Gaismas spiediena spēks uz spoguli. Viegls spiediens

48.Kvantu optikas elementi. Fotona enerģija, masa un impulss. Gaismas spiediena formulas atvasināšana, pamatojoties uz kvantu priekšstatiem par gaismas dabu.

Tādējādi gaismas izplatīšanos nevajadzētu uzskatīt par nepārtrauktu viļņu izplatīšanos

process, bet gan kā telpā lokalizētu diskrētu daļiņu plūsma, kas pārvietojas ar gaismas izplatīšanās ātrumu vakuumā. Pēc tam (1926. gadā) šīs daļiņas sauca par fotoniem. Fotoniem ir visas daļiņas (ķermeņa) īpašības.

Planka hipotēzes izstrādes rezultātā radās idejas par gaismas kvantu īpašībām. Gaismas kvantus sauc par fotoniem. Saskaņā ar masas un enerģijas proporcionalitātes likumu un Planka hipotēzi fotonu enerģiju nosaka formulas

.

Pielīdzinot šo vienādojumu labās puses, iegūstam fotonu masas izteiksmi

vai ņemot vērā to,

Fotona impulsu nosaka pēc formulas:

Pārējā fotona masa ir nulle. Elektromagnētiskā starojuma kvanti pastāv tikai izplatoties ar gaismas ātrumu, bet tam ir ierobežotas enerģijas un impulsa vērtības. Monohromatiskā gaismā ar frekvenci ν visiem fotoniem ir vienāda enerģija, impulss un masa.

Viegls spiediens

Gaismas starojums var nodot savu enerģiju ķermenim mehāniska spiediena veidā.

Viņš pierādīja, ka gaisma, ko pilnībā absorbē nomelnējusi plāksne, iedarbojas uz to ar spēku. Gaismas spiediens izpaužas ar to, ka uz ķermeņa apgaismoto virsmu gaismas izplatīšanās virzienā iedarbojas sadalīts spēks, proporcionāls gaismas enerģijas blīvumam un atkarībā no virsmas optiskajām īpašībām.

Mehānikas likumu piemērošanas rezultātā Ļebedeva optiskajiem mērījumiem tika iegūta ārkārtīgi svarīga sakarība, kas parādīja, ka enerģija vienmēr ir līdzvērtīga masai. Einšteins bija pirmais, kurš norādīja, ka vienādojums mc 2 = E ir universāls un tam vajadzētu būt derīgam jebkura veida enerģijai.

Šo parādību var izskaidrot gan no viļņu, gan korpuskulāro gaismas būtības koncepciju viedokļa. Pirmajā gadījumā tas ir gaismas viļņa elektriskā lauka inducētās elektriskās strāvas un tā magnētiskā lauka mijiedarbības rezultāts saskaņā ar Ampera likumu. Gaismas viļņa elektriskie un magnētiskie lauki, kas periodiski mainās telpā un laikā, mijiedarbojoties ar vielas virsmu, iedarbojas uz vielas atomu elektroniem. Viļņa elektriskais lauks izraisa elektronu svārstības. Lorenca spēks no viļņa magnētiskā lauka ir vērsts pa viļņa izplatīšanās virzienu un ir viegls spiediena spēks. Kvantu teorija skaidro gaismas spiedienu ar to, ka fotoniem ir noteikts impulss un, mijiedarbojoties ar vielu, tie daļu impulsa pārnes uz vielas daļiņām, tādējādi izdarot spiedienu uz tās virsmu (var vilkt analoģiju ar triecieniem molekulas uz trauka sienas, kurās uz sienu pārnestais impulss nosaka gāzes spiedienu traukā).

Absorbējot, fotoni pārnes savu impulsu uz ķermeni, ar kuru tie mijiedarbojas. Tas ir viegla spiediena cēlonis.

Noteiksim gaismas spiedienu uz virsmu, izmantojot starojuma kvantu teoriju.

Ļaujiet starojumam ar frekvenci ν krist perpendikulāri kādai virsmai (5. att.). Ļaujiet šim starojumam, kas sastāv no N fotoniem, nokrist uz plakana virsmas

rezerves ∆ S laikam ∆ t. Virsma absorbē N 1 fotonus un atstaro

Xia N 2, t.i. N = N 1 + N 2.

Reiziniet un sadaliet šīs vienādības labo pusi ar N, mēs iegūstam

Beidzot

kur ir visu N fotonu enerģija, kas krīt uz laukuma vienību laika vienībā, izmērs-

ness; - atstarošanas koeficients.

Melnai virsmai ρ = ​​0 un spiediens būs vienāds ar .

Apzīmē tilpuma enerģijas blīvumu, tā izmēru .

Tad n fotonu koncentrācija starā, kas krīt uz virsmas, būs

.

