ლექსები ბავშვებისთვის

მსუბუქი წნევა. ფიზიკაში ამოხსნილი ამოცანების მაგალითები თემაზე „სინათლის წნევა“ როგორ იზომება სინათლის წნევა?

ქვემოთ მოცემულია პრობლემების პირობები და სკანირებული გადაწყვეტილებები. თუ ამ თემაზე პრობლემის გადაჭრა გჭირდებათ, შეგიძლიათ იპოვოთ მსგავსი პირობა აქ და მოაგვაროთ თქვენი ანალოგიით. გვერდის ჩატვირთვას შეიძლება გარკვეული დრო დასჭირდეს სურათების დიდი რაოდენობის გამო. თუ თქვენ გჭირდებათ პრობლემის გადაჭრა ან ონლაინ დახმარება ფიზიკაში, გთხოვთ დაგვიკავშირდეთ, ჩვენ სიამოვნებით დაგეხმარებით.

ფიზიკური ფენომენი - სინათლის წნევა ზედაპირზე - შეიძლება განვიხილოთ ორი პოზიციიდან - სინათლის კორპუსკულური და ტალღური თეორიებიდან. სინათლის კორპუსკულური (კვანტური) თეორიის მიხედვით, ფოტონი არის ნაწილაკი და აქვს იმპულსი, რომელიც, როდესაც ფოტონი ზედაპირზე მოხვდება, მთლიანად ან ნაწილობრივ ზედაპირზე გადადის. ტალღის თეორიის მიხედვით სინათლე არის ელექტრომაგნიტური ტალღა, რომელიც მასალაში გავლისას ახდენს გავლენას დამუხტულ ნაწილაკებზე (ლორენცის ძალა), რაც ხსნის სინათლის წნევას ამ თეორიაში.

620 ნმ ტალღის სიგრძის შუქი ჩვეულებრივ ეცემა გაშავებულ ზედაპირზე და ახდენს წნევას 0,1 μPa. რამდენი ფოტონი ეცემა 5 სმ 2 ფართობის ზედაპირზე 10 წამში?

სინათლე ჩვეულებრივ ეცემა სარკის ზედაპირზე და ახდენს მასზე 40 μPa წნევას. რა არის ზედაპირის დასხივება?

600 ნმ ტალღის სიგრძის შუქი ჩვეულებრივ ეცემა სარკის ზედაპირზე და ახდენს წნევას 4 μPa. რამდენი ფოტონი მოხვდა ზედაპირზე 1 მმ 2 ფართობით 10 წამში?

590 ნმ ტალღის სიგრძის სინათლე ეცემა სარკის ზედაპირზე 60 გრადუსიანი კუთხით. მანათობელი ნაკადის სიმკვრივე 1 კვტ/მ2. განსაზღვრეთ მსუბუქი წნევა ზედაპირზე.

წყარო მდებარეობს ზედაპირიდან 10 სმ დაშორებით. ზედაპირზე მსუბუქი წნევა არის 1 მპა. იპოვნეთ წყაროს ძალა.

0.8 W-ის მანათობელი ნაკადი ჩვეულებრივ ეცემა სარკის ზედაპირზე 6 სმ2 ფართობით. იპოვნეთ მსუბუქი წნევის წნევა და ძალა.

0,9 W-ის მანათობელი ნაკადი ჩვეულებრივ მოდის სარკის ზედაპირზე. იპოვეთ მსუბუქი წნევის ძალა ამ ზედაპირზე.

სინათლე ჩვეულებრივ ეცემა ზედაპირზე 0,8 ანარეკლზე. ამ ზედაპირზე განხორციელებული მსუბუქი წნევა არის 5,4 μPa. რა ენერგიას მოიტანს ფოტონები 1 მ2 ფართობის ზედაპირზე 1 წამში?

იპოვეთ მსუბუქი წნევა, რომელიც განხორციელდა ინკანდესენტური ნათურის ნათურის გაშავებულ ზედაპირზე შიგნიდან. განვიხილოთ კოლბა 10 სმ რადიუსის სფეროდ, ხოლო ნათურის სპირალი წერტილოვანი სინათლის წყაროდ 1 კვტ სიმძლავრით.

120 ვტ/მ2 მანათობელი ნაკადი ჩვეულებრივ ეცემა ზედაპირზე და ახდენს 0,5 μPa წნევას. იპოვნეთ ზედაპირის არეკვლა.

სინათლე ჩვეულებრივ ეცემა 5 სმ2 ფართობის სრულყოფილად ამრეკლავ ზედაპირზე 3 წუთში, დაცემის შუქის ენერგია არის 9 ჯ. იპოვნეთ სინათლის წნევა.

სინათლე ეცემა სარკის ზედაპირზე 4,5 სმ2 ფართობით. ზედაპირის ენერგეტიკული განათება 20 ვტ/სმ2. რა იმპულსს გადასცემენ ფოტონები ზედაპირს 5 წამში?

სინათლე ჩვეულებრივ ეცემა გაშავებულ ზედაპირზე და 10 წუთში მოაქვს 20 J ენერგია. იპოვეთ ზედაპირის დასხივება და მსუბუქი წნევა.

0,1 ვტ/სმ2 ნაკადის სიმძლავრის სინათლე ეცემა სარკის ზედაპირზე 30 გრადუსიანი დაცემის კუთხით. განსაზღვრეთ მსუბუქი წნევა ზედაპირზე.

ფოტონებში იმპულსის არსებობის ერთ-ერთი ექსპერიმენტული დადასტურებაა სინათლის წნევის არსებობა (ლებედევის ექსპერიმენტები).

ტალღის ახსნა (მაქსველის მიხედვით): ინდუცირებული დენების ურთიერთქმედება ტალღის მაგნიტურ ველთან.

კვანტური თვალსაზრისით, ზედაპირზე სინათლის წნევა განპირობებულია იმით, რომ ამ ზედაპირთან შეჯახებისას თითოეული ფოტონი გადასცემს მას თავის იმპულსს. ვინაიდან ფოტონს შეუძლია სინათლის სიჩქარით მოძრაობა მხოლოდ ვაკუუმში, სხეულის ზედაპირიდან სინათლის ასახვა უნდა ჩაითვალოს ფოტონების „ხელახალი ემისიის“ პროცესად - შემხვედრი ფოტონი შეიწოვება ზედაპირზე და შემდეგ ხელახლა გამოსხივებული მის მიერ იმპულსის საპირისპირო მიმართულებით.

