Dag Freek,

Licht is massaloos, dwz lichtdeeltjes, fotonen, hebben geen rustmassa. Maar licht gaat ook aan de lichtsnelheid. Bij dat soort snelheden gebeuren er allerlei dingen waarvan we ons nauwelijks voorstelling kunnen maken, maar die sinds Einstein perfect berekenbaar zijn.Wel, bij de lichtsnelheid krijgen fotonen toch iets dat zich net zo gedraagt als massa. Smijt dus voldoende fotonen ergens tegenaan en dat zal inderdaad gaan bewegen, zoals een deur ook wel zal gaan bewegen als je er maar voldoende tennisballen tegenaan schiet.

Dit effect is bekend, en aantoonbaar aanwezig. Via de link hieronder vind je zelfs een vwo-examenopgave hierover:

Groet, Jan

http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=859123

Ik begrijp dat een foton wel impuls heeft maar geen massa. Heeft een foton dan ook terugslag? Is dat gemeten? Dat zou inderdaad vreemd zij aangezien massa nodig is om massa te doen bewegen maar wellicht kan het begrpen worden vanuit de notie dat massa en energie in elkaar overgaande grootheden zijn?

Als ik het goed begrijp, hebben fotonen geen massa, maar doordat ze met de snelheid van het licht reizen krijgen zij toch iets wat zich gedraagt als massa? Geldt dit dan voor alles zonder massa wat met de snelheid van het licht beweegt? Speelt weerstand hier nog een rol in?

Hele discussies worden opgezet over "rustmassa" en "relativistische massa".
In het eigen (rust)stelsel (waarin snelheid = 0) heb je alleen je "rustmassa". Dat is de massa die ook zwaartekracht produceert en waar het zelf gevoelig voor is.

Een van de "grondvesten" van de natuurkunde is het idee dat energie behouden blijft maar ook impuls (hoeveelheid beweging,  p = m.v).
Om de totale impuls in elk eenparig bewegend stelsel te behouden moeten we niet naar de klassieke impuls p =mv kijken maar naar de relativistische impuls:


 

waarbij γ de Lorentzfactor is (de breuk in de vergelijking). Bij v << c is de noemer vrijwel 1 en zal p_rel = p = mv zijn zoals klassiek verwacht.

Sommigen beschouwen dan massa m en snelheid v apart (hoewel het over de impulscombinatie p = mv gaat) en dan kun je de formule ook herschrijven als een massa en relativistische massa:  m_rel v = (γ m_rust) v   waardoor m_rel heel groot kan worden. Maar dit is een "rekenkundig trucje". De relativistische massa heeft geen fysieke betekenis als "massa": de massa neemt niet toe, de zwaartekracht ervan en erop ook niet.
Al kun je dat "losjes" praten over een toenemende massa waardoor bij toenemende energie de snelheid wel iets toeneemt, maar de (relativistische) massa veel meer terwijl in werkelijkheid de relativistische impuls en energie behouden blijven.

Lichtdeeltjes vormen een limietgeval apart in de relativiteit (want ze bewegen met de hoogste snelheid, die van het licht, c). De kinetische energie en de impuls zouden oneindig worden (v/c=1, noemer 0, breuk natuurkundig oneindig, wiskundig onbepaald). Een oneindige kinetische energie wordt bereikt door een oneindige hoeveelheid arbeid te verrichten (W = ΔE_kin) en er is geen oneindige hoeveelheid arbeid beschikbaar. Dus materiedeeltjes kunnen nooit v = c halen.

Lichtdeeltjes hebben daarom geen (rust)massa want die gaan wel met (altijd) lichtsnelheid. De energie relatie is dan ook E = pc of p =E/c.
Hoewel geen rustmassa, hebben fotonen dus wel impuls en die kan ook merkbaar worden als lichtdruk op een wand (waarbij het hele foton zijn impuls afstaat), zoals gasdeeltjes druk op een wand uitoefenen door hun impuls.

Bij huidige kennis is er slechts 1 "deeltje" dat met lichtsnelheid gaat: het licht (foton) zelf. Bij weerstand (botsen op een muur (lichtdruk), botsen op een atoom (atoom aanslaan door energieopname of Compton effect als het atoom een deel van de energie opneemt en de rest als nieuw foton weer uitstraalt onder een hoek die het impulsbehoud garandeert) staat het al zijn energie en impuls af en is er niet meer.

