Siła nacisku światła na lustro. Lekki nacisk

48. Elementy optyki kwantowej. Energia, masa i pęd fotonu. Wyprowadzenie wzoru na ciśnienie światła w oparciu o kwantowe wyobrażenia o naturze światła.

Zatem propagacji światła nie należy uważać za ciągłą propagację fali

procesu, ale jako strumień dyskretnych cząstek zlokalizowanych w przestrzeni, poruszających się z prędkością propagacji światła w próżni. Następnie (w 1926 r.) cząstki te nazwano fotonami. Fotony mają wszystkie właściwości cząstki (korpuskuły).

Rozwój hipotezy Plancka doprowadził do powstania pomysłów na temat kwantowych właściwości światła. Kwanty świetlne nazywane są fotonami. Zgodnie z prawem proporcjonalności masy i energii oraz hipotezą Plancka energię fotonu wyznaczają wzory

Zrównując prawe strony tych równań, otrzymujemy wyrażenie na masę fotonu

lub biorąc pod uwagę, że

Pęd fotonu wyznaczają wzory:

Masa spoczynkowa fotonu wynosi zero. Kwant promieniowania elektromagnetycznego istnieje tylko poprzez rozchodzenie się z prędkością światła, mając przy tym skończone wartości energii i pędu. W świetle monochromatycznym o częstotliwości ν wszystkie fotony mają tę samą energię, pęd i masę.

Lekki nacisk

Promieniowanie świetlne może przekazywać swoją energię organizmowi w postaci nacisku mechanicznego.

Udowodnił, że światło całkowicie pochłonięte przez poczerniałą płytkę wywiera na nią siłę. Ciśnienie światła objawia się tym, że na oświetloną powierzchnię ciała działa rozłożona siła w kierunku rozchodzenia się światła, proporcjonalna do gęstości energii świetlnej i zależna od właściwości optycznych powierzchni.

W wyniku zastosowania praw mechaniki do pomiarów optycznych Lebiediewa uzyskano niezwykle ważną zależność, która pokazała, że energia jest zawsze równa masie. Einstein jako pierwszy zauważył, że równanie mc 2 = E jest uniwersalne i powinno obowiązywać dla każdego rodzaju energii.

Zjawisko to można wyjaśnić zarówno z punktu widzenia falowej, jak i korpuskularnej koncepcji natury światła. W pierwszym przypadku jest to wynik oddziaływania prądu elektrycznego indukowanego w organizmie przez pole elektryczne fali świetlnej z jego polem magnetycznym zgodnie z prawem Ampera. Pola elektryczne i magnetyczne fali świetlnej, okresowo zmieniające się w przestrzeni i czasie, podczas interakcji z powierzchnią substancji wywierają siłę na elektrony atomów substancji. Pole elektryczne fali powoduje oscylację elektronów. Siła Lorentza z pola magnetycznego fali jest skierowana wzdłuż kierunku propagacji fali i wynosi lekka siła nacisku. Teoria kwantowa wyjaśnia ciśnienie światła faktem, że fotony mają określony pęd i wchodząc w interakcję z materią przekazują część pędu cząstkom substancji, wywierając w ten sposób nacisk na jej powierzchnię (można wyciągnąć analogię z uderzeniami cząsteczek na ściance naczynia, w którym pęd przeniesiony na ścianę decyduje o ciśnieniu gazu w naczyniu).

Pochłonięte fotony przekazują swój pęd ciału, z którym oddziałują. To jest przyczyną lekkiego ucisku.

Wyznaczmy ciśnienie światła na powierzchnię, korzystając z kwantowej teorii promieniowania.

Niech promieniowanie o częstotliwości ν pada prostopadle na jakąś powierzchnię (rys. 5). Niech to promieniowanie, składające się z N fotonów, spadnie na powierzchnię mieszkania

zapasowy ∆ S na czas ∆ t. Powierzchnia pochłania fotony N 1 i odbija je

Xia N 2, tj. N = N 1 + N 2.