განვიხილოთ მსუბუქი წნევა, რომელსაც ახორციელებს სხეულის ზედაპირზე მონოქრომატული გამოსხივების ნაკადი ზედაპირზე პერპენდიკულარული.

დაეცემა დროის ერთეულზე სხეულის ზედაპირის ერთეულზე პფოტონები. თუ სხეულის ზედაპირიდან სინათლის არეკვლის კოეფიციენტი ტოლია R,რომ Rn ფოტონები აირეკლება და (1 –რ) p- შეიწოვება. თითოეული ასახული ფოტონი გადასცემს კედელს ტოლი იმპულსით 2р f =2hv/c (არეკვლისას ფოტონის იმპულსი იცვლება – r f). თითოეული შთანთქმული ფოტონი თავის იმპულსს კედელს გადასცემს r f =hv/c .ზედაპირზე მსუბუქი წნევა უდრის იმ იმპულსს, რომელსაც ყველა ზედაპირი გადასცემს 1 წამში პფოტონები:

, (11-12)

სად I=nhv – ყველა ფოტონის ენერგია, რომელიც ემთხვევა ერთეულ ზედაპირზე ერთეულ დროში, ანუ სინათლის ინტენსივობა და w=I/c - ინციდენტური გამოსხივების მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივე. ეს ფორმულა გამოსცადეს ექსპერიმენტულად და დადასტურდა ლებედევის ექსპერიმენტებში.

4. ფოტონის გაზი. ბოზონები. ბოზე-აინშტაინის განაწილება.

მოდით განვიხილოთ სინათლე, როგორც ფოტონების კოლექცია, რომლებიც დახურულ ღრუშია სარკისებური კედლებით. სინათლის ზეწოლა სპეკულარულად ამრეკლავ ზედაპირზე უნდა იყოს ისეთივე, როგორიც იქნებოდა, თუ ფოტონები სპეკულარულად აირეკლავდნენ ზედაპირიდან, როგორც აბსოლუტურად ელასტიური ბურთულები.

ვიპოვოთ იდეალურად ამრეკლავ კედლებზე განხორციელებული წნევა| დახურული ღრუ.

სიმარტივისთვის, ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ღრუ კუბის ფორმისაა. გამოსხივების იზოტროპიის გამო, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ ფოტონების მოძრაობის ყველა მიმართულება თანაბრად სავარაუდოა. ფოტონებს შორის არ არის ურთიერთქმედება (შეჯახების დროს მათი სიხშირე არ იცვლება). ამიტომ, ფოტონები მოძრაობენ იდეალური ერთატომური აირის მოლეკულების მსგავსად.

ჩვენ ვპოულობთ იდეალური გაზის წნევას ღრუს კედლებზე აირების კინეტიკური თეორიის ძირითადი განტოლებიდან:

მაგრამ ფოტონებისთვის m=hv i /c 2, υ i=с და ამიტომ mυ i 2 = hv i.ამგვარად,

სად ვარის ღრუში არსებული ყველა ფოტონის მთლიანი ენერგია და წნევა მის კედლებზე

Აქ w-მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივე. თუ ჩვენს ღრუში ფოტონებს აქვთ სიხშირე 0-დან ∞-მდე, მაშინ ვშეიძლება განისაზღვროს ფორმულით:

(11-14)

Აქ ρ(ν) - მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივე სიხშირის დიაპაზონში ν-დან ν+dν-მდე.

ფუნქცია ρ(ν) ნაპოვნია ფოტონების სპეციალური კვანტური განაწილების გამოყენებით ენერგიის (სიხშირის) მიხედვით, - განაწილება ბოზე-აინშტაინი (B-E).

1. მაქსველის განაწილებისგან განსხვავებით, რომელიც ახასიათებს ნაწილაკების განაწილებას სიჩქარის (იმპულსის) სივრცეში, კვანტური განაწილება აღწერს ნაწილაკების ენერგიას. ნაწილაკების მომენტებითა და კოორდინატებით წარმოქმნილ ფაზა სივრცეში.

2. ფაზის სივრცის ელემენტარული მოცულობა უდრის (გავამრავლოთ ყველა კოორდინატთა ზრდა):

3. მოცულობა შტატზე უდრის სთ 3 .

4. შტატების რაოდენობა დგ იკვანტურ სტატისტიკაში ელემენტარული ფაზის მოცულობაში მდებარე გამოსხივება მიიღება მოცულობის (11-15) გაყოფით სთ 3:

5. დისტრიბუცია B-E მთელი რიცხვითი სპინის მქონე ნაწილაკების სისტემები ემორჩილება. მათ მიიღეს სახელი ბოზონები. ეს ნაწილაკები ასევე შეიცავს ფოტონებს. მათი სპინი იღებს მთელ მნიშვნელობებს. ფოტონის კუთხური იმპულსი იღებს მნიშვნელობას mh/2π, სად მ = 1. 2,3… ბოზე-აინშტაინის განაწილების ფუნქციას ფოტონებისთვის აქვს ფორმა:

, (11-16)

სად. ΔN - ფოტონების რაოდენობა მოცულობით dV, n მე - ნაწილაკების საშუალო რაოდენობა ერთ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში ენერგიით ვ ირომელსაც ქვია კ - ბოლცმანის მუდმივი, თ- აბსოლუტური ტემპერატურა. კოეფიციენტი 2 ჩნდება სინათლის პოლარიზაციის ორი შესაძლო მიმართულების არსებობის გამო (პოლარიზაციის სიბრტყის მარცხნივ და მარჯვნივ ბრუნვა).

სახელმწიფოთა საერთო რაოდენობა მოცულობით ვ(მოცულობით ინტეგრაციის შემდეგ და ფოტონის იმპულსს შორის ურთიერთობის გამოყენების შემდეგ რდა მისი ენერგია W,νр =hv/c, W= hv ):

სადაც ν არის სიხშირე, თან -სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში.