Het "Standaard Model" waarin we alle bekende deeltjes proberen te rangschikken (en protonen weer uit bepaalde quark deeltjes zijn samengesteld) kent voor de krachtuitwisseling tussen deze deeltjes weer andere deeltjes die deze kracht overbrengen. Die deeltjes (de bosonen familie: foton, gluon, W-plus, W-min en Z-deeltje) gaan allemaal met lichtsnelheid maar zijn buiten het foton nooit direct waargenomen.

Dus als er maar genoeg fotonen botsen met "vrije" elektronen, dan is het mogelijk om iets te laten bewegen? Kan je in dit geval "licht" als een deeltje zien?

Fotonen hebben energie en impuls en kunnen die aan elk ander object overdragen als ze daarmee "botsen" en hun hele energie en impuls aan dat object overdragen. Bij "gebonden" elektronen in atoombanen zal dat alleen lukken als een foton precies de juiste energie en impuls heeft om een elektron van baan te laten wisselen. Bij "losse" elektronen is alles goed.

Veel of weinig fotonen doet hierbij per botsing weinig ter zake. Het hele foton "verdwijnt" bij de botsing. Elk volgend foton dat ook botst met hetzelfde elektron doet hetzelfde en draagt alle energie/impuls over.

Kun je licht als deeltje zien? Ja en nee. Het is geen deeltje (het is ook geen golf - wat het wel is weten we niet, maar soms gedraagt het zich als deeltje of als golf) maar in dit soort botsingsgevallen mag je de berekeningen doen alsof het zich als een deeltje gedraagt.

Helder!

"Lichtdeeltjes vormen een limietgeval apart in de relativiteit (want ze bewegen met de hoogste snelheid, die van het licht, c)."

Ik denk niet dat lichtdeeltjes een limietgeval vormen. Lichtdeeltjes zijn eerder complementair aan massadeeltjes. Je hebt massadeeltjes aan de ene kant, die traagheid kennen en daarom nooit de lichtsnelheid kunnen halen (in welk referentiestelsel dan ook), en 'lichtdeeltjes' aan de andere kant, die in feite pure energie representeren. Beide werelden zijn strikt gescheiden!

Dat massadeeltjes nooit de lichtsnelheid kunnen halen is ook op een andere, veel inzichtelijkere manier in te zien dan met ingewikkelde 'oneindige-energie-argumenten', namelijk als volgt: neem een massadeeltje en versnel het tot 99% van de lichtsnelheid. Ten opzichte van dat deeltje heeft licht nog steeds de lichtsnelheid (1e axioma van de Relativiteitstheorie). Je blijft dus bezig maar komt er nooit :-). Ergo: massadeeltjes zullen van z'n lang-zal-ze-nooit-niet de lichtsnelheid kunnen bereiken. Deze denkwijze toont mede nogmaals aan dat fotonen geen limietgeval vormen; die limiet bestaat fysisch helemaal niet! De Lorentztransformaties gelden voor massadeeltjes met v<c en niet voor één of andere limiet van v nadert naar c.

De Lorentz-transformaties gelden voor deeltjes met v < c zoals in andere discussies met NooT in dit forum al besproken.
Het "limiet-geval" is hier bedoeld voor de materie-deeltjes die naar v = c neigen maar dit nooit halen. Licht"deeltjes" doen dit wel (en alleen maar, hebben ook geen rustmassa). In die zin zijn ze de limiet, maar het is correct dat de materie-wereld (v<c) en de lichtwereld (v=c) twee aparte gevallen zijn.

OK eens

Ûh, ongeveer eens - maar eigenlijk alleen met de eerste regel. Lichtdeeltjes zijn echt geen limiet. In not a single sense.

En dan mijn opmerking  in de vraag over terugslag; hoe zit dat. Als dat er niet is dan kan een laser aan boord zoals ik las inderdaad zonder problemen voortstuwing geven aan datzelfde ruimteschip?

en -aanvullend- hoe kan iets wat massaloos is toch een impuls hebben? hebben we dan te maken wellicht met pure energie nl een foton. Deze transformeert in een beetje massa zodra 't bijv. een atoom raakt.

Licht heeft geen rustmassa maar wel een impuls (E=hf=pc) en bij impulsverandering is er een kracht (F=dp/dt).

