Áp lực nhẹ

19

ÁP SUẤT ÁNH SÁNG
S. V. GRYZLOV

Các nhà khoa học thời Trung cổ quan sát chuyển động của sao chổi đã cố gắng tìm hiểu lý do tại sao, tùy thuộc vào vị trí của sao chổi so với Mặt trời, hình dạng đuôi của chúng lại thay đổi. Năm 1604, Johannes Kepler đề xuất rằng hình dạng đuôi sao chổi được xác định bởi tác động của áp suất ánh sáng. Kể từ đó, nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu áp suất này (trong số đó có một trong những người sáng tạo ra lý thuyết sóng ánh sáng, O. Fresnel). Nhưng tất cả các thí nghiệm đều không thuyết phục. Và trong gần 300 năm, áp suất nhẹ vẫn chỉ là giả thuyết.

Grabora này là bìa của cuốn sách “Người đàn ông trên mặt trăng” của F. Godwin ấn bản năm 1648 tại Pháp. Có lẽ người nghệ sĩ tin rằng trên bầu trời Mặt trăng, một chiếc máy bay như vậy sẽ di chuyển nhờ áp lực của ánh sáng mặt trời?

19

20

Năm 1865, J.C. Maxwell phát minh ra lý thuyết điện từ về ánh sáng. Theo lý thuyết này, sóng ánh sáng có bản chất điện từ, tức là hiện tượng ánh sáng có thể coi là trường hợp đặc biệt của hiện tượng điện từ. Từ các phương trình cơ bản của lý thuyết Maxwell, sự tồn tại của áp suất ánh sáng được coi là một thực tế hoàn toàn chính xác. Maxwell đã tính toán áp suất này. Theo tính toán, hóa ra vào một buổi trưa nắng, trên bề mặt phản xạ đầy đủ các tia sáng, một áp suất chỉ bằng 4,7 × 10⁻⁶ N/m2 sẽ được tạo ra.

Trong một thời gian dài, học sinh tranh luận về tính đúng đắn của phương trình Maxwell. Những nỗ lực một lần nữa được thực hiện để phát hiện ảnh hưởng của áp suất ánh sáng. Và một lần nữa - hoàn hảo.

Khó khăn trong việc đo áp suất ánh sáng không những không lớn đến mức lực của áp suất ánh sáng rất nhỏ. Những rắc rối chính nảy sinh do người thí nghiệm đã can thiệp vào… chính ánh sáng. Hơn nữa, “hiệu quả” của sự giao thoa mà nó tạo ra còn lớn hơn nhiều lần so với áp suất của ánh sáng.

Năm 1899, nhà vật lý nổi tiếng người Nga Pyotr Nikolaevich Lebedev lần đầu tiên đo được áp suất của ánh sáng. Anh ấy đã có thể nhanh chóng vượt qua những khó khăn khiến người khác không thể khám phá.

Phần chính của thiết bị Lebedev là những đôi cánh phẳng, nhẹ được làm từ nhiều loại vật liệu kim loại (chủ yếu). Bề mặt của một cánh bị đen, trong khi những cánh khác được tráng gương. Ánh sáng gần như bị phản xạ hoàn toàn khỏi bề mặt gương và bề mặt bị đen sẽ hấp thụ ánh sáng. Kết quả là lực ép nhẹ lên các cánh gương lớn gần gấp đôi lực ép lên các cánh đen. Do đó, một mô-men xoắn xuất hiện, hệ thống cánh bắt đầu quay, xoắn sợi chỉ. Góc xoắn của sợi chỉ được sử dụng để ước tính áp suất ánh sáng.

Loại nhiễu nào xảy ra trong quá trình đo?

Đầu tiên là ánh sáng chiếu xuống cánh cũng làm nóng không khí xung quanh. Các dòng không khí đối lưu sinh ra, giống như gió, làm cho cánh chuyển động. Và khi nhà khoa học thực hiện các phép đo, người ta không biết tại sao các cánh lại bị trộn lẫn - do áp suất nhẹ hoặc do luồng không khí.