	Ciąg dalszy 48
Każdy zaabsorbowany foton (uderzenie niesprężyste) przenosi pęd na powierzchnię			I wszyscy z-
dotknięty foton (uderzenie elastyczne) przekazuje mu pęd		Następnie przesyłane są wszystkie padające fotony
dotknięty foton (uderzenie elastyczne) przekazuje mu pęd		Następnie przesyłane są wszystkie padające fotony
wydmuchać impuls równy
wydmuchać impuls równy
W takim przypadku światło będzie oddziaływać na powierzchnię z siłą

te. wywierania nacisku

Pomnóż i podziel prawą stronę tej równości przez N, otrzymamy

Wreszcie

gdzie to energia wszystkich N fotonów padających na jednostkę powierzchni na jednostkę czasu, size-

ness; - współczynnik odbicia.

Dla czarnej powierzchni ρ = 0 i ciśnienie będzie równe .

Reprezentuje wolumetryczną gęstość energii, jej wymiar .

Wtedy stężenie n fotonów w wiązce padającej na powierzchnię będzie wynosić

Podstawiając (2.2) do równania ciśnienia lekkiego, otrzymujemy

Ciśnienie wytwarzane przez światło padające na płaską powierzchnię można obliczyć za pomocą wzoru

gdzie E to intensywność napromieniowania powierzchniowego (lub oświetlenia), c to prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni, α, to ułamek padającej energii pochłoniętej przez ciało (współczynnik absorpcji

cja), ρ to część energii padającej odbitej przez ciało (współczynnik odbicia), θ to kąt pomiędzy kierunkiem promieniowania a normalną do napromienianej powierzchni. Jeśli ciało nie jest przezroczyste, to znaczy wszystko

Padające promieniowanie jest odbijane i pochłaniane, wówczas α + ρ =1.

49 Elementy optyki kwantowej. Efekt Comptona. Dualizm cząstkowo-falowy światła (promieniowania).

3) Dualizm korpuskularno-falowy promieniowania elektromagnetycznego

Tak więc badanie promieniowania cieplnego, efektu fotoelektrycznego i efektu Comptona wykazało, że promieniowanie elektromagnetyczne (w szczególności światło) ma wszystkie właściwości cząstki (korpuskuły). Jednakże duża grupa zjawisk optycznych – interferencja, dyfrakcja, polaryzacja – wskazuje na właściwości falowe promieniowania elektromagnetycznego, a zwłaszcza światła.

To, co stanowi światło - ciągłe fale elektromagnetyczne emitowane przez źródło lub strumień dyskretnych fotonów, losowo dla fali elektromagnetycznej, nie wyklucza dyskretnych właściwości charakterystycznych dla fotonów.

Światło (promieniowanie elektromagnetyczne) ma jednocześnie właściwości ciągłych fal elektromagnetycznych i właściwości dyskretnych fotonów. Jest to dualizm cząstkowo-falowy (dwoistość) promieniowania elektromagnetycznego.

2) Efekt Comptona Polega na zwiększaniu długości fali promieniowania rentgenowskiego, gdy jest ono rozproszone przez materię. Zmiana długości fali

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

gdzie k =h/(mc) to długość fali Comptona, m to masa spoczynkowa

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

Wszystkie cechy efektu Comptona wyjaśniono, rozważając rozpraszanie jako proces sprężystego zderzenia fotonów promieniowania rentgenowskiego ze swobodnymi elektronami, w którym przestrzegana jest zasada zachowania energii i zasada zachowania pędu.

Zgodnie z (9) zmiana długości fali zależy wyłącznie od kąta rozproszenia i nie zależy ani od długości fali promieniowania rentgenowskiego, ani od rodzaju substancji.