De wet van impulsbehoud geldt voor elk systeem. En de 3e wet van Newton ook (populair "actie=reactie"). Als licht (laser)  deel van het systeem uit maakt dan kan het voortstuwing geven op dezelfde manier als een massa-brandstof. De impulsverandering geeft een kracht DOOR het systeem. Met de 3e wet is er dan een gelijke kracht tegengesteld OP het systeem dat daardoor wordt "gestuwd". Daarom kan een raket in vacuum bewegen.

Een raket met brandstof schiet vooruit op dezelfde uitgangspunten als "fotonenbrandstof". De grootte van de impulsverandering (en tegen-verandering omdat er behoud van impuls is) bepaalt het effect. Daarin wint vooralsnog de massa-brandstof verre.

Is dit ooit getest? ik heb zo'n idee dat de 3e wet voor licht niet opgaat. Licht onttrekt zich wel meer aan normale natuurwetten.

Ja, dit is getest.
En al ruim voordat de relativiteitstheorie het licht zag
https://en.wikipedia.org/wiki/Nichols_radiometer
(niet te verwarren met de Crookes radiometer)

De gebruiksmogelijkheden in de ruimte, voor voortstuwing van ruimtevaartuigen, wordt momenteel succesvol beproefd. Zonnezeil heet dat.

https://en.wikipedia.org/wiki/IKAROS

Groet, Jan

Jan, bedankt voor de info. Dan zou ik zeggen gebruik lasers als "raketmotor" i.p.v zonnezeilen. Een kernreactor kan voor de energie zorgen en dan neem je bijv. een voetbalveld groot lichtuitstootoppervlak.

De voortstuwing door lasers is heel gering (maar ook met heel kleine versnelling a kom je uiteindelijk tot hoge snelheid). Om vanaf aarde los te komen heb je in een korte tijd een heel grote kracht nodig om je van de aarde los te maken.Dat lukt met de huidige lasers niet en de raket zou al snel vele malen groter worden in diameter.
Een voetbalveld groot zeil zou in de ruimte kunnen, maar je moet zo'n formaat wel eerst naar boven krijgen.

Ja dat moet dan stuk voor stuk omhoog dat snap ik. We kunnen ook wachten tot de ruimtelift er is

Een raketmotor waar licht  uitstraalt; kun je ook berekenen hoe veel stuwkracht dat geeft . Zal niet veel zijn maar het bouwt wel op in de tijd en je bereikt uiteindelijk wel een hogere snelheid

Ga eens rekenen.... hoeveel fotonen per seconde? Welke energie heeft elk/allemaal tezamen? Ditto voor welke impuls? F = Δp/Δt 

 wat nodige formules vind je bijvoorbeeld hier:

https://www.natuurkunde.nl/vraagbaak/33993/impuls-en-energie-van-een-foton

Groet, Jan

Dag Freek,
Als het uiteindelijk gaat om de snelheidsverandering Δv van de raket, kunnen we het begrip kracht ook wel overslaan.
Stel dat de raket gedurende 1 seconde licht naar achter uitzendt met een stralingsvermogen P watt, dan hebben de fotonen samen een energie P.
De fotonen hebben samen een impuls p=E_str/c=P/c (let op het verschil tussen p en P).
Volgens de wet van behoud van impuls krijgt de raket een even grote impuls Δp=P/c in voorwaartse richting.
De snelheidsverandering van de raket in een seconde volgt uit Δp=P/c en de massa m van de raket.

Een variant op voortstuwing door licht uit te zenden, is een zonnezeil, dat zonlicht naar achter reflecteert.
https://en.wikipedia.org/wiki/IKAROS
Nog een onconventionele variant is de ionenmotor, die ionen maakt en naar achter uitstoot.
https://en.wikipedia.org/wiki/Ion_thruster
Goede reis gewenst, groet, Jaap

De ionenmotor bestaat al geloof ik alleen je moet die ionen zelf wel meenemen of kun je ze opvangen  uit de ruimte tijdens de reis.

