Šviesos slėgis ir bangos dalelės dvejopumas

Šioje temoje nagrinėjamas šviesos slėgis ir bangos-dalelės dualumas, aiškinant šiuos reiškinius tiek banginiu (elektromagnetinės bangos), tiek daleliniu (fotonų srauto) požiūriais. Aptariami šviesos slėgio matavimai ir mikropasaulio dėsningumų tikimybinis pobūdis.

Bangos ir dalelės dvejopumas
Šviesos slėgis atskleidžia dvilypį (dualų) šviesos pobūdį: ji gali elgtis ir kaip elektromagnetinė banga, ir kaip fotonų srautas. Tai reiškia, kad šviesos slėgį galima paaiškinti naudojant tiek banginę, tiek kvantinę optiką. Bangos ir dalelės dvejopumas (dualumas) apibūdina mikropasaulio objektų savybę skirtingomis sąlygomis demonstruoti skirtingas savybes. Pavyzdžiui, šviesos spinduliavimas parodo dalelines savybes, šviesos sklidimas – bangines, o šviesos sąveika su metalo paviršiumi – vėl dalelines savybes.
Bangos ir dalelės dvejopumas
Šviesa (ir kiti mikroobjektai) pasižymi bangos ir dalelės dvejopumu (dualizmu). Tai reiškia, kad priklausomai nuo stebimo reiškinio, šviesa gali elgtis kaip elektromagnetinė banga (pvz., difrakcija, interferencija) arba kaip dalelių – fotonų – srautas (pvz., fotoefektas, šviesos slėgis). Tai nėra mechaninis bangos ir dalelės susijungimas, o fundamentali mikroobjekto savybė skirtingomis sąlygomis atskleisti skirtingus savo prigimties aspektus. Šviesai sklindant erdvėje, ryškesnės banginės savybės, o sąveikaujant su medžiaga – dalelinės.
Bangos ir dalelės dvejopumas bei tikimybinis pobūdis
Šviesos slėgio paaiškinimas tiek bangine, tiek daleline teorija atskleidžia fundamentalų šviesos (ir kitų mikroobjektų) bruožą – bangos ir dalelės dvejopumą. Tai reiškia, kad šviesa, priklausomai nuo sąlygų, gali elgtis arba kaip banga (pvz., sklisdama, patirdama difrakciją), arba kaip dalelių (fotonų) srautas (pvz., sąveikaudama su medžiaga – spinduliavimas, sugertis, slėgis). Kvantinė mechanika aprašo mikropasaulio reiškinius tikimybiškai. Negalima tiksliai nuspėti, kur nukris konkretus fotonas difrakcijos metu, bet galima nustatyti jo patekimo į tam tikrą sritį tikimybę. Ši tikimybė yra didžiausia ties difrakciniais maksimumais.
Kvantinių reiškinių tikimybinis pobūdis
Mikropasaulio dėsningumai yra iš esmės tikimybiniai. Skirtingai nuo klasikinės fizikos, kur statistika taikoma dideliam dalelių skaičiui (ansambliui), kvantinėje mechanikoje tikimybiniai dėsniai aprašo pavienių mikroobjektų elgseną. Pavyzdžiui, šviesos difrakcijos vaizdas ekrane rodo ne deterministinį fotonų pasiskirstymą, o tikimybę, kurioje vietoje atsidurs kiekvienas konkretus fotonas. Tikimybė fotonui patekti į tam tikrą sritį yra proporcinga šviesos intensyvumui toje srityje – didžiausia maksimumuose, nulinė minimumuose.
Mikropasaulio dėsningumų tikimybinis pobūdis
Sistemose, kurias sudaro labai daug dalelių, vyksta patys tikėtiniausi procesai. Šie procesai yra aprašomi statistikos dėsniais. Pavyzdžiui, kai šviesa sklinda pro difrakcinę gardelę, ekrane matomas difrakcinis vaizdas, kuriame yra šviesios ir tamsios juostos. Kiekvieno fotono patekimas į tam tikrą ekrano vietą yra atsitiktinis įvykis, paklūstantis statistikos dėsniams. Tikimybė, kad fotonas pasieks centrinio maksimumo sritį, yra didžiausia. Kvantinėje mechanikoje statistikos dėsniai yra taikomi kiekvienam fotonui atskirai. Tai skiriasi nuo klasikinės mechanikos, kur statistikos dėsniai taikomi tik didelėms dalelių grupėms.
Šviesos slėgio matavimas
Šviesos slėgis yra labai mažas, pavyzdžiui, Saulės spindulių sukeliamas slėgis yra tik \(4 * 10^{-9}\) Pa. Piotras Lebedevas 1899 metais pirmasis išmatavo šviesos slėgį. Jo sukurtame prietaise buvo lengvas rėmelis, pakabintas ant kvarcinio siūlo. Prie rėmelio buvo pritvirtintos plokštelės, pagamintos iš metalinės folijos. Viena plokštelių pusė buvo nudažyta juodai, o kita buvo veidrodinė. Lebedevas eksperimentiškai nustatė, kad veidrodinį paviršių šviesa veikia didesniu slėgiu. Jo apskaičiuotas slėgis atitiko Maksvelo teorijos numatytus rezultatus. Šie eksperimentai parodė, kad šviesa turi masę.