ფოტონების რაოდენობა ენერგიით ვადრე W+dWმოცულობაში V:

ჩვენ ვპოულობთ მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივეს სიხშირის დიაპაზონში ν-დან ν +dν-მდე გამრავლებით (11-16) ერთი ფოტონის ენერგიაზე. hν :

. (11-18)

ჩვენ ვპოულობთ რადიაციულ წნევას ფორმულების გამოყენებით (11-13), (11-14) და (11-18):

რადიაციის მდგომარეობის განტოლება:

რადიაციის ენერგია V მოცულობიდან (შტეფან-ბოლცმანის კანონი):

კავშირი ენერგიულ სიკაშკაშესა და მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივეს შორის (მოჰყვება პლანკის ფორმულის შედარებას ფორმულასთან (11-18):

R E (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).

- სინათლის მიერ განხორციელებული წნევა ამრეკლავ და შთანთქმელ სხეულებზე, ნაწილაკებზე, აგრეთვე ცალკეულ მოლეკულებსა და ატომებზე; ერთ - ერთისინათლის პონდერომოძრავი მოქმედება გადაცემასთან დაკავშირებულიელექტრომაგნიტური ველის პულსი ნივთიერება. პირველად წამოაყენეს ჰიპოთეზა მსუბუქი წნევის არსებობის შესახები.კეპლერი (ჯ.კეპლერი) მე-17 საუკუნეში. გადახრის ასახსნელადკომეტის კუდები მზიდან. მოცემულია სინათლის წნევის თეორია კლასიკური ელექტროდინამიკის ფარგლებშიჯ.მაქსველი (ჯ. მაქსველი) 1873 წელს. მასში სინათლის წნევა მჭიდროდ არის დაკავშირებული გაფანტვასთან და შთანთქმასთან.ელექტრომაგნიტური ტალღა მატერიის ნაწილაკები. ფარგლებშიკვანტური თეორია მსუბუქი წნევა არის იმპულსების გადაცემის შედეგიფოტონები სხეულში.

1873 წელს მაქსველმა, სინათლის ელექტრომაგნიტური ბუნების შესახებ იდეებზე დაყრდნობით, იწინასწარმეტყველა, რომ სინათლემ უნდა მოახდინოს ზეწოლა დაბრკოლებებზე. ეს წნევა გამოწვეულია ტალღის ელექტრომაგნიტური ველის ელექტრული და მაგნიტური კომპონენტებისგან მოქმედი ძალებით განათებულ სხეულში მუხტებზე.

დაეცემა სინათლე გამტარ (ლითონის) ფირფიტაზე. ტალღის ველის ელექტრული კომპონენტი მოქმედებს თავისუფალ ელექტრონებზე ძალით

F el =q E,

სადაც q არის ელექტრონის მუხტი. E არის ტალღის ელექტრული ველის სიძლიერე.

ელექტრონები იწყებენ მოძრაობას სიჩქარით ვ(ნახ.1) ვინაიდან მიმართულება ეტალღაში პერიოდულად იცვლება საპირისპირო, შემდეგ ელექტრონები პერიოდულად იცვლებიან მათი მოძრაობის მიმართულებას საპირისპიროდ, ე.ი. შეასრულოს იძულებითი რხევები ტალღის ელექტრული ველის მიმართულებით.

სურათი 1 - ელექტრონის მოძრაობა

მაგნიტური კომპონენტი INსინათლის ტალღის ელექტრომაგნიტური ველი მოქმედებს ლორენცის ძალით

F l = q V B,

რომლის მიმართულებაც, მარცხენა წესის შესაბამისად, ემთხვევა სინათლის გავრცელების მიმართულებას. როდესაც მიმართულებები ედა ბიცვლება საპირისპიროდ, მაშინ იცვლება ელექტრონის სიჩქარის მიმართულებაც, მაგრამ ლორენცის ძალის მიმართულება უცვლელი რჩება. ლორენცის ძალების შედეგი, რომლებიც მოქმედებენ თავისუფალ ელექტრონებზე ნივთიერების ზედაპირულ ფენაში, არის ძალა, რომლითაც სინათლე აჭერს ზედაპირზე.

სურათი 2

1- სარკის ფრთა; 2- გაშავებული ფრთა; 3-სარკე; ბრუნვის კუთხის საზომი 4-სკალა; 5 მინის ძაფი

მსუბუქი წნევა ასევე შეიძლება აიხსნას საფუძველზე კვანტური იდეები სინათლის შესახებ. როგორც ზემოთ აღინიშნა, ფოტონებს აქვთ იმპულსი. როდესაც ფოტონები მატერიას ეჯახება, ფოტონების ნაწილი აირეკლება, ნაწილი კი შეიწოვება. ორივე პროცესს თან ახლავს იმპულსის გადატანა ფოტონებიდან განათებულ ზედაპირზე. ნიუტონის მეორე კანონის მიხედვით, სხეულის იმპულსის ცვლილება ნიშნავს, რომ მსუბუქი წნევის ძალა მოქმედებს სხეულზე. F მისცეს. ამ ძალის მოდულის თანაფარდობა სხეულის ზედაპირის ფართობთან უდრის ზედაპირზე სინათლის წნევას: P = F წნევა /S.

მსუბუქი წნევის არსებობა ექსპერიმენტულად დაადასტურა ლებედევმა. ლებედევის მიერ შექმნილი მოწყობილობა იყო ძალიან მგრძნობიარე ბრუნვის სასწორი. სასწორის მოძრავი ნაწილი იყო მსუბუქი ჩარჩო მსუბუქი და მუქი ფრთებით 0,01 მმ სისქით დაკიდული თხელ კვარცის ძაფზე. სინათლე ახდენდა სხვადასხვა ზეწოლას ნათელ (ამრეკლავ) და ბნელ (შთანთქმის) ფრთებზე. შედეგად, ჩარჩოზე მოქმედებდა ბრუნი, რომელიც ახვევდა საკიდის ძაფს. სინათლის წნევის დასადგენად გამოიყენებოდა ძაფის მობრუნების კუთხე.