Vieglā spiediena vienādojumā aizstājot (2.2), iegūstam

Spiedienu, ko rada gaisma, krītot uz līdzenas virsmas, var aprēķināt, izmantojot formulu

kur E ir virsmas apstarošanas (vai apgaismojuma) intensitāte, c ir elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vakuumā, α ir ķermeņa absorbētās krītošās enerģijas daļa (absorbcijas koeficients

tion), ρ ir ķermeņa atstarotās krītošās enerģijas daļa (atstarošanas koeficients), θ ir leņķis starp starojuma virzienu un apstarotās virsmas normālu. Ja ķermenis nav caurspīdīgs, tas ir, viss

krītošais starojums tiek atstarots un absorbēts, tad α +ρ =1.

49 Kvantu optikas elementi. Komptona efekts. Daļiņu-viļņu gaismas duālisms (starojums).

3) Elektromagnētiskā starojuma viļņu korpusu duālisms

Tātad termiskā starojuma, fotoelektriskā efekta un Komptona efekta izpēte parādīja, ka elektromagnētiskajam starojumam (jo īpaši gaismai) ir visas daļiņas (ķermeņa) īpašības. Tomēr liela optisko parādību grupa - traucējumi, difrakcija, polarizācija - norāda uz elektromagnētiskā starojuma, jo īpaši gaismas, viļņu īpašībām.

Kas ir gaisma - nepārtraukti elektromagnētiskie viļņi, ko izstaro avots vai diskrētu fotonu plūsma, nejauši elektromagnētiskajam viļņam, neizslēdz fotoniem raksturīgās diskrētās īpašības.

Gaismai (elektromagnētiskajam starojumam) vienlaikus piemīt nepārtrauktu elektromagnētisko viļņu īpašības un diskrēto fotonu īpašības. Tas ir elektromagnētiskā starojuma daļiņu viļņu duālisms (dualitāte).

2) Komptona efekts Tas sastāv no rentgena starojuma viļņa garuma palielināšanas, kad to izkliedē viela. Viļņa garuma maiņa

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

kur k =h/(mc) ir Komptona viļņa garums, m ir miera masa

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

Visas Komptona efekta pazīmes tika izskaidrotas, uzskatot izkliedi par rentgena fotonu elastīgās sadursmes procesu ar brīvajiem elektroniem, kurā tiek ievērots enerģijas nezūdamības likums un impulsa nezūdamības likums.

Saskaņā ar (9) viļņa garuma izmaiņas ir atkarīgas tikai no izkliedes leņķa un nav atkarīgas ne no rentgena viļņa garuma, ne no vielas veida.

1) Kvantu optikas elementi. Fotoni, fotona enerģija, masa un impulss

Lai izskaidrotu enerģijas sadalījumu termiskā starojuma spektrā, Planks pieņēma, ka elektromagnētiskie viļņi tiek emitēti pa daļām (kvantiem). Einšteins 1905. gadā nonāca pie secinājuma, ka starojums ne tikai izstaro, bet arī izplatās un tiek absorbēts kvantu veidā. Šis secinājums ļāva izskaidrot visus eksperimentālos faktus (fotoelektriskais efekts, Komptona efekts u.c.), ko nevarēja izskaidrot ar klasisko elektrodinamiku, pamatojoties uz starojuma īpašību viļņu koncepcijām. Tādējādi gaismas izplatīšanās ir jāuzskata nevis par nepārtrauktu viļņu procesu, bet gan par telpā lokalizētu diskrētu daļiņu plūsmu, kas pārvietojas ar tādu pašu ātrumu kā gaismas izplatīšanās vakuumā. Pēc tam (1926. gadā) šīs daļiņas sauca par fotoniem. Fotoniem ir visas daļiņas (ķermeņa) īpašības.

1. Fotonu enerģija

Tāpēc Planka konstante dažreiz tiek saukta par darbības kvantu. Izmērs sakrīt, piemēram, ar leņķiskā impulsa izmēru (L=r mv).

Kā izriet no (1), fotonu enerģija palielinās, palielinoties frekvencei (vai samazinoties viļņa garumam),

2. Fotona masu nosaka, pamatojoties uz likumu par masas un enerģijas saistību (E=mc 2)

3.Fotonu impulss. Jebkurai relativistiskajai daļiņai tā enerģija Tā kā fotonam ir m 0 =0, tad fotona impulss

tie. viļņa garums ir apgriezti proporcionāls impulsam

50. Atoma kodolmodelis pēc Rezerforda. Ūdeņraža atoma spektrs. Vispārējā Balmer formula. Ūdeņraža atoma spektrālās rindas. Terma jēdziens.

