Силата на лек натиск върху огледало. Лек натиск

48. Елементи на квантовата оптика. Енергия, маса и импулс на фотона. Извеждане на формулата за светлинно налягане въз основа на квантовите идеи за природата на светлината.

Следователно разпространението на светлината не трябва да се разглежда като непрекъснато разпространение на вълна

процес, а като поток от дискретни частици, локализирани в пространството, движещи се със скоростта на разпространение на светлината във вакуум. Впоследствие (през 1926 г.) тези частици са наречени фотони. Фотоните имат всички свойства на частица (корпускула).

Развитието на хипотезата на Планк доведе до създаването на идеи за квантовите свойства на светлината. Светлинните кванти се наричат ​​фотони. Според закона за пропорционалност на масата и енергията и хипотезата на Планк енергията на фотона се определя по формулите

.

Приравнявайки десните части на тези уравнения, получаваме израз за масата на фотона

или като се има предвид това,

Импулсът на фотона се определя по формулите:

Масата на покой на фотона е нула. Квантът на електромагнитното излъчване съществува само като се разпространява със скоростта на светлината, като същевременно притежава крайни стойности на енергия и импулс. В монохроматична светлина с честота ν всички фотони имат еднаква енергия, импулс и маса.

Лек натиск

Светлинното лъчение може да предаде енергията си на тялото под формата на механичен натиск.

Той доказа, че светлината, напълно погълната от почернена плоча, упражнява сила върху нея. Светлинното налягане се проявява в това, че върху осветената повърхност на тялото действа разпределена сила по посока на разпространение на светлината, пропорционална на плътността на светлинната енергия и в зависимост от оптичните свойства на повърхността.

В резултат на прилагането на законите на механиката към оптичните измервания на Лебедев беше получена изключително важна връзка, която показа, че енергията винаги е еквивалентна на масата. Айнщайн е първият, който посочва, че уравнението mc 2 = E е универсално и трябва да е валидно за всеки вид енергия.

Това явление може да се обясни както от гледна точка на вълновата, така и на корпускулярната концепция за природата на светлината. В първия случай това е резултат от взаимодействието на електрическия ток, индуциран в тялото от електрическото поле на светлинната вълна с нейното магнитно поле съгласно закона на Ампер. Електрическите и магнитните полета на светлинна вълна, периодично променящи се в пространството и времето, когато взаимодействат с повърхността на веществото, упражняват сила върху електроните на атомите на веществото. Електрическото поле на вълната кара електроните да трептят. Силата на Лоренц от магнитното поле на вълната е насочена по посока на разпространение на вълната и е сила на лек натиск. Квантовата теория обяснява натиска на светлината с факта, че фотоните имат определен импулс и при взаимодействие с материята предават част от импулса на частиците на веществото, като по този начин упражняват натиск върху повърхността му (може да се направи аналогия с ударите на молекули на стената на съд, в който импулсът, прехвърлен към стената, определя налягането на газа в съда).

Когато се абсорбират, фотоните предават импулса си на тялото, с което взаимодействат. Това е причината за лек натиск.

Нека определим налягането на светлината върху повърхността, използвайки квантовата теория на радиацията.

Нека лъчение с честота ν пада перпендикулярно на някаква повърхност (фиг. 5). Нека това лъчение, състоящо се от N фотона, падне върху повърхността на плоскост

резерв ∆ S за време ∆ t. Повърхността абсорбира N 1 фотони и отразява

Xia N 2, т.е. N = N 1 + N 2.

Умножете и разделете дясната страна на това равенство на N, получаваме

Накрая

където е енергията на всички N фотони, падащи на единица площ за единица време, размер-

ност; - коефициент на отражение.

За черна повърхност ρ = 0 и налягането ще бъде равно на .

Представлява обемната енергийна плътност, нейното измерение .

Тогава концентрацията на n фотони в лъч, падащ на повърхността, ще бъде

.