წნევის ოდენობა დამოკიდებულია სინათლის ინტენსივობაზე. ინტენსივობის მატებასთან ერთად იზრდება სხეულის ზედაპირთან ურთიერთქმედების ფოტონების რაოდენობა და, შესაბამისად, იზრდება ზედაპირის მიერ მიღებული იმპულსი.
ძლიერი ლაზერული სხივები ქმნიან წნევას, რომელიც აღემატება ატმოსფერულ წნევას.

მყარი სხეულის ზედაპირზე სინათლის ნორმალური მოხვედრისას სინათლის წნევა განისაზღვრება ფორმულით გვ = ს(1 — რ)/გ, სად ს — ენერგიის ნაკადის სიმკვრივე (შუქის ინტენსივობა), რ- ასახვის კოეფიციენტი სინათლე ზედაპირიდან.

მყარ სხეულებზე სინათლის წნევა პირველად ექსპერიმენტულად იქნა შესწავლილიპ.ნ.ლებედევი 1899 წელს. სინათლის წნევის ექსპერიმენტული გამოვლენის მთავარი სირთულე იყო მისი ფონიდან გამოყოფა.რადიომეტრული და კონვექციური ძალები , რომლის სიდიდე დამოკიდებულია სხეულის გარშემო გაზის წნევაზე და არასაკმარისივაკუუმი შეიძლება აღემატებოდეს სინათლის წნევას სიდიდის რამდენიმე რიგით. INლებედევის ექსპერიმენტები ევაკუირებულ (მმ Hg) მინის ჭურჭელში, საქანელების მკლავები დაკიდული იყო თხელ ვერცხლის ძაფზებრუნვის სასწორები მათზე მიმაგრებული თხელი დისკო-ფრთებით, რომლებიც დასხივებული იყო. ფრთები მზადდებოდა სხვადასხვა ლითონისგან დამიკა იდენტური საპირისპირო ზედაპირებით. სხვადასხვა სისქის ფრთების წინა და უკანა ზედაპირების თანმიმდევრული დასხივებით, ლებედევმა მოახერხა რადიომეტრიული ძალების ნარჩენი ეფექტის განეიტრალება და დამაკმაყოფილებელი (შეცდომით) შეთანხმება მაქსველის თეორიასთან. 1907-1910 წლებში ლებედევმა ჩაატარა კიდევ უფრო დახვეწილი ექსპერიმენტები შესასწავლადმსუბუქი წნევა გაზებზე და ასევე კარგი თანხმობა აღმოაჩინა თეორიასთან.

სინათლის წნევა დიდ როლს თამაშობს ასტრონომიულ და ატომურ მოვლენებში. ასტროფიზიკაში მსუბუქი წნევა გაზის წნევასთან ერთად უზრუნველყოფს ვარსკვლავების მდგრადობას დაპირისპირებითგრავიტაციული ძალები . მსუბუქი წნევის მოქმედება ხსნის კომეტის კუდების ზოგიერთ ფორმას. ატომური ეფექტები მოიცავს ე.წ. მანათობელი გამომავალი, რომელსაც განიცდის აღგზნებული ატომი ფოტონის გამოსხივებისას.

შედედებულ მედიაში მსუბუქი წნევა შეიძლება გამოიწვიოსგადამზიდავი დენი (იხ. ფოტოელექტრული ეფექტი).

სინათლის წნევის სპეციფიკური მახასიათებლები გვხვდება იშვიათ ატომურ სისტემებში, როდესაცრეზონანსული გაფანტვა ინტენსიური შუქი, როდესაც ლაზერული გამოსხივების სიხშირე სიხშირის ტოლიაატომური გადასვლა . ფოტონის შთანთქმით, ატომი იღებს იმპულსს ლაზერის სხივის მიმართულებით და გადადისაღელვებული მდგომარეობა . შემდეგ, სპონტანურად ასხივებს ფოტონს, ატომი იძენს იმპულსს ( მანათობელი ეფექტურობა) ნებისმიერი მიმართულებით. შემდგომი შენაძენებით დასპონტანური გამონაბოლქვი ფოტონები, თვითნებურად მიმართული სინათლის გამომავალი პულსები ანადგურებენ ერთმანეთს და, საბოლოო ჯამში, რეზონანსული ატომი იღებს პულსს, რომელიც მიმართულია სინათლის სხივის გასწვრივ. სინათლის რეზონანსული წნევა . ძალის ფსინათლის რეზონანსული წნევა ატომზე განისაზღვრება, როგორც სიმკვრივის მქონე ფოტონების ნაკადით გადაცემული იმპულსი. ნდროის ერთეულზე: , სადაც -ერთი ფოტონის იმპულსი - შთანთქმის ჯვარი რეზონანსული ფოტონი, -სინათლის ტალღის სიგრძე . შედარებით დაბალი გამოსხივების სიმკვრივის დროს, სინათლის რეზონანსული წნევა პირდაპირპროპორციულია სინათლის ინტენსივობისა. მაღალი სიმკვრივის დროს ნსაბოლოოს გამო ()აღგზნებული დონის სიცოცხლის განმავლობაში, აბსორბცია გაჯერებულია და სინათლის რეზონანსული წნევის გაჯერება (იხ.გაჯერების ეფექტი ). ამ შემთხვევაში, სინათლის წნევა იქმნება ატომების მიერ სპონტანურად გამოსხივებული ფოტონებით საშუალო სიხშირით (ამოგზნებული ატომის სიცოცხლის ხანგრძლივობის საპირისპიროდ) განსაზღვრული შემთხვევითი მიმართულებით.ატომური ემისიის დიაგრამა . სინათლის წნევის სიძლიერე წყვეტს ინტენსივობაზე დამოკიდებული, მაგრამ განისაზღვრება გამოსხივების სპონტანური აქტების სიჩქარით: . c -1 და μm ტიპიური მნიშვნელობებისთვის, სინათლის წნევის ძალა არის eV/cm; როდესაც გაჯერებულია, სინათლის რეზონანსულმა წნევამ შეიძლება შექმნას ატომების აჩქარება 10 5-მდე
გ (გ — გრავიტაციის აჩქარება ). ასეთი დიდი ძალები შერჩევითი კონტროლის საშუალებას იძლევაატომური სხივები ცვალებადი სინათლის სიხშირით და განსხვავებულად მოქმედებს ატომების ჯგუფებზე, რომლებიც მცირედ განსხვავდებიან რეზონანსული შთანთქმის სიხშირეში. კერძოდ, შესაძლებელია შეკუმშვამაქსველის განაწილება სიჩქარით, სხივიდან მაღალსიჩქარიანი ატომების მოცილებით. ლაზერული შუქი მიმართულია ატომური სხივისკენ, ხოლო რადიაციის სპექტრის სიხშირესა და ფორმას ირჩევს ისე, რომ უსწრაფესი ატომები განიცდიან სინათლის წნევის ყველაზე ძლიერ დამუხრუჭების ეფექტს მათი უფრო დიდის გამო.დოპლერის ცვლა რეზონანსული სიხშირე. სინათლის რეზონანსული წნევის კიდევ ერთი შესაძლო გამოყენებაა აირების გამოყოფა: ორკამერიანი ჭურჭლის დასხივებისას, რომელიც სავსეა ორი აირის ნარევით, რომელთაგან ერთი რეზონანსშია გამოსხივებასთან, სინათლის წნევის გავლენის ქვეშ მყოფი რეზონანსული ატომები იქნება. გადაადგილება შორეულ პალატაში.