1) Elementy optyki kwantowej. Fotony, energia, masa i pęd fotonu

Aby wyjaśnić rozkład energii w widmie promieniowania cieplnego, Planck założył, że fale elektromagnetyczne emitowane są porcjami (kwantami). Einstein w 1905 roku doszedł do wniosku, że promieniowanie nie tylko jest emitowane, ale także rozchodzi się i jest pochłaniane w postaci kwantów. Wniosek ten pozwolił wyjaśnić wszystkie fakty eksperymentalne (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona itp.), których nie można wyjaśnić klasyczną elektrodynamiką, opartą na falowych koncepcjach właściwości promieniowania. Zatem propagację światła należy rozpatrywać nie jako ciągły proces falowy, ale jako przepływ dyskretnych cząstek zlokalizowanych w przestrzeni, poruszających się z tą samą prędkością, co propagacja światła w próżni. Następnie (w 1926 r.) cząstki te nazwano fotonami. Fotony mają wszystkie właściwości cząstki (korpuskuły).

1. Energia fotonu

Dlatego stałą Plancka nazywa się czasem kwantem działania. Wymiar pokrywa się np. z wymiarem momentu pędu (L=r mv).

Jak wynika z (1), energia fotonu rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości (lub malejącą długością fali),

2. Masę fotonu wyznacza się na podstawie prawa zależności masy i energii (E=mc 2)

3.Impuls fotonowy. Dla każdej cząstki relatywistycznej jej energia Ponieważ foton ma m 0 = 0, to pęd fotonu

te. długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do pędu

50. Jądrowy model atomu według Rutherforda. Widmo atomu wodoru. Uogólniona formuła Balmera. Szereg widmowy atomu wodoru. Pojęcie termy.

1) Rutherford zaproponował jądrowy model atomu. Według tego modelu atom składa się z jądra dodatniego posiadającego ładunek Ze (Z jest liczbą porządkową pierwiastka w układzie okresowym, e jest ładunkiem elementarnym), rozmiarem 10 -5 -10 -4 A (1A = 10 -10 m) i masę prawie równą masie atomu. Elektrony poruszają się po jądrze po zamkniętych orbitach, tworząc powłokę elektronową atomu. Ponieważ atomy są obojętne, elektrony Z powinny obracać się wokół jądra, którego całkowity ładunek wynosi Zе. Wymiary atomu są określone przez wymiary zewnętrznych orbit elektronów i są rzędu jednostek A.

Masa elektronów stanowi bardzo mały ułamek masy jądra (0,054% dla wodoru, mniej niż 0,03% dla pozostałych pierwiastków). Pojęcia „wielkości elektronu” nie można sformułować w sposób spójny, chociaż ro 10-3 A nazywa się klasycznym promieniem elektronu. Zatem jądro atomu zajmuje niewielką część objętości atomu i koncentruje się w nim prawie cała (99,95%) masa atomu. Gdyby jądra atomów znajdowały się blisko siebie, wówczas kula miałaby promień 200 m, a nie 6400 km (gęstość materii

jądra atomowe 1.8

2) Widmo liniowe atomu wodoru

Widmo emisyjne wodoru atomowego składa się z poszczególnych linii widmowych, które są ułożone w określonej kolejności. W 1885 roku Balmer odkrył, że długości fal (lub częstotliwości) tych linii można przedstawić za pomocą wzoru.

, (9)

gdzie R =1,0974 · 7 m -1 nazywa się także stałą Rydberga.

Na ryc. Rysunek 1 przedstawia diagram poziomów energetycznych atomu wodoru, obliczonych według (6) przy z=1.

Kiedy elektron przemieszcza się z wyższych poziomów energii na poziom n = 1, następuje promieniowanie ultrafioletowe, czyli promieniowanie szeregu Lymana (SL).

Kiedy elektrony przemieszczają się do poziomu n = 2, pojawia się promieniowanie widzialne lub promieniowanie szeregu Balmera (SB).