Uit bovenstaande zoektocht komt bij mij de volgende vraag op. Licht botst en 'weerkaatst' gedeeltelijk op materiaal, waardoor waarneming plaatsvindt. Is de impuls die licht afgeeft op 'lichte voorwerpen ' groter dan op donkerdere voorwerpen en op zwarte voorwerpen het kleinst!? Een zwart voorwerp wordt warm, een wit voorwerp minder en weerkaatst energie. Gaan fotonen in het zwarte voorwerp zitten (oplossen-verdwijnen)? Weerkaatsen fotonen van het witte voorwerp? Neemt het zwarte voorwerp (meer) toe in gewicht dan het witte?

wordt de energetische waarde van het donkere voorwerp hoger?

kleuren zie je omdat er (molecuul)lagen zijn die "precies passend" zijn voor invallend licht om weerkaatst te worden en constructief interfererend onder een hoek het materiaal verlaten. Welke kleurfrequenties "precies passend" zijn, bepalen de kleur waarmee je het voorwerp ziet. Er kunnen meerdere passende lagen zijn waardoor meerdere kleuren weerkaatst worden. Bij wit licht worden alle kleuren weerkaatst. 
Als de lagen "niet passend" zijn voor invallend licht, dan wordt de energie opgenomen (in verhoogde trillingsstaat van de moleculen: de stof voelt warmer) - wat bij zwartgekleurde (=geen kleur) het geval is. Ook onzichtbaar licht als infra-rood (wat al met warmte-straling wordt geassocieerd) kan op die manier worden geabsorbeerd.

Als licht als deeltje ipv golf wordt beschouwd, wordt bij absorptie de energie van een foton volledig door het absorberende medium opgenomen. En kun je de "botsing" als volledig inelastisch beschouwen met overdracht van de impuls. Lichtfotonen hebben geen massa, hierbij neemt de massa van de ontvanger dus niet toe.

Dag Frank

Ja hebt gelijk dat meer impuls wordt overgedragen aan voorwerpen die licht reflecteren. Dit wordt stralingsdruk genoemd. Dit is soms een belangrijk effect (in sterren bijvoorbeeld). Ook wordt er gepraat over mogelijke toepassingen in lichtzeilen:
https://www.natuurkunde.nl/opdrachten/3354/grafenen-lichtzeilen-getest-in-vrije-val-exaktueel 

Je vraag over de massa is moeilijker maar een zwart voorwerp wordt warm en zou dus een grotere rustmassa moeten hebben.

Oké, bedankt voor de informatie. Het triggert wel enorm het ja-maar centrum van mijn boeren brein! Ik heb de klok wel horen luiden, maar ik weet niet waar de foton hangt. Mijn Natuurkunde docent van de middelbare school heeft mij 100 jaar geleden geleerd dat licht in golven beweegt, net als geluid.... en dat lichtstralen altijd rechtdoor gaan. Zowel licht en geluid zijn waarneembaar deels met het blote oog/oor, deels met instrumenten en mogelijk deels alleen via berekening en/of zelfs veronderstelling. De stap om licht als fotonen als een nieuwe categorie van deeltjes te gaan beschouwen lijkt me, zoals hierboven volgens mij al genoemd, een rekenkundige achtergrond te hebben. Er gebeurt iets onder invloed van het licht en het maakt heel wat mogelijk. Fijn om dat te kunnen berekenen.

Doorredenerend:  echte 'traditionele' deeltjes zouden volume van een voorwerp doen toenemen (het uitzetten van een onder invloed van licht verwarmd voorwerp duidt niet op vermeerdering van deeltjes, hoogstens op verhoogde activiteit van deeltjes die al aanwezig waren. Bij extreme belichting (hogere intensiteit) komen scheikundige processen op gang die tot vervorming of verbranding leiden, maar de in het voorwerp/stof aanwezige elementen blijven aanwezig (atomen). Er vindt geen splitsing plaats. Er komen geen deeltjes bij! Of ooit moet de preon als 'drager van het licht' tevoorschijn komen. Dit laatste zou wel verklaren waarom lichtgolven bij het passeren van een zwart gat afbuigen onder invloed van de krachten doe ervanuit gaan . Ik heb begrepen dat we als gevolg daarvan als het ware om een hoekje kijken naar sterren uit een ver verleden.

Een vraag in het verlengde van de lichtgolven zoektocht : Is een soortgelijke discussie gaande omtrent geluid!? Het gaat hier immers ook om een golf, die een trilling teweegbrengt? Hebben we het dan over radiografische straling? Het voert waarschijnlijk te ver om hier de 'sonon' te introduceren. Maar aansluitend op de discussie over lasermotoren... een kleine geluidstrilling kan effect hebben op temperatuur in objecten/cellen/elementen. Zo kan verder denkend een geluidsbron ook in space in een bepaalde richting stuwing opleveren. En het produceren van geluid kost heel wat minder energie dan het opwekken van licht (zegt de schrijver dezes stampvoetend en daarbij behoorlijk wat trilling en geluid teweegbrengend)... 

gooi me er gerust uit als de vragen te eenvoudig zijn voor dit platform. Sowieso bedankt voor de mogelijkheid om mee te lezen op dit forum.