ინტენსიურ ველში მოთავსებულ ატომებზე სინათლის რეზონანსულ წნევას თავისებური თვისებები აქვს.მდგარი ტალღა . კვანტური თვალსაზრისით, ფოტონების საპირისპირო ნაკადების შედეგად წარმოქმნილი მუდმივი ტალღა იწვევს ატომს დარტყმებს ფოტონების შთანთქმის და მათი სტიმულირებული ემისიის გამო. ატომზე მოქმედი საშუალო ძალა ნულის ტოლია ტალღის სიგრძეზე ველის არაერთგვაროვნების გამო. კლასიკური თვალსაზრისით, სინათლის წნევის ძალა გამოწვეულია სივრცით არაერთგვაროვანი ველის მოქმედებით ინდუცირებულზე.ატომური დიპოლი . ეს ძალა მინიმალურია კვანძებში, სადაცდიპოლური მომენტი არ არის ინდუცირებული და ანტინოდებში, სადაც ველის გრადიენტი ხდება ნულოვანი. სინათლის წნევის მაქსიმალური ძალა ტოლია სიდიდის მიხედვით (ნიშნები ეხება დიპოლების ფაზაში და ანტიფაზა მოძრაობას მომენტით დველთან მიმართებაში ინტენსივობით ე). ამ ძალას შეუძლია მიაღწიოს გიგანტურ მნიშვნელობებს: debye, μm და V/cm, ძალა არის eV/cm.

მუდმივი ტალღის ველი ანაწილებს ატომების სხივს, რომელიც გადის სინათლის სხივში, რადგან დიპოლები, რომლებიც ანტიფაზაში ირხევიან, მოძრაობენ სხვადასხვა ტრაექტორიების გასწვრივ, როგორც ატომები შტერნ-გერლახის ექსპერიმენტში. ლაზერის სხივებში, სხივის გასწვრივ მოძრავი ატომები ექვემდებარება რადიალური სინათლის წნევის ძალას, რომელიც გამოწვეულია სინათლის ველის სიმკვრივის რადიალური არაერთგვაროვნებით.

დგომაშიც და შიგნითაცმოგზაურობის ტალღა ხდება არა მხოლოდ ატომების დეტერმინისტული მოძრაობა, არამედ მათიდიფუზია ფაზურ სივრცეში იმის გამო, რომ ფოტონების შთანთქმის და ემისიის აქტები არის წმინდა კვანტური შემთხვევითი პროცესები. სივრცითი დიფუზიის კოეფიციენტი მასის მქონე ატომისთვის მმოგზაურ ტალღაში უდრის .

სინათლის რეზონანსული წნევა, როგორც განხილული, ასევე შეიძლება განიცადოსკვაზინაწილაკები მყარ სხეულებში:ელექტრონები, ეგციტონები და ა.შ.

ბიბლიოგრაფია

მუსტაფაევი რ.ა., კრივცოვი ვ.გ. ფიზიკა. მ., 2006 წ.

ეს ვიდეო გაკვეთილი ეძღვნება თემას „მსუბუქი წნევა. ლებედევის ექსპერიმენტები. ლებედევის ექსპერიმენტებმა დიდი შთაბეჭდილება მოახდინა სამეცნიერო სამყაროზე, რადგან მათი წყალობით პირველად გაიზომა სინათლის წნევა და დადასტურდა მაქსველის თეორიის მართებულობა. როგორ გააკეთა მან ეს? თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ პასუხი ამ და ბევრ სხვა საინტერესო კითხვაზე, რომელიც დაკავშირებულია სინათლის კვანტურ თეორიასთან ფიზიკის ამ მომხიბლავი გაკვეთილიდან.

თემა: მსუბუქი წნევა

გაკვეთილი: მსუბუქი წნევა. ლებედევის ექსპერიმენტები

ჰიპოთეზა მსუბუქი წნევის არსებობის შესახებ პირველად წამოაყენა იოჰანეს კეპლერმა მე-17 საუკუნეში, რათა აეხსნა კომეტის კუდების ფენომენი, როდესაც ისინი მზესთან დაფრინავენ.

მაქსველმა სინათლის ელექტრომაგნიტური თეორიის საფუძველზე იწინასწარმეტყველა, რომ სინათლემ უნდა მოახდინოს ზეწოლა დაბრკოლებაზე.

ტალღის ელექტრული ველის გავლენით სხეულებში ელექტრონები რხევა - წარმოიქმნება ელექტრული დენი. ეს დენი მიმართულია ელექტრული ველის სიძლიერის გასწვრივ. მოწესრიგებულ მოძრავ ელექტრონებზე მოქმედებს მაგნიტური ველის ლორენცის ძალა, რომელიც მიმართულია ტალღის გავრცელების მიმართულებით - ეს არის მსუბუქი წნევის ძალა(ნახ. 1).