Kiedy elektrony przemieszczają się z wyższych poziomów na poziom n =

3 Występuje promieniowanie podczerwone lub promieniowanie szeregu Paschena (SP) itp.

Częstotliwości lub długości fal powstałego promieniowania wyznaczają wzory (8) lub (9), gdzie m=1 dla szeregu Lymana, m=2 dla szeregu Balmera i m=3 dla szeregu Paschena. Energię fotonów wyznacza wzór (7), który biorąc pod uwagę (6) można dla atomów wodoru sprowadzić do postaci:

eV (10)

50 kontynuowane

4) Szereg widmowy wodoru- zbiór szeregów widmowych tworzących widmo atomu wodoru. Ponieważ wodór jest najprostszym atomem, najczęściej badane są jego szeregi widmowe. Dobrze przestrzegają wzoru Rydberga:

gdzie R = 109,677 cm-1 jest stałą Rydberga dla wodoru, n′ jest głównym poziomem szeregu. Linie widmowe powstające podczas przejść na główny poziom energii

nazywane są rezonansowymi, wszystkie inne nazywane są podrzędnymi.

Seria Lymana

Odkryty przez T. Lymana w 1906 roku. Wszystkie linie w tej serii działają w zakresie ultrafioletu. Szereg odpowiada formule Rydberga z n′ = 1 i n = 2, 3, 4,

Seria Balmera

Odkryty przez I. Ya Balmera w 1885 roku. Pierwsze cztery linie serii znajdują się w zakresie widzialnym. Szereg odpowiada formule Rydberga z n′ = 2 i n = 3, 4, 5

5) Termin widmowy lub termin elektronicznyatom, cząsteczka lub jon - konfiguracja

radio (stan) podukładu elektronicznego, który określa poziom energii. Czasem pod pojęciem terminu rozumie się rzeczywistą energię danego poziomu. Przejścia między terminami określają widma emisji i absorpcji promieniowania elektromagnetycznego.

Terminy atomu są zwykle oznaczane wielkimi literami S, P, D, F itp., Odpowiadającymi wartości liczby kwantowej orbitalny moment pędu L =0, 1, 2, 3 itd. Liczba kwantowa całkowitego momentu pędu J jest dana przez indeks w prawym dolnym rogu. Mała liczba w lewym górnym rogu wskazuje krotność ( wielość) terma. Na przykład ²P 3/2 jest dubletem P. Czasami (z reguły dla atomów i jonów jednoelektronowych) termin symbol oznacza się główna liczba kwantowa(na przykład 2²S 1/2).

- ciśnienie wywierane przez światło na ciała odbijające i pochłaniające, cząstki, a także pojedyncze cząsteczki i atomy; jeden z refleksyjne działanie światła związane z transmisją impuls pola elektromagnetycznego substancja. Po raz pierwszy sformułowano hipotezę o istnieniu ciśnienia świetlnego I. Keplera (J.Kepler) w XVII wieku. wyjaśnić odchylenie ogony komet ze słońca. Podano teorię ciśnienia świetlnego w ramach elektrodynamiki klasycznej J. Maxwella (J. Maxwell) w 1873 r. W nim ciśnienie światła jest ściśle powiązane z rozpraszaniem i absorpcją fala elektromagnetyczna cząstki materii. W teoria kwantowa nacisk światła jest wynikiem transmisji impulsu fotony do ciała.

W 1873 roku Maxwell, opierając się na koncepcjach elektromagnetycznej natury światła, przewidział, że światło powinno wywierać nacisk na przeszkody. Ciśnienie to jest spowodowane siłami działającymi ze składowych elektrycznych i magnetycznych pola elektromagnetycznego fali na ładunki w oświetlonym ciele.

Niech światło pada na przewodzącą (metalową) płytkę. Składowa elektryczna pola falowego działa na wolne elektrony z siłą

F el = q E,

gdzie q jest ładunkiem elektronu. E jest natężeniem pola elektrycznego fali.