1) Rezerfords ierosināja atoma kodolmodeli. Saskaņā ar šo modeli atoms sastāv no pozitīva kodola ar lādiņu Ze (Z ir elementa kārtas numurs periodiskajā tabulā, e ir elementārais lādiņš), izmērs 10 -5 -10 -4 A (1A = 10 -10 m) un masa ir gandrīz vienāda ar atoma masu. Elektroni pārvietojas ap kodolu slēgtās orbītās, veidojot atoma elektronu apvalku. Tā kā atomi ir neitrāli, Z elektroniem jāgriežas ap kodolu, kura kopējais lādiņš ir Zе. Atoma izmērus nosaka elektronu ārējo orbītu izmēri, un tie ir A vienību kārtībā.

Elektronu masa veido ļoti nelielu daļu no kodola masas (0,054% ūdeņradim, mazāk nekā 0,03% citiem elementiem). Jēdzienu “elektronu izmērs” nevar formulēt konsekventi, lai gan ro 10-3 A sauc par klasisko elektronu rādiusu. Tātad atoma kodols aizņem nenozīmīgu daļu no atoma tilpuma un tajā ir koncentrēta gandrīz visa (99,95%) atoma masa. Ja atomu kodoli atrastos tuvu viens otram, tad zemeslodes rādiuss būtu 200 m, nevis 6400 km (vielas blīvums

2) Ūdeņraža atoma līniju spektrs

Atomu ūdeņraža emisijas spektrs sastāv no atsevišķām spektra līnijām, kuras ir sakārtotas noteiktā secībā. 1885. gadā Balmers atklāja, ka šo līniju viļņu garumus (vai frekvences) var attēlot ar formulu.

, (9)

kur R =1,0974 7 m -1 sauc arī par Ridberga konstanti.

Attēlā 1. attēlā parādīta ūdeņraža atoma enerģijas līmeņu diagramma, kas aprēķināta saskaņā ar (6) pie z=1.

Kad elektrons pārvietojas no augstākiem enerģijas līmeņiem uz n = 1 līmeni, rodas ultravioletais starojums vai Laimana sērijas (SL) starojums.

Kad elektroni pārvietojas uz n = 2 līmeni, parādās redzamais starojums jeb Balmera sērijas (SB) starojums.

Kad elektroni pārvietojas no augstākiem līmeņiem uz n = līmeni

3 rodas infrasarkanais starojums, vai Paschen sērijas starojums (SP) utt.

Iegūtā starojuma frekvences vai viļņu garumus nosaka ar formulām (8) vai (9) ar m = 1 Laimena sērijai, ar m = 2 Balmer sērijai un ar m = 3 Paschen sērijai. Fotonu enerģiju nosaka pēc formulas (7), kuru, ņemot vērā (6), ūdeņradim līdzīgiem atomiem var samazināt līdz formai:

eV (10)

50 turpinājās

4) Ūdeņraža spektrālās rindas- spektrālo sēriju kopums, kas veido ūdeņraža atoma spektru. Tā kā ūdeņradis ir vienkāršākais atoms, tā spektrālās rindas ir visvairāk pētītas. Viņi labi ievēro Ridberga formulu:

,

kur R = 109 677 cm−1 ir ūdeņraža Rydberga konstante, n′ ir sērijas galvenais līmenis. Spektra līnijas, kas rodas, pārejot uz galveno enerģijas līmeni

tiek saukti par rezonējošiem, visi pārējie tiek saukti par pakārtotajiem.

Lyman sērija

Atklāja T. Laimens 1906. gadā. Visas sērijas līnijas atrodas ultravioletā diapazonā. Sērija atbilst Ridberga formulai ar n′ = 1 un n = 2, 3, 4,

Balmer sērija

Atklāja I. Ya. Balmer 1885. gadā. Pirmās četras sērijas rindas atrodas redzamajā diapazonā. Sērija atbilst Ridberga formulai ar n′ = 2 un n = 3, 4, 5

5) Spektrālais termins vai elektroniskais terminsatoms, molekula vai jons – konfigurācija

elektroniskās apakšsistēmas radio (stāvoklis), kas nosaka enerģijas līmeni. Dažreiz vārds termins tiek saprasts kā konkrētā līmeņa faktiskā enerģija. Pārejas starp terminiem nosaka elektromagnētiskā starojuma emisijas un absorbcijas spektrus.

Atoma terminus parasti apzīmē ar lielajiem burtiem S, P, D, F utt., kas atbilst kvantu skaitļa vērtībai. orbītas leņķiskais impulss L =0, 1, 2, 3 utt. Kopējā leņķiskā impulsa J kvantu skaitli uzrāda indekss apakšējā labajā stūrī. Mazais cipars augšējā kreisajā stūrī norāda daudzkārtību ( daudzveidība) terma. Piemēram, ²P 3/2 ir dublets P. Dažreiz (parasti viena elektrona atomiem un joniem) terminu simbols norāda ar galvenais kvantu skaitlis(piemēram, 2²S 1/2).