ბრინჯი. 1. მაქსველის ექსპერიმენტი

მაქსველის თეორიის დასამტკიცებლად საჭირო იყო სინათლის წნევის გაზომვა. სინათლის წნევა პირველად გაზომა რუსმა ფიზიკოსმა პიოტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევმა 1900 წელს (სურ. 2).

ბრინჯი. 2. პეტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევი

ბრინჯი. 3. ლებედევის მოწყობილობა

ლებედევის მოწყობილობა (სურ. 3) შედგება შუშის თხელ ძაფზე მსუბუქი ღეროსგან, რომლის კიდეების გასწვრივ მსუბუქი ფრთებია მიმაგრებული. მთელი მოწყობილობა შუშის ჭურჭელში იყო მოთავსებული, საიდანაც ჰაერი ამოტუმბავდა. შუქი ეცემა ღეროს ერთ მხარეს მდებარე ფრთებს. წნევის მნიშვნელობა შეიძლება შეფასდეს ძაფის გადახვევის კუთხით. სინათლის წნევის ზუსტად გაზომვის სირთულე განპირობებული იყო იმით, რომ შეუძლებელი იყო ჭურჭლიდან მთელი ჰაერის ამოტუმბვა. ექსპერიმენტის დროს დაიწყო ჰაერის მოლეკულების მოძრაობა, რაც გამოწვეული იყო ჭურჭლის ფრთებისა და კედლების არათანაბარი გათბობით. ფრთების ბოლომდე ვერტიკალურად ჩამოკიდება შეუძლებელია. გაცხელებული ჰაერის ნაკადები მაღლა იწევს და მოქმედებს ფრთებზე, რაც იწვევს დამატებით ბრუნვას. ასევე, ძაფის გადახვევაზე გავლენას ახდენს ფრთების გვერდების არაერთგვაროვანი გათბობა. სინათლის წყაროსკენ მიმართული მხარე უფრო მეტად თბება, ვიდრე მოპირდაპირე მხარე. ცხელი მხრიდან არეკლილი მოლეკულები მეტ იმპულსს ანიჭებენ ფრთას.

ბრინჯი. 4. ლებედევის მოწყობილობა

ბრინჯი. 5. ლებედევის მოწყობილობა

ლებედევმა მოახერხა ყველა სირთულის გადალახვა, მიუხედავად იმდროინდელი ექსპერიმენტული ტექნოლოგიის დაბალი დონისა. მან აიღო ძალიან დიდი ჭურჭელი და ძალიან თხელი ფრთები. ფრთა შედგებოდა ორი წყვილი თხელი პლატინის წრეებისგან. თითოეული წყვილის ერთ-ერთი წრე ორივე მხრიდან ბრწყინავდა. დანარჩენ მხარეებს ერთი მხარე პლატინის ნიელოთი ჰქონდათ დაფარული. უფრო მეტიც, ორივე წყვილი წრე განსხვავდებოდა სისქეში.

კონვექციური დენების გამორიცხვის მიზნით, ლებედევმა ფრთებზე სინათლის სხივები მიმართა ერთი ან მეორე მხრიდან. ამრიგად, ფრთებზე მოქმედი ძალები დაბალანსებული იყო (სურ. 4-5).

ბრინჯი. 6. ლებედევის მოწყობილობა

ბრინჯი. 7. ლებედევის მოწყობილობა

ამრიგად, დადასტურდა და გაზომეს სინათლის წნევა მყარ სხეულებზე (სურ. 6-7). ამ წნევის მნიშვნელობა დაემთხვა მაქსველის წინასწარმეტყველურ წნევას.

სამი წლის შემდეგ ლებედევმა მოახერხა კიდევ ერთი ექსპერიმენტის ჩატარება - აირებზე სინათლის წნევის გაზომვა (სურ. 8).

ბრინჯი. 8. აირებზე სინათლის წნევის საზომი დანადგარი

ლორდი კელვინი: „შეიძლება იცოდეთ, რომ მთელი ცხოვრება ვიბრძოდი მაქსველთან, არ ვიცნობდი მის მსუბუქ წნევას და ახლა თქვენმა ლებედევმა მაიძულა დამემორჩილებინა მისი ექსპერიმენტები“.

სინათლის კვანტური თეორიის გაჩენამ შესაძლებელი გახადა უფრო მარტივად აეხსნა სინათლის წნევის მიზეზი.

ფოტონებს აქვთ იმპულსი. როდესაც ორგანიზმი შეიწოვება, მათ იმპულსს გადასცემენ მას. ასეთი ურთიერთქმედება შეიძლება ჩაითვალოს სრულიად არაელასტიურ ზემოქმედებად.

თითოეული ფოტონის ზედაპირზე მოქმედი ძალა არის:

მსუბუქი წნევა ზედაპირზე:

ფოტონის ურთიერთქმედება სარკის ზედაპირთან

ამ ურთიერთქმედების შემთხვევაში მიიღება აბსოლუტურად ელასტიური ურთიერთქმედება. როდესაც ფოტონი ეცემა ზედაპირზე, ის აირეკლება მისგან იმავე სიჩქარით და იმპულსით, რომლითაც იგი დაეცა ამ ზედაპირზე. იმპულსის ცვლილება ორჯერ დიდი იქნება, ვიდრე ფოტონის შავ ზედაპირზე დაცემისას, სინათლის წნევა გაორმაგდება.

ბუნებაში არ არსებობს ნივთიერებები, რომელთა ზედაპირი მთლიანად შთანთქავს ან აირეკლავს ფოტონებს. ამიტომ რეალურ სხეულებზე სინათლის წნევის გამოსათვლელად აუცილებელია გავითვალისწინოთ, რომ ზოგიერთი ფოტონი შეიწოვება ამ სხეულში, ნაწილი კი აირეკლება.

ლებედევის ექსპერიმენტები შეიძლება ჩაითვალოს ექსპერიმენტულ მტკიცებულებად იმისა, რომ ფოტონებს აქვთ იმპულსი. მიუხედავად იმისა, რომ მსუბუქი წნევა ნორმალურ პირობებში ძალიან დაბალია, მისი ეფექტი შეიძლება იყოს მნიშვნელოვანი. მზის ზეწოლაზე დაყრდნობით კოსმოსური ხომალდებისთვის შემუშავდა იალქანი, რომელიც მათ სივრცეში სინათლის წნევით გადაადგილების საშუალებას მისცემს (სურ. 11).