Elektrony zaczynają poruszać się z dużą prędkością V(Rys.1) Od kierunku mi w fali okresowo zmienia się na przeciwny, następnie elektrony okresowo zmieniają kierunek swojego ruchu na przeciwny, tj. wykonywać wymuszone oscylacje wzdłuż kierunku pola elektrycznego fali.

Rysunek 1 – Ruch elektronów

Element magnetyczny W pole elektromagnetyczne fali świetlnej działa siłą Lorentza

fa l = q V B,

którego kierunek, zgodnie z zasadą lewej ręki, pokrywa się z kierunkiem rozchodzenia się światła. Kiedy wskazówki mi I B zmieni się na przeciwny, wówczas zmieni się również kierunek prędkości elektronu, ale kierunek siły Lorentza pozostanie niezmieniony. Wypadkową sił Lorentza działających na wolne elektrony w powierzchniowej warstwie substancji jest siła, z jaką światło naciska na powierzchnię.

Rysunek 2

1- skrzydło lustrzane; 2- skrzydło poczerniałe; 3-lustro; 4-stopniowa skala pomiaru kąta obrotu; 5 szklanych nitek

Na tej podstawie można również wyjaśnić lekki nacisk kwant pomysły na temat światła. Jak wspomniano powyżej, fotony mają pęd. Kiedy fotony zderzają się z materią, część fotonów zostaje odbita, a część absorbowana. Obu procesom towarzyszy przeniesienie pędu z fotonów na oświetlaną powierzchnię. Zgodnie z drugim prawem Newtona zmiana pędu ciała oznacza, że na ciało działa siła nacisku światła F daj. Stosunek modułu tej siły do powierzchni ciała jest równy naciskowi światła na powierzchnię: P = F ciśnienie /S.

Istnienie lekkiego ciśnienia zostało eksperymentalnie potwierdzone przez Lebiediewa. Urządzeniem stworzonym przez Lebiediewa była bardzo czuła skala skrętna. Ruchomą częścią łuski była lekka rama z jasnymi i ciemnymi skrzydełkami o grubości 0,01 mm zawieszona na cienkiej kwarcowej nitce. Światło wywierało różny nacisk na skrzydła jasne (odbijające) i ciemne (pochłaniające). W rezultacie na ramę działał moment obrotowy, który skręcił gwint zawieszenia. Do określenia nacisku lekkiego wykorzystano kąt skrętu nici.

Wielkość nacisku zależy od natężenia światła. Wraz ze wzrostem natężenia wzrasta liczba fotonów oddziałujących z powierzchnią ciała, a co za tym idzie, wzrasta pęd otrzymywany przez powierzchnię.
Silne promienie laserowe wytwarzają ciśnienie przekraczające ciśnienie atmosferyczne.

Przy normalnym padaniu światła na powierzchnię ciała stałego ciśnienie światła określa się ze wzoru P = S(1 — R)/C, Gdzie S — gęstość strumienia energii (natężenie światła), R- współczynnik odbicia światło z powierzchni.

Po raz pierwszy zbadano eksperymentalnie nacisk światła na ciała stałe P.N. Lebiediew w 1899 r. Główne trudności w doświadczalnym wykrywaniu ciśnienia świetlnego polegały na izolowaniu go od tła siły radiometryczne i konwekcyjne , którego wielkość zależy od ciśnienia gazu otaczającego ciało i w przypadku jego niewystarczającego próżnia może przekroczyć ciśnienie świetlne o kilka rzędów wielkości. W Eksperymenty Lebiediewa w próżniowym (mm Hg) szklanym naczyniu wahacze zawieszono na cienkiej srebrnej niciłuski skrętne z przymocowanymi do nich cienkimi dysko-skrzydłami, które zostały napromieniowane. Skrzydła zostały wykonane z różnych metali i mika z identycznymi przeciwległymi powierzchniami. Naświetlając sekwencyjnie przednią i tylną powierzchnię skrzydeł o różnej grubości, Lebiediewowi udało się zneutralizować resztkowy efekt sił radiometrycznych i uzyskać zadowalającą (z błędem) zgodność z teorią Maxwella. W latach 1907-10 Lebiediew przeprowadził jeszcze bardziej subtelne eksperymenty w celu zbadania lekkie ciśnienie gazów i również znalazł dobrą zgodność z teorią.

