un ingenio y una habilidad excepcionales a la hora de configurar y realizar el experimento.

La presión de la luz no juega ningún papel en los fenómenos que encontramos en la vida. Pero en los sistemas cósmicos y microscópicos su papel es importante.

En el microcosmos, la presión de la luz se manifiesta en la salida luminosa que experimenta un átomo excitado cuando emite luz. La atracción gravitacional de las capas externas de materia estelar hacia su centro está equilibrada por una fuerza, a la que contribuye significativamente la presión de la luz que proviene de las profundidades de la estrella hacia afuera.

Acción química de la luz.

Como resultado de la acción de la luz, en algunas sustancias se producen transformaciones químicas. - reacciones fotoquímicas . Las transformaciones fotoquímicas son muy diversas. Bajo la influencia de la luz, las moléculas complejas pueden descomponerse en sus componentes (por ejemplo, bromuro de plata en plata y bromo) o. por el contrario, se forman moléculas complejas (por ejemplo, si se ilumina una mezcla de cloro e hidrógeno, la reacción de formación de cloruro de hidrógeno es tan violenta que va acompañada de una explosión).

Muchas de las reacciones fotoquímicas desempeñan un papel importante en la naturaleza y la tecnología. El principal es descomposición fotoquímica del dióxido de carbono , que ocurre bajo la influencia de la luz en las partes verdes de las plantas. Esta reacción tiene gran valor, porque asegura el ciclo del carbono, sin el cual la existencia a largo plazo de vida orgánica en la Tierra es imposible. Como resultado de la actividad vital de animales y plantas (respiración), existe un proceso continuo de oxidación de carbono (formación CO2 ). El proceso inverso de reducción de carbono ocurre bajo la influencia de la luz en las partes verdes de las plantas. Esta reacción se desarrolla según el esquema. 2СО2 2СО + О2

La reacción fotoquímica de la descomposición del bromuro de plata es la base de la fotografía y de todos sus efectos científicos y aplicaciones técnicas, el fenómeno de decoloración de las pinturas, que se debe principalmente a la oxidación fotoquímica de estas pinturas, tiene un efecto muy gran importancia comprender los procesos que ocurren en el ojo humano y animal y la percepción visual subyacente. Muchas reacciones fotoquímicas se utilizan actualmente en la producción química y adquieren así una importancia industrial directa.

Hoy dedicaremos una conversación a un fenómeno como la ligera presión. Consideremos las premisas del descubrimiento y las consecuencias para la ciencia.

Luz y color

El misterio de las capacidades 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 se conocían sobre la luz en ese momento. Y la teoría de Newton predijo mucho: por ejemplo, descubrimientos que sólo la física cuántica podía explicar (la desviación de la luz en un campo gravitacional). Pero la física de aquella época no conocía ni entendía la naturaleza exacta de la luz.

Onda o partícula

Desde que los científicos de todo el mundo comenzaron a comprender la esencia de la luz, ha surgido un debate: ¿qué es la radiación, una onda o una partícula (corpúsculo)? Algunos hechos (refracción, reflexión y polarización) confirmaron la primera teoría. Otros (propagación lineal en ausencia de obstáculos, ligera presión): el segundo. Sin embargo, sólo la física cuántica pudo calmar esta disputa combinando las dos versiones en una única. afirma que cualquier micropartícula, incluido un fotón, tiene propiedades tanto de onda como de partícula. Es decir, un cuanto de luz tiene características como frecuencia, amplitud y longitud de onda, además de impulso y masa. Hagamos una reserva de inmediato: los fotones no tienen masa en reposo. Al ser un cuanto de campo electromagnético, transportan energía y masa sólo en el proceso de movimiento. Ésta es la esencia del concepto de "luz". La física lo ha explicado con cierto detalle estos días.

Longitud de onda y energía.

El concepto de "energía de las olas" se mencionó anteriormente. 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 encuentra un obstáculo, cede completamente su energía a la sustancia, se convierte en ella y pierde su esencia individual. Además, determinadas circunstancias (por ejemplo, un fuerte calentamiento) pueden hacer que los interiores de metales y gases, hasta ahora oscuros y tranquilos, emitan luz. El momento de un fotón, consecuencia directa de la presencia de masa, se puede determinar mediante la presión de la luz. Investigadores de Rusia han demostrado de manera convincente este hecho sorprendente.