Đây không phải là trở ngại duy nhất. Dưới tác dụng của ánh sáng, một hiệu ứng khác xảy ra, gọi là phép đo phóng xạ. Bản chất của nó là các mặt khác nhau của cánh được làm nóng khác nhau (xét cho cùng, ánh sáng chỉ chiếu từ một phía) và cung cấp lượng năng lượng khác nhau cho các phân tử không khí tiếp xúc với chúng. Phía có năng lượng này lớn hơn (phía ấm hơn), các phân tử rời đi với tốc độ lớn hơn, tức là có động lượng lớn hơn. Và theo định luật bảo toàn động lượng, khi bay đi, chúng đẩy người chạy cánh với một lực lớn hơn các phân tử của phía “lạnh” đối diện. Hóa ra lực phóng xạ tác dụng cùng hướng với áp suất ánh sáng, và độ lớn của chúng, như đã đề cập, lớn hơn áp suất ánh sáng vài bậc độ lớn.

Để hạn chế tối đa những lực “có hại” này, trước hết cần phải tạo ra chân không. Càng ít phân tử còn lại trong bình thì độ giao thoa càng yếu.

Không phải vô cớ mà Lebedev chọn màng kim loại mỏng làm chất liệu cho cầu thủ chạy cánh. Thứ nhất, những tấm màng như vậy dẫn nhiệt tốt và chênh lệch nhiệt độ ở các phía khác nhau của cánh trở nên nhỏ hơn – hiệu ứng phóng xạ cũng giảm. Ngoài ra, khối lượng nhỏ của chúng xác định mômen quán tính nhỏ của toàn bộ hệ thống chuyển động, điều này trong điều kiện chân không cũng giúp tăng độ chính xác của thí nghiệm.

Nhiều thiết bị và dụng cụ khác nhau được phát minh bởi P. N. Lebedev. Ông đã xem xét nhiều lựa chọn về điều kiện thí nghiệm và trải qua nhiều thay đổi khác nhau cho đến khi công việc của ông thành công.

21

Kết quả của thí nghiệm của mình là ông đã thay đổi áp suất ánh sáng; giá trị mà ông thu được trùng với giá trị mà lý thuyết Maxwell dự đoán với độ chính xác là 20%. Lebedev chứng tỏ rằng luồng ánh sáng không chỉ có năng lượng mà còn có động lượng.

Trong một thời gian dài không thể sử dụng áp suất nhẹ do công suất thấp. Chỉ sự ra đời của tia laser - thiết bị có khả năng tập trung năng lượng ánh sáng thành một chùm tia rất hẹp và mạnh - mới có thể áp dụng những khám phá của Lebedev.

Ví dụ, bạn có thể giữ các hạt nhỏ trong không khí, cân bằng lực hấp dẫn với lực áp suất nhẹ và trộn chúng. Dưới tác dụng của áp suất ánh sáng, các hạt có khối lượng khác nhau sẽ có gia tốc khác nhau. Vì vậy, có thể phân loại các hạt rất nhỏ bằng các bẫy đặc biệt.

Áp suất ánh sáng có thể được sử dụng để tách hỗn hợp hai khí. Sự phân tách như vậy có thể được thực hiện nếu tần số của bức xạ laser (mà hỗn hợp được chiếu xạ) trùng với tần số chuyển đổi của các nguyên tử của một trong các khí từ trạng thái không bị kích thích trong không khí.

Bằng cách hấp thụ một photon, một nguyên tử của chất khí đó nhận được một xung lực theo hướng của chùm tia laser. Trong quá trình chuyển đổi ngược của nguyên tử từ trạng thái kích thích sang trạng thái không kích thích, vectơ động lượng của photon phát ra có hướng tùy ý. Trong quá trình hấp thụ và phát xạ tiếp theo, các xung “phát xạ” triệt tiêu lẫn nhau và các xung “hấp thụ” cộng lại, và cuối cùng nguyên tử cộng hưởng nhận được một xung chung hướng dọc theo cung laser. Do đó, chùm tia laze tuần tự đi qua các buồng trong đó có hỗn hợp khí sẽ mang theo các nguyên tử của một trong số chúng vào buồng thứ hai.

Áp suất nhẹ cũng có thể được sử dụng để tăng tốc một bộ phận trong chân không (có quá nhiều lực cản trong không khí). Điều này có thể được sử dụng, ví dụ, để mô hình hóa lẫn nhau