Ciśnienie światła odgrywa dużą rolę w zjawiskach astronomicznych i atomowych. W astrofizyce ciśnienie światła wraz z ciśnieniem gazu zapewnia stabilność gwiazd poprzez przeciwdziałanie siły grawitacyjne . Działanie ciśnienia światła wyjaśnia niektóre kształty ogonów komet. Do efektów atomowych zalicza się tzw. moc świetlna, jakiej doświadcza wzbudzony atom podczas emisji fotonu.

W mediach skondensowanych lekki nacisk może spowodować prąd nośny (patrz Efekt fotoelektryczny ).

Specyficzne cechy ciśnienia lekkiego występują w rozrzedzonych układach atomowych, gdy rozpraszanie rezonansowe intensywne światło, gdy częstotliwość promieniowania laserowego jest równa częstotliwości przejście atomowe . Absorbując foton, atom otrzymuje impuls w kierunku wiązki lasera i przechodzi do środka stan podniecenia . Następnie, spontanicznie emitując foton, atom nabiera pędu ( wydajność świetlna) w jakąkolwiek stronę. Wraz z kolejnymi przejęciami i emisje spontaniczne fotony, dowolnie skierowane impulsy strumienia świetlnego znoszą się wzajemnie i ostatecznie atom rezonansowy otrzymuje impuls skierowany wzdłuż wiązki światła rezonansowe ciśnienie światła . Siła F rezonansowe ciśnienie światła na atomie definiuje się jako pęd przenoszony przez strumień fotonów o określonej gęstości N na jednostkę czasu: , gdzie — pęd jednego fotonu, - przekrój poprzeczny absorpcji foton rezonansowy, - długość fali światła . Przy stosunkowo niskich gęstościach promieniowania ciśnienie rezonansowe światła jest wprost proporcjonalne do natężenia światła. Przy dużych gęstościach N z powodu finału() W trakcie trwania poziomu wzbudzonego absorpcja ulega nasyceniu i nasycenie ciśnienia rezonansowego światła (patrz. Efekt nasycenia ). W tym przypadku ciśnienie świetlne wytwarzane jest przez fotony emitowane spontanicznie przez atomy ze średnią częstotliwością (odwrotną do czasu życia wzbudzonego atomu) w losowo określonym kierunku schemat emisji atomowej . Siła nacisku światła przestaje zależeć od intensywności, ale jest określana przez prędkość spontanicznych aktów emisji: . Dla typowych wartości c -1 i μm siła nacisku światła wynosi eV/cm; po nasyceniu rezonansowe ciśnienie światła może spowodować przyspieszenie atomów do 10 5
G (G — przyśpieszenie grawitacyjne ). Tak duże siły pozwalają na selektywne sterowanie wiązki atomowe , zmieniając częstotliwość światła i odmiennie wpływając na grupy atomów, które niewiele różnią się częstotliwościami absorpcji rezonansowej. W szczególności istnieje możliwość kompresji Rozkład Maxwellowski poprzez prędkość, usuwając atomy o dużej prędkości z wiązki. Światło lasera kierowane jest w stronę wiązki atomowej, dobierając częstotliwość i kształt widma promieniowania tak, aby najszybsze atomy doznawały najsilniejszego efektu hamowania ciśnieniem światła ze względu na ich większą przesunięcie Dopplera częstotliwość rezonansowa. Innym możliwym zastosowaniem rezonansowego ciśnienia światła jest separacja gazów: gdy dwukomorowe naczynie wypełnione mieszaniną dwóch gazów, z których jeden rezonansuje z promieniowaniem, zostanie napromieniowane, atomy rezonansowe pod wpływem lekki nacisk, przesunie się do dalszej komory.