- spiediens, ko gaisma iedarbojas uz atstarojošiem un absorbējošiem ķermeņiem, daļiņām, kā arī atsevišķām molekulām un atomiem; viens no gaismas ponderomotīve kas saistīti ar pārraidi elektromagnētiskā lauka impulss viela. Vispirms tika izteikta hipotēze par gaismas spiediena esamību I. Keplers (J.Keplers) 17.gs. lai izskaidrotu novirzi komētu astes no saules. Dota gaismas spiediena teorija klasiskās elektrodinamikas ietvaros Dž. Maksvels (J. Maxwell) 1873. Tajā gaismas spiediens ir cieši saistīts ar izkliedi un absorbciju. elektromagnētiskais vilnis matērijas daļiņas. Iekšā kvantu teorija viegls spiediens ir impulsu pārraides rezultāts fotoni uz ķermeni.

1873. gadā Maksvels, balstoties uz priekšstatiem par gaismas elektromagnētisko raksturu, paredzēja, ka gaismai jāizdara spiediens uz šķēršļiem. Šo spiedienu rada spēki, kas iedarbojas no viļņa elektromagnētiskā lauka elektriskajām un magnētiskajām sastāvdaļām uz lādiņiem apgaismotajā ķermenī.

Ļaujiet gaismai nokrist uz vadošas (metāla) plāksnes. Viļņu lauka elektriskā sastāvdaļa iedarbojas uz brīvajiem elektroniem ar spēku

F el =q E,

kur q ir elektronu lādiņš. E ir viļņa elektriskā lauka stiprums.

Elektroni sāk kustēties ar ātrumu V(1. att.) Kopš virziena E vilnī periodiski mainās uz pretējo, tad elektroni periodiski maina savas kustības virzienu uz pretējo, t.i. veikt piespiedu svārstības pa viļņa elektriskā lauka virzienu.

1. attēls – elektronu kustība

Magnētiskā sastāvdaļa IN gaismas viļņa elektromagnētiskais lauks iedarbojas ar Lorenca spēku

F l = q V B,

Kuru virziens saskaņā ar kreisās puses likumu sakrīt ar gaismas izplatīšanās virzienu. Kad norādes E Un B mainīt uz pretējo, tad mainās arī elektronu ātruma virziens, bet Lorenca spēka virziens paliek nemainīgs. Lorenca spēku rezultants, kas iedarbojas uz brīvajiem elektroniem vielas virsmas slānī, ir spēks, ar kādu gaisma nospiež virsmu.

2. attēls

1- spoguļa spārns; 2- nomelnējis spārns; 3-spogulis; 4 skala griešanās leņķa mērīšanai; 5 stikla vītne

Vieglu spiedienu var izskaidrot arī uz pamata kvantu idejas par gaismu. Kā minēts iepriekš, fotoniem ir impulss. Kad fotoni saduras ar vielu, daži fotoni tiek atstaroti un daži tiek absorbēti. Abus procesus pavada impulsa pārnešana no fotoniem uz apgaismoto virsmu. Saskaņā ar otro Ņūtona likumu ķermeņa impulsa maiņa nozīmē, ka uz ķermeni iedarbojas gaismas spiediena spēks F dot. Šī spēka moduļa attiecība pret ķermeņa virsmas laukumu ir vienāda ar gaismas spiedienu uz virsmu: P = F spiediens /S.

Gaismas spiediena esamību eksperimentāli apstiprināja Ļebedevs. Ļebedeva radītā ierīce bija ļoti jutīga vērpes skala. Svaru kustīgā daļa bija gaišs rāmis ar gaišiem un tumšiem 0,01 mm bieziem spārniem, kas piekārti uz plānas kvarca pavediena. Gaisma izdarīja atšķirīgu spiedienu uz gaišajiem (atstarojošajiem) un tumšajiem (absorbējošajiem) spārniem. Rezultātā uz rāmi iedarbojās griezes moments, kas sagrieza piekares vītni. Lai noteiktu gaismas spiedienu, tika izmantots vītnes vērpšanas leņķis.

Ja gaisma parasti nonāk uz cieta ķermeņa virsmas, gaismas spiedienu nosaka pēc formulas lpp = S(1 — R)/c, Kur S — enerģijas plūsmas blīvums (gaismas intensitāte), R- atstarošanas koeficients gaisma no virsmas.

Pirmo reizi eksperimentāli tika pētīts gaismas spiediens uz cietām vielām P.N. Ļebedevs 1899. gadā. Galvenās grūtības gaismas spiediena eksperimentālajā noteikšanā bija tās izolēšana no fona radiometriskie un konvektīvie spēki , kuras lielums ir atkarīgs no ķermeni apņemošās gāzes spiediena un nepietiekama vakuums var pārsniegt gaismas spiedienu par vairākām kārtām. INĻebedeva eksperimenti evakuētā (mm Hg) stikla traukā šūpuļsviras tika piekārtas uz plānas sudraba diega vērpes svari ar tiem piestiprinātiem plāniem diskspārniem, kas tika apstaroti. Spārni tika izgatavoti no dažādiem metāliem un vizla ar identiskām pretējām virsmām. Secīgi apstarojot dažāda biezuma spārnu priekšējās un aizmugurējās virsmas, Ļebedevam izdevās neitralizēt radiometrisko spēku atlikušo efektu un iegūt apmierinošu (ar kļūdu) piekrišanu Maksvela teorijai. 1907.-1910. gadā Ļebedevs veica vēl smalkākus eksperimentus, lai pētītu viegls spiediens uz gāzēm un arī atrada labu sakritību ar teoriju.