Замествайки (2.2) в уравнението за светлинно налягане, получаваме

Налягането, произведено от светлината при падане върху равна повърхност, може да се изчисли с помощта на формулата

където E е интензитетът на повърхностното облъчване (или осветяване), c е скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум, α е частта от падащата енергия, погълната от тялото (коефициент на поглъщане

tion), ρ е частта от падащата енергия, отразена от тялото (коефициент на отражение), θ е ъгълът между посоката на излъчване и нормалата към облъчената повърхност. Ако тялото не е прозрачно, това е всичко

падащото лъчение се отразява и абсорбира, тогава α +ρ =1.

49 Елементи на квантовата оптика. Комптън ефект. Частично-вълнов дуализъм на светлината (излъчването).

3) Вълново-корпускулен дуализъм на електромагнитното излъчване

И така, изследването на топлинното излъчване, фотоелектричния ефект и ефекта на Комптън показа, че електромагнитното излъчване (по-специално светлината) има всички свойства на частица (корпускула). Въпреки това, голяма група от оптични явления - интерференция, дифракция, поляризация - показва вълновите свойства на електромагнитното излъчване, по-специално на светлината.

Това, което представлява светлина - непрекъснати електромагнитни вълни, излъчвани от източник или поток от дискретни фотони, произволно за електромагнитна вълна, не изключва дискретните свойства, характерни за фотоните.

Светлината (електромагнитното излъчване) има едновременно свойствата на непрекъснати електромагнитни вълни и свойствата на дискретни фотони. Това е частицно-вълновият дуализъм (дуализъм) на електромагнитното излъчване.

2) Ефект на КомптънСъстои се в увеличаване на дължината на вълната на рентгеновото лъчение, когато то се разсейва от материята. Промяна на дължината на вълната

K (1-cos)=2 k sin2 (/2), (9) "

където k =h/(mc) е дължината на вълната на Compton, m е масата на покой на

трон. k =2,43*10 -12 m=0,0243 A (1 A=10-10 m).

Всички характеристики на ефекта на Комптън бяха обяснени чрез разглеждане на разсейването като процес на еластичен сблъсък на рентгенови фотони със свободни електрони, при който се спазват законът за запазване на енергията и законът за запазване на импулса.

Съгласно (9) изменението на дължината на вълната зависи само от ъгъла на разсейване и не зависи нито от дължината на вълната на рентгеновите лъчи, нито от вида на веществото.

1) Елементи на квантовата оптика.Фотони, енергия, маса и импулс на фотона

За да обясни разпределението на енергията в спектъра на топлинното излъчване, Планк приема, че електромагнитните вълни се излъчват на порции (кванти). Айнщайн през 1905 г. стига до извода, че радиацията не само се излъчва, но и се разпространява и абсорбира под формата на кванти. Това заключение даде възможност да се обяснят всички експериментални факти (фотоелектричен ефект, ефект на Комптън и др.), Които не могат да бъдат обяснени от класическата електродинамика, основана на вълнови концепции за свойствата на радиацията. По този начин разпространението на светлината трябва да се разглежда не като непрекъснат вълнов процес, а като поток от дискретни частици, локализирани в пространството, движещи се със същата скорост като разпространението на светлината във вакуум. Впоследствие (през 1926 г.) тези частици са наречени фотони. Фотоните имат всички свойства на частица (корпускула).

1. Фотонна енергия

Следователно константата на Планк понякога се нарича квант на действие. Размерността съвпада например с размерността на ъгловия момент (L=r mv).

Както следва от (1), енергията на фотона се увеличава с увеличаване на честотата (или намаляване на дължината на вълната),

2. Масата на фотона се определя въз основа на закона за връзката между маса и енергия (E=mc 2)

3.Фотонен импулс. За всяка релативистка частица нейната енергия Тъй като фотонът има m 0 =0, тогава импулсът на фотона

тези. дължината на вълната е обратно пропорционална на импулса

50. Ядрен модел на атома според Ръдърфорд. Спектър на водороден атом. Обобщена формула на Балмер. Спектрални серии на водородния атом. Концепцията за терма.