>De stap om licht als fotonen als een nieuwe categorie van deeltjes te gaan beschouwen lijkt me, zoals hierboven volgens mij al genoemd, een rekenkundige achtergrond te hebben.

Dat is wat we het "duale karakter van licht" noemen. Sommige verschijnselen laten zich goed verklaren als je aanneemt dat licht uit deeltjes bestaat (fotonen), andere beter door het als golf te zien. Waarom dat is en of dat 2 verschijningsvormen van 1 erboven liggend beter concept is, weten we gewoon niet. Voorlopig moeten we het doen met deeltjes (impuls, botsing) en golven (interferentie, afbuiging) als gedaantevorm van licht.

>Bij extreme belichting (hogere intensiteit) 

Meer deeltjes van dezelfde energie doen niet noodzakelijkerwijze nieuwe processen ontstaan. Dat heeft het foto-elektrische effect ook aangetoond.  

>Er komen geen deeltjes bij! 

Bij verbranding juist wel. Aanwezige deeltjes verbinden zich met zuurstof. Daardoor ontstaan nieuwe verbindingen met meer onderdelen in hetzelfde aantal deeltjes, of meer deeltjes. Dit is de basis waaruit de scheikunde ontstond.  Bijv.  2H₂ + O₂ -> 2H₂O bij watervorming gaan 3 deeltjes over in 2 (die zwaarder zijn en ook weer een samengesteld deeltje worden)

>om een hoekje kijken

Licht wordt door zwaartekracht afgebogen. Als het langs een zwart gat gaat (grote massa) dan buigt het een beetje. Zo kun je een ster achter het zwarte gat soms toch zien. Die ster hoeft niet heel ver weg te staan (ver verleden) maar gezien de effecten is de afstand meestal wel groot en "dus" deed het licht er lang over om bij ons te komen. Maar ook de zon is al zwaar genoeg om merkbare afbuiging te veroorzaken. Dat is zelfs deel geweest van het "bewijs" dat Einsteins relativiteitstheorie geldig was: een ster die net achter de zon zou moeten staan liet zich tijdens een zonsverduistering toch net zien. De afbuiging kwam overeen met wat het volgens die theorie had moeten zijn.

>Is een soortgelijke discussie gaande omtrent geluid!?

Nee. Geluid is een ritmisch ineengedrukt (hoge druk) en uitgerekt (lage druk) worden van lucht (een gas). Het is een longitudinale golf. Dat indrukken/uitrekken doet je trommelvlies bewegen en dat ervaren we als geluid. Licht is een elektromagnetische golf: een wisselend elektrisch veld doet een magnetisch veld ontstaan dat daardoor weer een elektrisch veld opwekt enzovoort: licht beweegt zich voort zonder medium en houdt zichzelf in stand. Daarom kan licht vanuit de uithoeken van het heelal tot ons komen, geluid niet. Nog afgezien van de enorme verschillen in voortplantingssnelheid: geluid 343 m/s, licht 300 000 000 m/s.

>Hebben we het dan over radiografische straling?

Nee. Dat is een vorm van onzichtbaar (voor het oog) licht. Radio, microgolven, licht, UV, gamma-straling: allemaal vormen van elektromagnetische straling (samengevat als "licht" hoewel dat feitelijk alleen het zichtbare deel ervan is).  "Sonar" is weer wel geluid: golven die vooral onder water door duikboten worden opgewekt ("geping") of  dolfijnen of vleermuizen om zo te horen of hun geluid teruggekaatst wordt en de aanwezigheid van een object (andere duikboot of dolfijn of mug) verraadt.

>Zo kan verder denkend een geluidsbron ook in space in een bepaalde richting stuwing opleveren

Zoals eerder aangeven: dat kan niet want geluid heeft een medium (als lucht) nodig om zich voort te planten, licht niet.

>gooi me er gerust uit als de vragen te eenvoudig zijn voor dit platform

Vragen zijn niet altijd eenvoudig, antwoorden soms ook niet. En voor dit soort (serieus bedoelde) vragen is dit forum bedoeld. We zijn er niet voor platte aardes, compleet nieuwe theorieen, gratis energieopwekking en "fake news" verhalen. Dus we gooien je er niet uit. Welkom.