La experiencia de Lebedev

El científico ruso Pyotr Nikolaevich Lebedev realizó el siguiente experimento en 1899. Colgó el travesaño de un fino hilo plateado. El científico colocó dos placas de la misma sustancia en los extremos de la barra transversal. Estos incluían láminas de plata, oro e incluso mica. Así, se crearon una especie de escalas. Solo midieron el peso no de una carga que presiona desde arriba, sino de una carga que presiona desde un lado 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 aquella época era imposible conseguir ni siquiera un vacío medio. Entonces diremos que creó bajo una cubierta de vidrio con fuerza e iluminó alternativamente un plato, dejando el otro en la sombra. La cantidad de luz que incide sobre las superficies estaba predeterminada. Basándose en el ángulo de desviación, Lebedev determinó qué impulso transmitía la luz a las placas.

Fórmulas para determinar la presión de la radiación electromagnética con incidencia normal del haz.

Primero expliquemos qué es una “caída normal”. La luz incide normalmente sobre una superficie si se dirige estrictamente perpendicular a la superficie. Esto impone limitaciones al problema: la superficie debe ser perfectamente lisa y el haz de radiación debe dirigirse con mucha precisión. En este caso, la presión se calcula:

k es el coeficiente de 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 tenemos en cuenta la idealidad de la superficie, es bastante difícil organizar la incidencia de la luz de forma estrictamente perpendicular.

Fórmulas para determinar la presión de la radiación electromagnética cuando cae en ángulo.

La presión de la luz sobre la superficie de un espejo en ángulo se calcula mediante otra fórmula, que ya contiene elementos vectoriales:

p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ

Las cantidades p, i, i’ son vectores. En este caso, k y ρ, como en la fórmula anterior, son los coeficientes de transmitancia y reflexión, respectivamente. Los nuevos valores significan lo siguiente:

  • ω - densidad de energía de radiación volumétrica;
  • Yo y yo' - vectores de unidad, que muestran la dirección del haz de luz incidente y reflejado (especifican las direcciones en las que se deben sumar las fuerzas actuantes);
  • ϴ es el ángulo con la normal en el que cae el rayo de luz (y, en consecuencia, se refleja, ya que la superficie está reflejada).

Recordemos al lector que la normal es perpendicular a la superficie, por lo que si el problema da el ángulo de incidencia de la luz en la superficie, entonces ϴ es 90 grados menos el valor dado.

Aplicación del fenómeno de presión de radiación electromagnética.

Para un estudiante de física, muchas fórmulas, conceptos y fenómenos le parecen aburridos. Porque, por regla general, el profesor dice aspectos teóricos, pero rara vez puede dar ejemplos de los beneficios de ciertos fenómenos. No culpemos a los tutores de la escuela por esto: están muy limitados por el programa, necesitan cubrir mucho material durante la lección y todavía tienen tiempo para evaluar los conocimientos de los estudiantes;

Sin embargo, el objeto de nuestro estudio tiene muchas aplicaciones interesantes:

  1. Ahora casi todos los escolares en su laboratorio. institución educativa Puede 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.
  2. Producir protones de alta energía (por ejemplo, para irradiación). diferentes sustancias) acelerando películas delgadas con un pulso láser.
  3. Contabilidad de presión radiación electromagnética el sol sobre la superficie de objetos cercanos a la Tierra, incluidos satélites y estaciones espaciales, permite ajustar su órbita con mayor precisión y evita que estos dispositivos caigan a la Tierra.

Las aplicaciones anteriores existen ahora en mundo real. Pero también hay oportunidades potenciales que aún no se han aprovechado, porque la tecnología de la humanidad aún no ha alcanzado el nivel requerido. Entre ellos:

  1. Con su ayuda sería posible mover cargas bastante grandes en el espacio cercano a la Tierra e incluso en el solar. La luz da un pequeño impulso, pero dada la posición deseada de la superficie de la vela, la aceleración sería constante. En ausencia de fricción, basta con ganar velocidad y entregar la carga al punto deseado del sistema solar.
  2. Motor de fotones. Esta tecnología puede permitir a una persona superar la gravedad de su estrella natal y volar a otros mundos. La diferencia con una vela solar es que los impulsos solares serán generados por un dispositivo creado artificialmente, por ejemplo, un motor termonuclear.