1) Ръдърфорд предложи ядрения модел на атома. Според този модел атомът се състои от положително ядро ​​със заряд Ze (Z е поредният номер на елемента в периодичната таблица, e е елементарен заряд), размер 10 -5 -10 -4 A (1A = 10 -10 m) и маса, почти равна на масата на атом. Електроните се движат около ядрото по затворени орбити, образувайки електронната обвивка на атома. Тъй като атомите са неутрални, около ядрото трябва да се въртят Z електрони, чийто общ заряд е Zе. Размерите на атома се определят от размерите на външните орбити на електроните и са от порядъка на единици на A.

Масата на електроните представлява много малка част от масата на ядрото (0,054% за водорода, по-малко от 0,03% за другите елементи). Концепцията за „размер на електрона“ не може да бъде формулирана последователно, въпреки че ro 10-3 A се нарича класически електронен радиус. И така, ядрото на атома заема незначителна част от обема на атома и почти цялата (99,95%) маса на атома е концентрирана в него. Ако ядрата на атомите бяха разположени близо едно до друго, тогава земното кълбо би имало радиус 200 m, а не 6400 km (плътност на материята

2) Линеен спектър на водороден атом

Емисионният спектър на атомния водород се състои от отделни спектрални линии, които са подредени в определен ред. През 1885 г. Балмър открива, че дължините на вълните (или честотите) на тези линии могат да бъдат представени с формулата.

, (9)

където R =1,0974 7 m -1 също се нарича константа на Ридберг.

На фиг. Фигура 1 показва диаграма на енергийните нива на водородния атом, изчислени съгласно (6) при z=1.

Когато един електрон се премести от по-високи енергийни нива към ниво n = 1, възниква ултравиолетово лъчение или серия на Лайман (SL).

Когато електроните се преместят на ниво n = 2, се появява видима радиация или радиация от серията на Балмер (SB).

Когато електроните се преместят от по-високи нива към ниво n =

3 възниква инфрачервено лъчение или радиация от серия Paschen (SP) и др.

Честотите или дължините на вълните на полученото лъчение се определят по формули (8) или (9) с m=1 за серията Lyman, с m=2 за серията Balmer и с m=3 за серията Paschen. Енергията на фотоните се определя от формула (7), която, като се вземе предвид (6), може да бъде намалена за водородоподобни атоми до формата:

eV (10)

50 продължение

4) Спектрални серии на водород- набор от спектрални серии, които съставляват спектъра на водороден атом. Тъй като водородът е най-простият атом, неговите спектрални серии са най-изучени. Те се подчиняват добре на формулата на Ридберг:

,

където R = 109,677 cm−1 е константата на Ридберг за водород, n′ е основното ниво на серията. Спектрални линии, възникващи по време на преходи към основното енергийно ниво

се наричат ​​резонансни, всички останали се наричат ​​подчинени.

Серия Лайман

Открит от T. Lyman през 1906 г. Всички линии от серията са в ултравиолетовия диапазон. Серията съответства на формулата на Ридберг с n′ = 1 и n = 2, 3, 4,

Серия Балмер

Открит от И. Я. Балмер през 1885 г. Първите четири реда от серията са във видимия диапазон. Серията съответства на формулата на Ридберг с n′ = 2 и n = 3, 4, 5

5) Спектрален термин или електронен терминатом, молекула или йон - конфигурация

радио (състояние) на електронната подсистема, което определя енергийното ниво. Понякога думата термин се разбира като действителната енергия на дадено ниво. Преходите между термините определят спектрите на излъчване и абсорбция на електромагнитното излъчване.

Термините на атома обикновено се означават с главни букви S, P, D, F и т.н., съответстващи на стойността на квантовото число орбитален ъглов момент L =0, 1, 2, 3 и т.н. Квантовото число на общия ъглов момент J се дава от индекса долу вдясно. Малкото число горе вляво показва множествеността ( множественост) терма. Например, ²P 3/2 е дублет P. Понякога (като правило, за едноелектронни атоми и йони) терминът символ се обозначава с главно квантово число(например 2²S 1/2).