Rezonansowe ciśnienie światła na atomy umieszczone w intensywnym polu ma szczególne cechy. stojąca fala . Z kwantowego punktu widzenia fala stojąca utworzona przez przeciwprąd fotonów powoduje wstrząsy atomu w wyniku absorpcji fotonów i ich wymuszonej emisji. Średnia siła działająca na atom nie jest równa zeru ze względu na niejednorodność pola na tej długości fali. Z klasycznego punktu widzenia siła nacisku światła wynika z działania przestrzennie niejednorodnego pola na indukowany dipol atomowy . Siła ta jest minimalna w węzłach, gdzie moment dipolowy nie jest indukowany, oraz na antywęzłach, gdzie gradient pola osiąga zero. Maksymalna siła nacisku światła jest równa rzędowi wielkości (znaki odnoszą się do ruchu dipoli w fazie i przeciwfazie z momentem D w stosunku do pola o natężeniu mi). Siła ta może osiągać gigantyczne wartości: dla Debye’a, µm i V/cm siła ta wynosi eV/cm.

Pole fali stojącej rozwarstwia wiązkę atomów przechodzących przez wiązkę światła, ponieważ dipole oscylujące w przeciwfazie poruszają się po różnych trajektoriach, podobnie jak atomy w doświadczeniu Sterna-Gerlacha. W wiązkach laserowych atomy poruszające się wzdłuż wiązki poddawane są promieniowej sile nacisku światła, spowodowanej promieniową niejednorodnością gęstości pola świetlnego.

Zarówno na stojąco jak i na stojąco fala podróżna zachodzi nie tylko deterministyczny ruch atomów, ale także ich dyfuzja w przestrzeni fazowej ze względu na fakt, że akty absorpcji i emisji fotonów są procesami czysto kwantowymi. Współczynnik dyfuzji przestrzennej atomu o masie M w fali biegnącej jest równe .

Rezonansowe ciśnienie światła podobne do rozważanego może być również odczuwane przez kwazicząstki w ciałach stałych: elektrony, ekscytony itp.

Bibliografia

Mustafaev R.A., Krivtsov V.G. Fizyka. M., 2006.

Kiedy fale elektromagnetyczne padają na powierzchnię, wywierają na nią nacisk. Ciśnienie światła można wyjaśnić zarówno z elektromagnetycznego punktu widzenia, jak i w ramach teorii kwantowej.

Niech normalnie płaska fala elektromagnetyczna spadnie na powierzchnię metalu, a następnie wektory pola elektrycznego i magnetycznego takiej fali będą równoległe do powierzchni. Pod wpływem pola elektrycznego mi elektrony zaczynają poruszać się równolegle do powierzchni. Co więcej, dla każdego elektronu poruszającego się z prędkością , od strony pola magnetycznego fali świetlnej z indukcją Działa siła Lorentza

skierowane w metal prostopadle do jego powierzchni. Zatem fala świetlna musi wytwarzać nacisk na powierzchnię metalu.

W ramach kwantowej teorii fotonów ciśnienie świetlne wynika z faktu, że każdy foton nie tylko przenosi energię, ale także ma pęd . Każdy zaabsorbowany foton przenosi swój pęd na powierzchnię

a każdy odbity impuls jest podwajany

Niech strumień fotonów spadnie normalnie na powierzchnię jakiegoś ciała Nf (Nf- liczba fotonów padających na jednostkę powierzchni w jednostce czasu). Jeżeli powierzchnia ciała ma współczynnik odbicia, to w jednostce czasu fotony będą od niej odbijane, a fotony będą pochłaniane przez powierzchnię. Impuls otrzymany przez jednostkę powierzchni ciała w jednostce czasu jest równy