ბრინჯი. 11. კოსმოსური იალქნები

სინათლის წნევა, მაქსველის თეორიის მიხედვით, წარმოიქმნება ელექტრომაგნიტური ტალღის ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ რხევითი მოძრაობების შემსრულებელ ელექტრონებზე ლორენცის ძალის მოქმედების შედეგად.

კვანტური თეორიის თვალსაზრისით, სინათლის წნევა წარმოიქმნება ფოტონების იმ ზედაპირთან ურთიერთქმედების შედეგად, რომელზეც ისინი ეცემა.

მაქსველის მიერ ჩატარებული გამოთვლები დაემთხვა ლებედევის მიერ წარმოებულ შედეგებს. ეს აშკარად ადასტურებს სინათლის კვანტურ-ტალღურ დუალიზმს.

კრუკსის ექსპერიმენტები

ლებედევმა პირველმა აღმოაჩინა მსუბუქი წნევა ექსპერიმენტულად და შეძლო მისი გაზომვა. ექსპერიმენტი წარმოუდგენლად რთული იყო, მაგრამ არსებობს მეცნიერული სათამაშო - კრუკსის ექსპერიმენტი (სურ. 12).

ბრინჯი. 12. კრუქსის ექსპერიმენტი

პატარა პროპელერი, რომელიც შედგება ოთხი ფურცლისგან, მდებარეობს ნემსზე, რომელიც დაფარულია მინის თავსახურით. თუ ამ პროპელერს შუქით ანათებთ, ის იწყებს ბრუნვას. თუ ამ პროპელერს ღია ცის ქვეშ უყურებთ, როცა მასზე ქარი უბერავს, მისი ბრუნვა არავის გააკვირვებს, მაგრამ ამ შემთხვევაში შუშის საფარი ხელს უშლის ჰაერის ნაკადებს პროპელერზე მოქმედებისგან. ამიტომ მისი მოძრაობის მიზეზი სინათლეა.

ინგლისელმა ფიზიკოსმა უილიამ კრუკსმა შემთხვევით შექმნა პირველი მსუბუქი სპინერი.

1873 წელს კრუკსმა გადაწყვიტა დაედგინა ელემენტის ტალიუმის ატომური წონა და აწონა ის ძალიან ზუსტი ბალანსით. შემთხვევითი ჰაერის ნაკადების ასაწონი სურათის დამახინჯების თავიდან ასაცილებლად, კრუკსმა გადაწყვიტა როკერის მკლავები ვაკუუმში შეეჩერებინა. მან ეს გააკეთა და გაოცებული დარჩა, რადგან მისი ყველაზე თხელი სასწორები სითბოსადმი მგრძნობიარე იყო. თუ სითბოს წყარო იყო ობიექტის ქვეშ, ის ამცირებდა მის წონას, თუ ზემოთ, ის ზრდიდა მას.

ამ შემთხვევითი გამოცდილების გაუმჯობესების შემდეგ, კრუკსმა გამოუშვა სათამაშო - რადიომეტრი (მსუბუქი წისქვილი). Crookes-ის რადიომეტრი არის ოთხპირიანი იმპულსი, რომელიც დაბალანსებულია ნემსზე მინის ნათურის შიგნით მცირე ვაკუუმის ქვეშ. როდესაც სინათლის სხივი ხვდება დანას, იმპულარი იწყებს ბრუნვას, რაც ზოგჯერ არასწორად აიხსნება მსუბუქი წნევით. სინამდვილეში, ბრუნვის მიზეზი არის რადიომეტრიული ეფექტი. ამაღელვებელი ძალის გაჩენა გაზის მოლეკულების კინეტიკური ენერგიების განსხვავების გამო, რომელიც ურტყამს დანის განათებულ (გახურებულ) მხარეს და მოპირდაპირე გაუნათებელ (უფრო ცივ) მხარეს.

სინათლის წნევა და გარემოებების წნევა ().
პიოტრ ნიკოლაევიჩ ლებედევი ().
Crookes რადიომეტრი ().

Გვერდი 1
§ 36. მსუბუქი წნევა. ფოტონები.

ძირითადი ფორმულები

ნორმალური სიხშირის დროს სინათლის მიერ წარმოქმნილი წნევა არის

p=(E e /c)*(1+ρ), ან p=(1+ρ),

სადაც ე ე - ზედაპირის დასხივება; თან -ვაკუუმში ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სიჩქარე;  - მოცულობითი გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივე; ρ - ასახვის კოეფიციენტი.

ფოტონის ენერგია

ε = hυ=hc/λ, ან ε = ħ,

სად თ- პლანკის მუდმივი; ħ=h/(2π); υ - სინათლის სიხშირე;  - წრიული სიხშირე; λ - ტალღის სიგრძე.

ფოტონის მასა და იმპულსი გამოიხატება შესაბამისად ფორმულებით

m=ε/c 2 = h/(cλ); p=mc=h/λ .
პრობლემის გადაჭრის მაგალითები

მაგალითი 1.მონოქრომატული სინათლის სხივი λ = 663 ნმ ტალღის სიგრძით ჩვეულებრივ ეცემა სარკისებურ ბრტყელ ზედაპირზე Ф e = 0.6 W. განსაზღვრეთ ძალა ფწნევა, რომელსაც განიცდის ეს ზედაპირი, ისევე როგორც რიცხვი ნფოტონები მასზე ხვდებიან t=5 წმ დროს

გამოსავალიზედაპირზე მსუბუქი წნევის ძალა უდრის სინათლის წნევის ნამრავლს რ S ზედაპირის ფართობზე:

ფ= pS. (1)

მსუბუქი წნევა შეგიძლიათ იხილოთ ფორმულის გამოყენებით

P=E e (ρ+l)/c (2)

გამონათქვამის (2) მსუბუქი წნევის ჩანაცვლება ფორმულაში (1), მივიღებთ

F= [(E e S)/c]*(ρ+1). (3)

ვინაიდან E e გამოსხივების ნამრავლი ზედაპირის ფართობზე S უდრის ზედაპირზე რადიაციული ენერგიის ნაკადს Ф, მიმართება (3) შეიძლება დაიწეროს ფორმით.