- натиск, упражняван от светлина върху отразяващи и поглъщащи тела, частици, както и отделни молекули и атоми; един отпондеромоторно действие на светлината свързани с предаванетоимпулс на електромагнитно поле вещество. За първи път е изразена хипотезата за съществуването на светлинно налягане I. Кеплер (J.Kepler) през 17 век. за обяснение на отклонениетокометни опашки от слънцето. Дадена е теорията на светлинното налягане в рамките на класическата електродинамикаДж. Максуел (J. Maxwell) през 1873 г. В него налягането на светлината е тясно свързано с разсейването и поглъщанетоелектромагнитна вълна частици материя. В рамките наквантова теория лекият натиск е резултат от предаване на импулсфотони към тялото.

През 1873 г. Максуел, въз основа на идеи за електромагнитната природа на светлината, прогнозира, че светлината трябва да упражнява натиск върху препятствията. Това налягане се причинява от силите, действащи от електрическите и магнитните компоненти на електромагнитното поле на вълната върху зарядите в осветеното тяло.

Оставете светлината да пада върху проводима (метална) плоча. Електрическият компонент на вълновото поле действа върху свободните електрони със сила

F el =q E,

където q е зарядът на електрона. E е напрегнатостта на електрическото поле на вълната.

Електроните започват да се движат със скорост V(фиг.1) Тъй като посоката двъв вълната периодично се променя на противоположната, тогава електроните периодично променят посоката на движението си на обратната, т.е. извършват принудени трептения по посока на електрическото поле на вълната.

Фигура 1 – Движение на електрони

Магнитен компонент INелектромагнитното поле на светлинна вълна действа със силата на Лоренц

F l = q V B,

Посоката на която, в съответствие с правилото на лявата ръка, съвпада с посоката на разпространение на светлината. Когато указания дИ бпромени в обратното, тогава посоката на скоростта на електроните също се променя, но посоката на силата на Лоренц остава непроменена. Резултатът от силите на Лоренц, действащи върху свободните електрони в повърхностния слой на дадено вещество, е силата, с която светлината притиска повърхността.

Фигура 2

1- огледално крило; 2- почерняло крило; 3-огледало; 4-скала за измерване на ъгъла на завъртане; 5 стъклена нишка

Лекият натиск може да се обясни и на основата квантово идеи за светлината. Както беше посочено по-горе, фотоните имат импулс. Когато фотони се сблъскат с материя, част от фотоните се отразяват, а други се абсорбират. И двата процеса са придружени от предаване на импулс от фотони към осветената повърхност. Според втория закон на Нютон, промяната в импулса на тялото означава, че силата на светлинния натиск действа върху тялото F даде. Съотношението на модула на тази сила към повърхността на тялото е равно на светлинния натиск върху повърхността: P = F налягане /S.

Съществуването на светлинно налягане е експериментално потвърдено от Лебедев. Устройството, създадено от Лебедев, беше много чувствителна торсионна скала. Движещата се част на скалата беше светла рамка със светли и тъмни крила с дебелина 0,01 mm, окачена на тънка кварцова нишка. Светлината упражнява различен натиск върху светлите (отразяващи) и тъмните (поглъщащи) крила. В резултат на това върху рамката действа въртящ момент, който усуква нишката на окачването. Ъгълът на усукване на конеца се използва за определяне на светлинния натиск.

При нормално падане на светлина върху повърхността на твърдо тяло светлинното налягане се определя по формулата стр = С(1 — Р)/° С, Където С — плътност на енергийния поток (интензитет на светлината), Р- коефициент на отражение светлина от повърхността.

Налягането на светлината върху твърди тела е изследвано експериментално за първи пътП. Н. Лебедев през 1899 г. Основните трудности при експерименталното откриване на светлинно налягане са в изолирането му от фонарадиометрични и конвективни сили , чиято величина зависи от налягането на заобикалящия тялото газ и в случай на недостатъчновакуум може да надвишава светлинното налягане с няколко порядъка. INОпитите на Лебедев във вакуумиран (mm Hg) стъклен съд, кобилиците бяха окачени на тънка сребърна нишкаторсионни везни с прикрепени към тях тънки дискови крила, които се облъчваха. Крилата са направени от различни метали ислюда с еднакви срещуположни повърхности. Чрез последователно облъчване на предната и задната повърхност на крилата с различна дебелина, Лебедев успя да неутрализира остатъчния ефект на радиометричните сили и да получи задоволително (с грешка) съгласие с теорията на Максуел. През 1907-10 г. Лебедев извършва още по-фини експерименти за изучаванелек натиск върху газовете и също намери добро съгласие с теорията.