Šviesos slėgis: Banginė teorija
Remiantis elektromagnetinių bangų teorija, šviesa, kaip sklindanti elektrinio ir magnetinio laukų banga, daro slėgį į kūnus. Bangai pasiekus paviršių, jos kintamas elektrinis laukas priverčia paviršiaus elektronus svyruoti. Šiuos judančius elektronus veikia bangos magnetinis laukas Lorenco jėga (\(F = evB\)). Ši jėga yra statmena paviršiui ir nukreipta pagal bangos sklidimo kryptį, taip sukeldama slėgį.
Šviesos slėgis: banginis požiūris
XIX a. antroje pusėje Džeimsas Klarkas Maksvelas, remdamasis elektromagnetinių bangų teorija, nustatė, kad šviesos bangos daro slėgį kūnams. Kai elektromagnetinė banga pasiekia metalinę plokštelę, jos elektrinis laukas paveikia paviršinius elektronus. Elektronai pradeda judėti priešinga elektrinio lauko vektoriaus krypčiai ir svyruoti. Bangos magnetinis laukas veikia šiuos judančius elektronus Lorenco jėga. Šios jėgos kryptis nustatoma pagal kairės rankos taisyklę. Dėl Lorenco jėgos, veikiančios statmenai plokštelei, atsiranda slėgis.
Šviesos slėgis: banginis požiūris
Pagal klasikinę elektrodinamiką, šviesos banga, kuri yra statmenų kintamų elektrinio (\(\mathbf{E}\)) ir magnetinio (\(\mathbf{B}\)) laukų visuma, krintanti ant kūno paviršiaus, sukelia slėgį. Bangos elektrinis laukas priverčia kūno paviršiaus elektronus svyruoti. Judančius elektronus veikia bangos magnetinio lauko Lorenco jėga (\(\mathbf{F} = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})\)), nukreipta statmenai paviršiui bangos sklidimo kryptimi. Ši jėga sukuria šviesos slėgį.
Šviesos slėgis: Dalelinė teorija ir matavimas
Kvantinėje fizikoje šviesa laikoma fotonų srautu. Kiekvienas fotonas turi judesio kiekį (\(p = h/\lambda\), kur \(h\) yra Planko konstanta, o \(\lambda\) – bangos ilgis). Fotonams krintant į paviršių, jie perduoda jam dalį savo judesio kiekio (atsispindėdami ar būdami sugerti). Šis perduodamas judesio kiekis per laiko vienetą sukuria jėgą, pasireiškiančią kaip slėgis. Šviesos slėgis \(p\) apskaičiuojamas pagal formulę \(p = w(1 + R)\cos^2\alpha\), kur \(w\) yra tūrinis elektromagnetinės energijos tankis, \(R\) – paviršiaus atspindžio koeficientas, \(\alpha\) – kritimo kampas. Nors šis slėgis mažas, jį eksperimentiškai išmatavo Piotras Lebedevas.
Šviesos slėgis: dalelinis požiūris
Šviesą galima įsivaizduoti kaip fotonų srautą. Kai fotonai pasiekia paviršių, dalis jų atsispindi, o kita dalis yra sugeriama. Atsispindėję fotonai perduoda paviršiui judesio kiekį, kuris lygus \(p_1 = Rn \cdot 2 \cdot (h/\lambda) \cdot \cos \alpha\). Sugerti fotonai perduoda judesio kiekį \(p_2 = (1 - R)n \cdot (h/\lambda) \cdot \cos \alpha\). Remiantis antruoju Niutono dėsniu, jėga yra lygi judesio kiekio pokyčiui per laiko vienetą. Šviesos slėgis (\(p\)) apskaičiuojamas pagal formulę: \(p = w(1 + R)\cos^2\alpha\), kur \(w\) yra tūrinis elektromagnetinės energijos tankis, randamas: \(w = (n \cdot hv) / c\). Paviršiaus atspindžio koeficientas: veidrodinio paviršiaus \(R = 1\), absoliučiai juodo paviršiaus \(R = 0\).
Šviesos slėgis: dalelinis požiūris
Kvantinėje fizikoje šviesa yra fotonų srautas. Kiekvienas fotonas turi energiją (\(E = h\nu\)) ir judesio kiekį (\(p = h/\lambda\)). Fotonams krentant ant paviršiaus ir su juo sąveikaujant (atsispindint ar sugeriant), perduodamas judesio kiekis. Visų fotonų perduotas judesio kiekis per laiko vienetą į ploto vienetą sukuria slėgį. Slėgis priklauso nuo tūrinio elektromagnetinės energijos tankio (\(w\)), kritimo kampo (\(\alpha\)) ir paviršiaus atspindžio koeficiento (\(R\)): \(p = w(1 + R)\cos^2\alpha\). Energijos tankis yra susijęs su fotonų koncentracija ir energija: \(w = n h\nu\).

Prisijungti

arba
Real 2
„X“ yra inovatyvi mokymosi platforma, kurios tikslas – teikti aukštos kokybės mokymo medžiagą įvairiausių klasių mokiniams. Patyrusių specialistų parengtas turinys skatina smalsumą, padeda išsamiau ir giliau suprasti mokomus dalykus bei sėkmingai pasiruošti akademiniams iššūkiams.
Atsisiųsk programėlę:
Susisiek su mumis: info@knowledgenestapp.com