F = (F e /c)*(ρ+1).

F e და მნიშვნელობების ჩანაცვლების შემდეგ თანიმის გათვალისწინებით, რომ ρ=1 (სარკის ზედაპირი), ვიღებთ

ნომერი ნფოტონები, რომლებიც ზედაპირზე ჩნდება დროში ∆t განისაზღვრება ფორმულით

N=∆W/ε = F e ∆t/ε,

სადაც ∆W არის ზედაპირის მიერ დროის განმავლობაში მიღებული გამოსხივების ენერგია ∆ ტ

ამ ფორმულაში ფოტონის ენერგიის გამოხატვით ტალღის სიგრძით (ε =hc/λ), ვიღებთ

ნ= F e λ∆t/(hc).

ამ ფორმულაში რაოდენობების რიცხვითი მნიშვნელობების ჩანაცვლებით, ჩვენ ვპოულობთ

N= 10 19 ფოტონი.

მაგალითი 2.სინათლის პარალელური სხივი λ=500 ნმ ტალღის სიგრძით ჩვეულებრივ ეცემა გაშავებულ ზედაპირზე და წარმოქმნის წნევას p=10 μPa. განსაზღვრეთ: 1) კონცენტრაცია პფოტონები სხივში, 2) ფოტონების რიცხვი n 1, რომლებიც ეცემა ზედაპირზე 1 მ 2 ფართობით 1 წამში.

გამოსავალი. 1.კონცენტრაცია პფოტონები სხივში შეიძლება მოიძებნოს როგორც მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივის კოეფიციენტი  გაყოფილი ერთი ფოტონის ენერგიაზე:

n=/ε (1)

p=(1+ρ) ფორმულიდან, რომელიც განსაზღვრავს სინათლის წნევას, სადაც ρ არის ასახვის კოეფიციენტი, ვხვდებით

 = p/(ρ+1). (2)

გამოთქმის ჩანაცვლება  განტოლებიდან (2) ფორმულამდე (1), ვიღებთ

n = ρ/[(ρ+1)*ε]. (3)

ფოტონის ენერგია დამოკიდებულია υ სიხშირეზე და, შესაბამისად, სინათლის ტალღის სიგრძეზე λ:

ε = hυ = hc/λ (4)

ფოტონის ენერგიის გამოხატვის ჩანაცვლებით ფორმულაში (3), ჩვენ განვსაზღვრავთ ფოტონის სასურველ კონცენტრაციას:

n = (ρλ)/[(ρ+1)*ε]. (5)

არეკვლის კოეფიციენტი ρ გაშავებული ზედაპირისთვის აღებულია ნულის ტოლი.

რიცხვითი მნიშვნელობების ჩანაცვლებით ფორმულაში (5), ვიღებთ

n=2.52*10 13 მ -3.

2. ფოტონების რიცხვი n 1, რომლებიც მოხვდებიან ზედაპირზე 1 მ 2 ფართობით 1 წამში, აღმოჩნდება მიმართებიდან. ნ 1 = ნ/(წმ), სად N-დროში ჩავარდნილი ფოტონების რაოდენობა ტფართობის ზედაპირზე S. მაგრამ ნ= ncSt, აქედან გამომდინარე,

n 1 =(ncSt)/(St)=nc

მნიშვნელობების ჩანაცვლება აქ პდა თან,ვიღებთ

n 1 =7.56*10 21 m -2 *s -1.

მაგალითი3 . მონოქრომატული (λ = 0,582 μm) სინათლის სხივი ჩვეულებრივ ეცემა ზედაპირზე არეკვლის კოეფიციენტით ρ = 0,7. დაადგინეთ ამ ზედაპირის 1 სმ 2-ზე ყოველ წამში ჩამოვარდნილი ფოტონების რაოდენობა, თუ ამ ზედაპირზე სინათლის წნევა არის p = 1,2 μPa. იპოვნეთ ფოტონების კონცენტრაცია შუქის სხივის 1 სმ 3-ში.

გამოსავალი.ზედაპირზე სინათლის მიერ წარმოქმნილი წნევა ნორმალური სიხშირით მოცემულია:

სადაც E არის ენერგიის ინციდენტი ერთეულ ზედაპირზე ერთეულ დროს (ენერგეტიკული განათება), c არის სინათლის სიჩქარე, ρ არის ზედაპირის არეკვლა.

მეორეს მხრივ, დასხივება შეიძლება გამოიხატოს ინციდენტის ფოტონების რაოდენობის მიხედვით N:

(2)

სად
- ინციდენტის ფოტონის ენერგია. შემდეგ, (1) და (2) საფუძველზე ვიღებთ:

(3)

რიცხვითი მონაცემების ჩანაცვლებით, ვიღებთ ფოტონების რაოდენობას, რომლებიც მოხვდებიან 1 მ2 ზედაპირზე 1 წამში. შესაბამისად, ფოტონების N" რაოდენობა მოდის S = 1 სმ 2 ფართობზე:

(4)

რიცხვითი მონაცემების ჩანაცვლებით SI სისტემაში (S = 10 -4 მ 2), ვიღებთ
ფოტონები.

ფოტონების კონცენტრაცია ზედაპირთან ახლოს შემხვედრ სხივში განისაზღვრება ფორმულით:

სადაც n 0 არის ფოტონების რაოდენობა 1 მ 3-ში. მაშინ ფოტონების რაოდენობა 1 სმ 3-ში უდრის

(5)

რიცხვითი მონაცემების (5) ჩანაცვლება იმის გათვალისწინებით, რომ ვ = 10 -6 მ 3, ვიღებთ

4. მონოქრომატული შუქი ტალღის სიგრძით λ = 0,65 მკმ, წარმოქმნის წნევას გვ=510 -6 Pa. დაადგინეთ ფოტონების კონცენტრაცია ზედაპირთან ახლოს და ფოტონების რაოდენობა, რომლებიც მოხვდებიან ამ ზონაში ს = 1 მ 2 ინჩი ტ = 1 წმ.

ან
, (1)