Светлинното налягане играе голяма роля в астрономическите и атомни явления. В астрофизиката светлинното налягане, заедно с газовото налягане, осигуряват стабилността на звездите чрез противодействиегравитационни сили . Действието на светлинния натиск обяснява някои от формите на кометните опашки. Атомните ефекти включват т.нар. светлинният изход, изпитван от възбуден атом при излъчване на фотон.

В кондензирана среда лек натиск може да причининосещ ток (вижте Фотоелектричен ефект).

Специфични характеристики на светлинното налягане се откриват в разредени атомни системи, когаторезонансно разсейване интензивна светлина, когато честотата на лазерното лъчение е равна на честотатаатомен преход . Поглъщайки фотон, атомът получава импулс в посоката на лазерния лъч и отива ввъзбудено състояние . След това, спонтанно излъчвайки фотон, атомът придобива инерция ( светлинна ефективност) във всяка посока. С последващи придобивания испонтанни емисии фотони, произволно насочени импулси на светлинен изход взаимно се компенсират и в крайна сметка резонансният атом получава импулс, насочен по протежение на светлинния лъч резонансно налягане на светлината . Сила Ерезонансното налягане на светлината върху атома се дефинира като импулса, предаван от поток от фотони с плътност нза единица време: , където —импулс на един фотон, - сечение на поглъщане резонансен фотон, -дължина на вълната на светлината . При относително ниска плътност на излъчване, резонансното налягане на светлината е право пропорционално на интензитета на светлината. При високи плътности нпоради окончателен ()По време на живота на възбуденото ниво, абсорбцията се насища и насищане на резонансното налягане на светлината (вж.Ефект на насищане ). В този случай светлинното налягане се създава от фотони, спонтанно излъчени от атоми със средна честота (обратна на живота на възбудения атом) в произволна посока, определенаатомна емисионна диаграма . Силата на светлинния натиск престава да зависи от интензивността, а се определя от скоростта на спонтанните актове на излъчване: . За типичните стойности на c -1 и μm, силата на светлинния натиск е eV/cm; когато е наситен, резонансното налягане на светлината може да създаде ускорение на атомите до 10 5
ж (ж — ускорение на гравитацията ). Такива големи сили позволяват избирателен контролатомни лъчи , променяйки честотата на светлината и различно засягайки групи от атоми, които се различават малко в честотите на резонансно поглъщане. По-специално, възможно е да се компресираРазпределение на Максуел по скорост, премахване на високоскоростни атоми от лъча. Лазерната светлина се насочва към атомния лъч, като същевременно избира честотата и формата на радиационния спектър, така че най-бързите атоми да изпитват най-силния спирачен ефект от светлинния натиск поради по-голямото сиДоплерова промяна резонансна честота. Друго възможно приложение на резонансното налягане на светлината е разделянето на газове: когато се облъчи двукамерен съд, пълен със смес от два газа, единият от които е в резонанс с излъчването, резонансните атоми под въздействието на лек натиск, ще се премести в далечната камера.

Резонансното налягане на светлината върху атоми, поставени в интензивно поле, има специфични характеристики.стояща вълна . От квантова гледна точка, стояща вълна, образувана от насрещни потоци от фотони, причинява удари на атома поради поглъщането на фотони и тяхното стимулирано излъчване. Средната сила, действаща върху атома, не е равна на нула поради нееднородността на полето по дължината на вълната. От класическа гледна точка силата на светлинния натиск се дължи на действието на пространствено нехомогенно поле върху индуциранияатомен дипол . Тази сила е минимална във възлите, къдетодиполен момент не се индуцира и в антинодите, където градиентът на полето става нула. Максималната сила на светлинния натиск е равна по големина (знаците се отнасят за синфазно и противофазно движение на диполи с момент дпо отношение на полето с интензитет д). Тази сила може да достигне гигантски стойности: за дебай, µm и V/cm, силата е eV/cm.