Gaismas spiedienam ir liela nozīme astronomiskajās un atomu parādībās. Astrofizikā gaismas spiediens kopā ar gāzes spiedienu nodrošina zvaigžņu stabilitāti, iedarbojoties gravitācijas spēki . Viegla spiediena darbība izskaidro dažas komētas astes formas. Atomu efekti ietver ts. gaismas jauda, ​​ko izjūt ierosināts atoms, izstarojot fotonu.

Kondensētā vidē viegls spiediens var izraisīt nesēja strāva (skatiet Fotoelektrisko efektu).

Īpašas gaismas spiediena pazīmes ir sastopamas retinātās atomu sistēmās, kad rezonanses izkliede intensīva gaisma, kad lāzera starojuma frekvence ir vienāda ar frekvenci atomu pāreja . Absorbējot fotonu, atoms saņem impulsu lāzera stara virzienā un nonāk tajā satraukts stāvoklis . Tālāk, spontāni izstarot fotonu, atoms iegūst impulsu ( gaismas efektivitāte) jebkurā virzienā. Ar turpmākajām iegādēm un spontānas emisijas fotoni, patvaļīgi virzīti gaismas impulsi dzēš viens otru, un galu galā rezonējošais atoms saņem impulsu, kas virzīts pa gaismas staru gaismas rezonanses spiediens . Spēks F gaismas rezonanses spiediens uz atomu ir definēts kā impulss, ko pārnes fotonu plūsma ar blīvumu N laika vienībā: , kur — viena fotona impulss, - absorbcijas šķērsgriezums rezonanses fotons, - gaismas viļņa garums . Pie salīdzinoši zema starojuma blīvuma gaismas rezonanses spiediens ir tieši proporcionāls gaismas intensitātei. Pie augsta blīvuma N sakarā ar final() Ierosinātā līmeņa darbības laikā absorbcija piesātina un gaismas rezonanses spiediena piesātinājums (sk. Piesātinājuma efekts ). Šajā gadījumā gaismas spiedienu rada fotoni, kurus spontāni izstaro atomi ar vidējo frekvenci (pretēji ierosinātā atoma kalpošanas laikam) nejaušā noteiktā virzienā. atomu emisijas diagramma . Gaismas spiediena stiprums pārstāj būt atkarīgs no intensitātes, bet to nosaka spontānu emisijas aktu ātrums: . Tipiskām vērtībām c -1 un μm gaismas spiediena spēks ir eV/cm; kad tas ir piesātināts, gaismas rezonanses spiediens var radīt atomu paātrinājumu līdz 10 5
g (g — gravitācijas paātrinājums ). Šādi lieli spēki ļauj selektīvi kontrolēt atomu stari , mainot gaismas frekvenci un dažādi ietekmējot atomu grupas, kurām rezonanses absorbcijas frekvences atšķiras maz. Jo īpaši ir iespējams saspiest Maksvela sadalījums ar ātrumu, noņemot no stara ātrgaitas atomus. Lāzera gaisma ir vērsta pret atomu staru, vienlaikus izvēloties starojuma spektra frekvenci un formu tā, lai ātrākie atomi izjustu spēcīgāko gaismas spiediena bremzēšanas efektu, jo tie ir lielāki. Doplera maiņa rezonanses frekvence. Vēl viens iespējamais gaismas rezonanses spiediena pielietojums ir gāzu atdalīšana: apstarojot divkameru trauku, kas piepildīts ar divu gāzu maisījumu, no kurām viena ir rezonansē ar starojumu, rezonanses atomi, iedarbojoties neliels spiediens, pārvietosies tālākajā kamerā.

Gaismas rezonanses spiedienam uz atomiem, kas novietoti intensīvā laukā, ir savdabīgas iezīmes. stāvošais vilnis . No kvantu viedokļa stāvvilnis, ko veido fotonu pretplūsmas, izraisa triecienus atomam fotonu absorbcijas un to stimulētās emisijas dēļ. Vidējais spēks, kas iedarbojas uz atomu, nav vienāds ar nulli lauka neviendabīguma dēļ viļņa garumā. No klasiskā viedokļa gaismas spiediena spēks ir saistīts ar telpiski neviendabīga lauka iedarbību uz inducēto. atomu dipols . Šis spēks ir minimāls mezglos, kur dipola moments nav inducēts, un antinodos, kur lauka gradients kļūst par nulli. Gaismas spiediena maksimālais spēks ir vienāds pēc lieluma (zīmes attiecas uz dipolu fāzes un pretfāzes kustību ar momentu d attiecībā pret lauku ar intensitāti E). Šis spēks var sasniegt milzīgas vērtības: debye, µm un V/cm, spēks ir eV/cm.