Полето на стояща вълна разслоява лъч от атоми, преминаващ през лъч светлина, тъй като диполите, осцилиращи в противофаза, се движат по различни траектории като атомите в експеримента на Щерн-Герлах. В лазерните лъчи атомите, движещи се по дължината на лъча, са подложени на сила на радиално светлинно налягане, причинено от радиалната нехомогенност на плътността на светлинното поле.

Както в стоеж, така и впътуваща вълна възниква не само детерминираното движение на атомите, но и технитедифузия във фазовото пространство поради факта, че актовете на поглъщане и излъчване на фотони са чисто квантови случайни процеси. Коефициент на пространствена дифузия за атом с маса Мв пътуваща вълна е равно на .

Резонансно налягане на светлината, подобно на разглежданото, също може да бъде изпитано отквазичастици в твърди вещества:електрони, екситони и др.

Библиография

Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика. М., 2006.


Когато електромагнитните вълни падат върху повърхност, те упражняват натиск върху тази повърхност. Налягането на светлината може да се обясни както от електромагнитна гледна точка, така и в рамките на квантовата теория.

Нека нормално плоска електромагнитна вълна падне върху металната повърхност, тогава векторите на електрическото и магнитното поле на такава вълна са успоредни на повърхността. Под въздействието на електрическо поле д електроните започват да се движат успоредно на повърхността. Освен това за всеки електрон, движещ се със скорост , от страната на магнитното поле на светлинна вълна с индукция Действа силата на Лоренц



насочен в метала перпендикулярно на повърхността му. По този начин светлинната вълна трябва да произвежда натиск върху повърхността на метала.

В рамките на теорията на квантовите фотони, светлинното налягане се дължи на факта, че всеки фотон не само носи енергия, но има и импулс . Всеки погълнат фотон предава инерцията си на повърхността

и всеки отразен импулс се удвоява

Нека поток от фотони падне нормално върху повърхността на някакво тяло N f (N f- броят на фотоните, падащи върху единица площ за единица време). Ако повърхността на тялото има коефициент на отражение, тогава за единица време фотоните ще се отразяват от нея и фотоните ще се абсорбират от повърхността. Импулсът, получен от единица повърхност на тяло за единица време, е равен на

Според втория закон на Нютон съществува сила, нормална към повърхността (в този случай това е силата на натиск) и големината - налягане. Така светлинното налягане е равно на

Количество, равно на произведението на фотонната енергия ħwна брой фотони N fинцидент на единица площ от тялото за единица време е плътността на потока на светлинната енергия Р.Същата стойност може да се получи чрез умножаване на средната енергийна плътност във вълна със скоростта на светлината:

Вече обсъдихме тази формула за и по-рано, когато разглеждахме налягането на електромагнитните вълни.

Пример.Да определим налягането Рслънчева светлина върху почерняла плоча, разположена перпендикулярно на слънчевите лъчи и разположена извън земната атмосфера близо до Земята.

Слънчевата константа, тоест плътността на енергийния поток на слънчевата електромагнитна радиация в близост до Земята извън нейната атмосфера, е приблизително равна на . Почернената плоча поема почти всичко, тоест за оценка можете да поставите . Оттук и натискът

Светлинното налягане играе огромна роля в ориентацията на кометните опашки спрямо Слънцето. Праховите частици и газовите молекули, присъстващи в кометите, изпитват лек натиск от слънчевите лъчи, в резултат на което се образуват особени форми на кометни опашки, ориентирани в противоположна на Слънцето посока. (Понастоящем се приема, че феноменът на образуване на опашка на комета се определя отчасти от "протонния" вятър, излъчван от Слънцето.)




Ориз. 2.20. Лекият натиск отклонява опашката на кометата от Слънцето




Ориз. 2.21. Проект на слънчево платно в околоземна орбита, задвижвано от светлинен натиск

Така както електромагнитната (вълновата), така и фотонната (квантовата) теории решават въпроса за механизма и законите на светлинното налягане с еднакъв успех.

Нека обобщим:

1. При явленията на разпространение и отражение на светлината (дифракция и интерференция) светлината се държи като вълна с типични вълнови характеристики като честота и дължина на вълната . 2. При явленията на излъчване и пренос на енергия светлината се държи като частица, характеризираща се с енергия и импулс . 3. Константата на Планк числено свързва корпускулярните характеристики с вълновите характеристики.

Следователно трябва да признаем двойствената природа на фотона. Досега в нашия курс това е необичайно свойство - дуалност вълна-частица - настроен само за светлина.

Феноменът на светлинното налягане е открит от Лебедев през 1900 г. върху твърди тела и през 1907-1908 г. върху газове. Инсталацията за наблюдение и измерване на налягането на светлината върху твърди тела е следната конструкция на ултрачувствителна торсионна везна.

Движещата се част на везната е олекотена рамка

с тънък метал, фиксиран върху него

крилни пластини, една от които е огледална p=1,

а другият е почернен p=0. Рамката е симетрично фиксирана към

еластично окачване. Всичко това се поставя във вакуумиран стъклен съд.

Крилата бяха последователно осветени от светлина от волтова дъга, а светлинното налягане се определяше от ъгъла на усукване на конеца, в края на който беше прикрепено огледало, хвърлящо зайчето върху мащаб. Opt показа, че натискът, упражняван от светлина върху огледалното крило, се оказа 2 пъти по-голям, отколкото върху почерненото крило. Нека се опитаме да изчислим това налягане. Нека N струи падат на повърхността. Някои от тях се отразяват (числото им ρN), някои се абсорбират (броят им (1-ρ)N). Импулсът на един фотон е ρ=nν/c. Импулсът на силата на натиск, произведен върху повърхността, е равен на общата промяна в импулсите на всички фотони.

F=Nρ + (1+ρ)Nhν/c; P=F/S=Nhν(1+ρ)/cS=J(1+ρ)/c=ω(1+ρ);

J/c=ω – обемна енергийна плътност. Тези резултати съвпадат с получените в експеримента. => Фотоните имат свойствата на частици, т.е. импулс.

Лек натиск.Ако фотонът има импулс, тогава светлината, падаща върху тялото, трябва да упражнява натиск върху него. От гледна точка на квантовата теория натискът на светлината върху повърхността се дължи на факта, че всеки фотон, когато се сблъска с повърхност, предава своя импулс към нея. Нека изчислим, от гледна точка на квантовата теория, светлинното налягане, упражнявано върху повърхността на тялото от поток от монохроматично лъчение (честота), падащо перпендикулярно на повърхността. Ако N фотони паднат на единица площ от повърхността на тялото, тогава при коефициента на отражение на светлината от повърхността на тялото фотоните ще бъдат отразени и погълнати. Всеки погълнат фотон предава импулс, а всеки отразен фотон предава (когато се отрази, фотонният импулс се променя с). Налягането на светлината е равно на импулса, който се предава почти за 1 s от N фотона: .

Има енергията на всички фотони, падащи на единица повърхност за единица време, т.е. енергийна осветеност и - обемна енергийна плътност на излъчване. Следователно налягането, създадено от светлината по време на нормално падане на повърхността,