Stāvviļņa lauks stratificē atomu staru kūli, kas iet caur gaismas staru kūli, jo dipoli, svārstoties pretfāzē, pārvietojas pa dažādām trajektorijām, piemēram, atomi Sterna-Gerlaha eksperimentā. Lāzera staros atomi, kas pārvietojas pa staru, ir pakļauti radiālā gaismas spiediena spēkam, ko izraisa gaismas lauka blīvuma radiālā neviendabība.

Gan stāvot, gan iekšā ceļojošais vilnis notiek ne tikai deterministiska atomu kustība, bet arī to difūzija fāzes telpā sakarā ar to, ka fotonu absorbcijas un emisijas akti ir tīri kvantu nejauši procesi. Telpiskās difūzijas koeficients atomam ar masu M ceļojošā vilnī ir vienāds ar .

Var piedzīvot arī aplūkotajam līdzīgu gaismas rezonanses spiedienu kvazidaļiņas cietās vielās: elektroni, eksitoni utt.

Bibliogrāfija

Mustafajevs R.A., Krivcovs V.G. Fizika. M., 2006. gads.


Kad elektromagnētiskie viļņi krīt uz virsmas, tie rada spiedienu uz šo virsmu. Gaismas spiedienu var izskaidrot gan no elektromagnētiskā viedokļa, gan kvantu teorijas ietvaros.

Ļaujiet uz metāla virsmas nokrist parasti plakanam elektromagnētiskajam vilnim, tad šāda viļņa elektriskā un magnētiskā lauka vektori ir paralēli virsmai. Elektriskā lauka ietekmē E elektroni sāk kustēties paralēli virsmai. Turklāt katram elektronam, kas pārvietojas ar ātrumu , no gaismas viļņa magnētiskā lauka puses ar indukciju Lorenca spēks darbojas



vērsta metālā perpendikulāri tā virsmai. Tādējādi gaismas vilnim jārada spiediens uz metāla virsmu.

Kvantu fotonu teorijas ietvaros gaismas spiediens ir saistīts ar to, ka katrs fotons ne tikai nes enerģiju, bet tam ir arī impulss. . Katrs absorbētais fotons pārnes savu impulsu uz virsmu

un katrs atspoguļotais impulss tiek dubultots

Ļaujiet fotonu plūsmai normāli nokrist uz kāda ķermeņa virsmu N f (N f- fotonu skaits, kas krīt uz laukuma vienību laika vienībā). Ja ķermeņa virsmai ir atstarošanas koeficients, tad laika vienībā no tās atstarojas fotoni, un virsma absorbēs fotonus. Impulss, ko saņem ķermeņa virsmas laukuma vienība laika vienībā, ir vienāds ar

Saskaņā ar Ņūtona otro likumu pastāv spēks, kas ir normāls pret virsmu (šajā gadījumā tas ir spiediena spēks) un lielums - spiedienu. Tādējādi gaismas spiediens ir vienāds ar

Daudzums, kas vienāds ar fotonu enerģijas reizinājumu ħw uz fotonu skaitu N f incidents uz ķermeņa laukuma vienību laika vienībā ir gaismas enerģijas plūsmas blīvums R. To pašu vērtību var iegūt, reizinot vidējo enerģijas blīvumu viļņā ar gaismas ātrumu:

Mēs jau esam apsprieduši šo formulu un agrāk, kad aplūkojām elektromagnētisko viļņu spiedienu.

Piemērs. Noteiksim spiedienu R saules gaisma uz melnas plāksnes, kas atrodas perpendikulāri saules stariem un atrodas ārpus zemes atmosfēras netālu no Zemes.

Saules konstante, tas ir, saules elektromagnētiskā starojuma enerģijas plūsmas blīvums pie Zemes ārpus tās atmosfēras, ir aptuveni vienāds ar . Melnā plāksne uzsūc gandrīz visu, proti, vērtējumam var likt . Līdz ar to spiediens

Vieglajam spiedienam ir milzīga loma komētas astes orientācijā attiecībā pret Sauli. Komētās esošās putekļu daļiņas un gāzes molekulas izjūt saules staru gaismas spiedienu, kā rezultātā veidojas savdabīgas komētas astes formas, kas orientētas pretējā virzienā no Saules. (Pašlaik tiek pieņemts, ka komētas astes veidošanās fenomenu daļēji nosaka "protonu" vējš, kas izplūst no Saules.)