29. Откриване на електрона. Установяването на закона за електролизата все още не е доказано категорично, че в природата съществуват елементарни електрически заряди. Може например да се приеме, че всички едновалентни йони имат различни електрически заряди, но тяхната средна стойност е равна на елементарния заряд д.
За да се разбере дали в природата съществува елементарен заряд, беше необходимо да се измери не общото количество електричество, пренасяно от голям брой йони, а зарядите на отделните йони. Въпросът дали зарядът е задължително свързан с частици материя и, ако е свързан, с кои, също беше неясен.
Важен принос за решаването на тези проблеми има в края на 19 век. при изучаване на явления, възникващи при преминаване на електрически ток през разредени газове. Експериментите разкриват блясък от стъклото на газоразрядната тръба зад анода. На светлия фон на светещото стъкло се виждаше сянка от анода, сякаш сиянието на стъклото беше причинено от някакво невидимо лъчение, разпространяващо се направо от катода към анода. Това невидимо лъчение се нарича катодни лъчи.
Френският физик Жан Перин открива през 1895 г., че „катодните лъчи“ всъщност са поток от отрицателно заредени частици.
Изучавайки законите на движението на частиците на катодните лъчи в електрически и магнитни полета, английският физик Джоузеф Томсън (1856-1940) установява, че съотношението на електрическия заряд на всяка частица към нейната маса е еднакво за всички частици. Ако приемем, че всяка частица катодни лъчи има заряд, равен на елементарния заряд д, тогава ще трябва да заключим, че масата на частицата катоден лъч е по-малка от една хилядна от масата на най-лекия познат атом – водородния атом.
Освен това Томсън установи, че съотношението на заряда на частиците на катодните лъчи към тяхната маса е еднакво, когато тръбата е пълна с различни газове и когато катодът е направен от различни метали. Следователно еднакви частици са били част от атомите на различни елементи.
Въз основа на резултатите от експериментите си Томсън заключава, че атомите на материята не са неделими. Отрицателно заредени частици с маса, по-малка от една хилядна от масата на водороден атом, могат да бъдат изтръгнати от атом на всеки химичен елемент. Всички тези частици имат еднаква маса и имат еднакъв електрически заряд. Тези частици се наричат електрони.

Основният постулат на корпускулярната теория на електромагнитното излъчване звучи така:: ъъъ електромагнитно излъчване (и по-специално светлина) – това е потокът час цици ,Наречен фотони . Фотоните се разпространяват във вакуум със скорост, равна на максимална скорост на разпространение на взаимодействието , с= 3·10 8 m/s, маса и енергия на покой всеки фотон са равни на нула , фотонна енергия де свързано с честотата на електромагнитното излъчване ν и дължината на вълната λ по формулата

(2.7.1)

Моля, обърнете внимание: формула (2.7.1) се отнася корпускуларенхарактеристики на електромагнитното излъчване, фотонна енергия, s вълнахарактеристики – честота и дължина на вълната. Представлява мост между корпускулярната и вълновата теория. Съществуването на този мост е неизбежно, тъй като и фотонът, и електромагнитна вълна - това е всичко два модела на един и същи обект от реалния живот –електромагнитно излъчване .

Всяка движеща се частица ( корпускула) има импулс, а според теорията на относителността енергията на частицата ди нейната инерция стрсвързани с формулата

(2.7.2)

Където – енергия на покой на частицата. Тъй като енергията на покой на фотона е нула, две много важни формули следват от (2.7.2) и (2.7.1):

,

(2.7.3)

.

(2.7.4)

Нека сега се обърнем към явлението светлинен натиск.

Светлинното налягане е открито от руския учен П.Н. Лебедев през 1901 г. В своите експерименти той установява, че налягането на светлината зависи от интензитета на светлината и от отразяващата способност на тялото. В експериментите е използвано колело с черни и огледални венчелистчета, поставено във вакуумирана колба (фиг. 2.10).


Ориз. 2.10

Нека изчислим стойността на светлинното налягане.

За площ на тялото Ссветлинният поток пада с енергия, където н – брой кванти (фиг. 2.11).


Ориз. 2.11

KNквантите ще се отразяват от повърхността; (1 - К)н– ще се абсорбира (фиг. 2.10), К- коефициент на отражение.

Всеки погълнат фотон ще предаде импулс на тялото:

.

(2.7.5)

Всеки отразен фотон ще предаде импулс към тялото:

,

(2.7.6)

защото .

Всичко за единица време нквантите предават импулс на тялото Р:

.

(2.7.7)

защото фотонът има импулс, тогава импулсът, прехвърлен към тялото за една секунда, е сила на натиск - сила на единица повърхност.

Тогава налягането, или



Където Дж– интензитет на радиация. Тоест може да се изчисли светлинното налягане.