Rīsi. 2.20. Viegls spiediens novirza komētas asti prom no Saules




Rīsi. 2.21. Saules buras projekts Zemes orbītā, ko darbina viegls spiediens

Tādējādi gan elektromagnētiskā (viļņu), gan fotonu (kvantu) teorija vienlīdz veiksmīgi risina jautājumu par gaismas spiediena mehānismu un likumiem.

Apkoposim:

1. Gaismas izplatīšanās un atstarošanas parādībās (difrakcija un traucējumi) gaisma uzvedas kā vilnis ar tipiskām viļņu īpašībām, piemēram, frekvenci un viļņa garumu. . 2. Emisijas un enerģijas pārneses parādībās gaisma uzvedas kā daļiņa, ko raksturo enerģija un impulss . 3. Planka konstante skaitliski savieno korpuskulāros raksturlielumus ar viļņu raksturlielumiem.

Tāpēc mums ir jāatzīst fotona divējāda daba. Līdz šim mūsu kursā tas ir neparasts īpašums - viļņu-daļiņu dualitāte - iestatīts tikai gaismai.

Vieglā spiediena fenomenu Ļebedevs atklāja 1900. gadā uz cietām vielām un 1907.-1908. gadā uz gāzēm. Instalācija gaismas spiediena novērošanai un mērīšanai uz cietām vielām ir šāda konstrukcija uz īpaši jutīga vērpes līdzsvara.

Svaru kustīgā daļa ir viegls rāmis

ar piestiprinātu plānu metālu

spārnu plāksnes, no kurām viena ir spogulis p=1,

un otrs ir nomelnēts p=0. Rāmis ir simetriski piestiprināts pie

elastīga piekare. Tas viss tiek ievietots evakuētā stikla traukā.

Spārnus pārmaiņus izgaismoja volta loka gaisma, un gaismas spiedienu noteica diega vērpšanas leņķis, kura galā tika piestiprināts spogulis, uzmetot zaķi uz svariem. Opt parādīja, ka gaismas radītais spiediens uz spoguļspārnu izrādījās 2 reizes lielāks nekā uz melno spārnu. Mēģināsim aprēķināt šo spiedienu. Ļaujiet N straumēm nokrist virspusē. Daži no tiem tiek atspoguļoti (to skaits ρN), daži ir absorbēti (to skaits (1-ρ)N). Viena fotona impulss ir ρ=nν/c. Uz virsmas radītā spiediena spēka impulss ir vienāds ar visu fotonu impulsu kopējām izmaiņām.

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

J/c=ω – tilpuma enerģijas blīvums. Šie rezultāti sakrīt ar tiem, kas iegūti eksperimentā. => Fotoniem piemīt daļiņu īpašības, t.i. impulss.

Viegls spiediens. Ja fotonam ir impulss, tad gaismai, kas krīt uz ķermeņa, ir jāizdara uz to spiediens. No kvantu teorijas viedokļa gaismas spiediens uz virsmu ir saistīts ar to, ka katrs fotons, saduroties ar virsmu, nodod tai savu impulsu. Aprēķināsim no kvantu teorijas viedokļa gaismas spiedienu, ko uz ķermeņa virsmu iedarbojas monohromatiskā starojuma (frekvences) plūsma, kas krīt perpendikulāri virsmai. Ja N fotoni nokrīt uz ķermeņa virsmas laukuma vienību, tad ar gaismas atstarošanas koeficientu no ķermeņa virsmas fotoni tiks atspoguļoti un absorbēti. Katrs absorbētais fotons pārraida impulsu, un katrs atstarotais fotons pārraida (atspoguļojot, fotona impulss mainās par). Gaismas spiediens ir vienāds ar impulsu, kuru gandrīz 1 sekundē pārraida N fotoni: .

Ir visu fotonu enerģija, kas krīt uz virsmas vienību laika vienībā, t.i. enerģijas apgaismojums un - tilpuma starojuma enerģijas blīvums. Tāpēc spiediens, ko rada gaisma normālas iedarbības laikā uz virsmas,

29. Elektrona atklāšana. Elektrolīzes likuma noteikšana vēl nav stingri pierādījusi, ka dabā pastāv elementāri elektriskie lādiņi. Piemēram, var pieņemt, ka visiem vienvērtīgajiem joniem ir atšķirīgs elektriskais lādiņš, bet to vidējā vērtība ir vienāda ar elementāro lādiņu. e.
Lai noskaidrotu, vai dabā eksistē elementārs lādiņš, bija jāmēra nevis kopējais elektroenerģijas daudzums, ko pārnēsā liels skaits jonu, bet gan atsevišķu jonu lādiņi. Nebija skaidrs arī jautājums par to, vai lādiņš obligāti ir saistīts ar matērijas daļiņām un, ja tas ir saistīts, ar kādām.
Nozīmīgs ieguldījums šo jautājumu risināšanā tika dots 19. gadsimta beigās. pētot parādības, kas rodas, elektrisko strāvu laižot caur retinātām gāzēm. Eksperimenti atklāja spīdumu no izlādes caurules stikla aiz anoda. Uz gaišā stikla fona bija redzama ēna no anoda, it kā stikla mirdzumu būtu izraisījis kāds neredzams starojums, kas izplatās tieši no katoda uz anodu. Šo neredzamo starojumu sauca par katoda stariem.
Franču fiziķis Žans Perins 1895. gadā atklāja, ka "katoda stari" patiesībā ir negatīvi lādētu daļiņu plūsma.
Pētot katoda staru daļiņu kustības likumus elektriskajos un magnētiskajos laukos, angļu fiziķis Džozefs Tomsons (1856-1940) konstatēja, ka katras daļiņas elektriskā lādiņa attiecība pret tās masu ir vienāda visām daļiņām. Ja pieņemam, ka katrai katodstaru daļiņai ir lādiņš, kas vienāds ar elementārlādiņu e, tad nāksies secināt, ka katodstaru daļiņas masa ir mazāka par vienu tūkstošdaļu no vieglākā zināmā atoma - ūdeņraža atoma masas.
Tomsons arī konstatēja, ka katoda staru daļiņu lādiņa attiecība pret to masu ir vienāda, ja caurule ir piepildīta ar dažādām gāzēm un kad katods ir izgatavots no dažādiem metāliem. Līdz ar to identiskas daļiņas bija daļa no dažādu elementu atomiem.
Pamatojoties uz savu eksperimentu rezultātiem, Tomsons secināja, ka matērijas atomi nav nedalāmi. No jebkura ķīmiskā elementa atoma var izraut negatīvi lādētas daļiņas, kuru masa ir mazāka par vienu tūkstošdaļu no ūdeņraža atoma masas. Visām šīm daļiņām ir vienāda masa un vienāds elektriskais lādiņš. Šīs daļiņas sauc elektroni.

Elektromagnētiskā starojuma korpuskulārās teorijas galvenais postulāts izklausās šādi:: uh elektromagnētiskā radiācija (un jo īpaši gaisma) - šī ir plūsma stunda krūtis ,sauca fotoni . Fotoni izplatās vakuumā ar ātrumu, kas vienāds ar maksimālais mijiedarbības izplatīšanās ātrums , Ar= 3,10 8 m/s, masas un atpūtas enerģija jebkurš fotons ir vienādi ar nulli , fotonu enerģija E ir saistīta ar elektromagnētiskā starojuma frekvenci ν un viļņa garumu λ pēc formulas

(2.7.1)

Lūdzu, ņemiet vērā: formula (2.7.1) attiecas korpuskulārs elektromagnētiskā starojuma raksturojums, fotonu enerģija, s vilnis raksturlielumi - frekvence un viļņa garums. Tas ir tilts starp korpuskulāro un viļņu teoriju. Šī tilta esamība ir neizbēgama, jo gan fotons, gan elektromagnētiskais vilnis - tas ir viss divi viena un tā paša reālās dzīves objekta modeļi –elektromagnētiskā radiācija .

Jebkura kustīga daļiņa ( korpuskulis) ir impulss, un saskaņā ar relativitātes teoriju daļiņu enerģija E un viņas impulss lpp kas saistīti ar formulu

(2.7.2)

Kur – daļiņas miera enerģija. Tā kā fotona miera enerģija ir nulle, no (2.7.2) un (2.7.1) izriet divas ļoti svarīgas formulas:

,

(2.7.3)

.

(2.7.4)

Tagad pievērsīsimies vieglā spiediena fenomenam.

Vieglu spiedienu atklāja krievu zinātnieks P.N. Ļebedevs 1901. gadā. Savos eksperimentos viņš konstatēja, ka gaismas spiediens ir atkarīgs no gaismas intensitātes un ķermeņa atstarošanas. Eksperimentos tika izmantots zobrats ar melnām un spoguļlapiņām, kas ievietots evakuētā kolbā (2.10. att.).


Rīsi. 2.10

Aprēķināsim gaismas spiediena vērtību.

Uz ķermeņa apgabalu S gaismas plūsma krīt ar enerģiju, kur N – kvantu skaits (2.11. att.).


Rīsi. 2.11

KN kvanti tiks atspoguļoti no virsmas; (1 - K)N– tiks absorbēts (2.10. att.), K- atstarošanas koeficients.

Katrs absorbētais fotons nodos impulsu ķermenim:

.

(2.7.5)

Katrs atstarotais fotons nodos impulsu ķermenim:

,

(2.7.6)

jo .

Viss laika vienībā N kvanti piešķir ķermenim impulsu R:

.

(2.7.7)

Jo fotonam ir impulss, tad impulss, kas pārnests uz ķermeni vienā sekundē, ir spiediena spēks - spēks uz virsmas vienību.

Tad spiediens, vai



Kur Dž- starojuma intensitāte. Tas ir, gaismas spiedienu var aprēķināt.