Zgodnie z drugim prawem Newtona na powierzchnię działa siła normalna (w tym przypadku jest to siła nacisku) i wielkość - ciśnienie. Zatem ciśnienie świetlne jest równe

Ilość równa iloczynowi energii fotonu ćw na liczbę fotonów Nf incydent na jednostkę powierzchni ciała na jednostkę czasu to gęstość strumienia energii świetlnej R. Tę samą wartość można uzyskać mnożąc średnią gęstość energii na fali z prędkością światła:

Omawialiśmy już ten wzór i wcześniej, gdy rozważaliśmy ciśnienie fal elektromagnetycznych.

Przykład. Określmy ciśnienie Rświatło słoneczne na poczerniałą płytę umieszczoną prostopadle do promieni słonecznych i znajdującą się poza atmosferą ziemską w pobliżu Ziemi.

Stała słoneczna, to znaczy gęstość strumienia energii słonecznego promieniowania elektromagnetycznego w pobliżu Ziemi poza jej atmosferą, jest w przybliżeniu równa . Sczerniała płytka pochłania prawie wszystko, czyli do oceny można postawić. Stąd presja

Ciśnienie światła odgrywa ogromną rolę w orientacji ogonów komet względem Słońca. Cząsteczki pyłu i cząsteczki gazu obecne w kometach poddawane są działaniu lekkiego nacisku promieni słonecznych, w wyniku czego powstają osobliwe formy ogonów kometarnych, zorientowanych w kierunku przeciwnym do Słońca. (Obecnie zakłada się, że zjawisko powstawania ogona komety jest częściowo zdeterminowane przez wiatr „protonowy” emanujący ze Słońca.)

Ryż. 2.20. Lekkie ciśnienie odchyla ogon komety od Słońca

Ryż. 2.21. Projekt żagla słonecznego na orbicie okołoziemskiej, napędzanego ciśnieniem światła

Zatem zarówno teoria elektromagnetyczna (falowa), jak i fotonowa (kwantowa) z równym powodzeniem rozwiązują kwestię mechanizmu i praw ciśnienia świetlnego.

Podsumujmy:

1. W zjawiskach propagacji i odbicia światła (dyfrakcji i interferencji) światło zachowuje się jak fala o typowych charakterystykach falowych, takich jak częstotliwość i długość fali .

2. W zjawiskach emisji i przenoszenia energii światło zachowuje się jak cząstka charakteryzująca się energią i pędem .

3. Stała Plancka numerycznie łączy charakterystykę korpuskularną z charakterystyką falową.

Dlatego musimy rozpoznać dwoistą naturę fotonu. Jak dotąd w naszym kursie jest to niezwykła właściwość - dualizm korpuskularno-falowy - ustawiony tylko na światło.

Zjawisko ciśnienia lekkiego odkrył Lebiediew w 1900 roku na ciałach stałych i w latach 1907-1908 na gazach. Instalacja do obserwacji i pomiaru nacisku światła na ciała stałe jest następującą konstrukcją na ultraczułej wadze skrętnej.

Ruchomą częścią wagi jest lekka rama

z przymocowanym do niego cienkim metalem

płyty skrzydłowe, z których jedna jest lustrzana p=1,

a drugi jest zaczerniony p=0. Rama jest mocowana symetrycznie

elastyczne zawieszenie. Wszystko to umieszcza się w próżniowym naczyniu szklanym.

Skrzydła oświetlano naprzemiennie światłem z łuku galwanicznego, a nacisk światła wyznaczał kąt skrętu nitki, na końcu której zamocowano lusterko odbijające zajączka na wadze. Opt wykazał, że ciśnienie wywierane przez światło na skrzydło lustrzane okazało się 2 razy większe niż na skrzydle zaczernionym. Spróbujmy obliczyć to ciśnienie. Niech N strumieni spadnie na powierzchnię. Część z nich ulega odbiciu (ich liczba ρN), część jest pochłaniana (ich liczba (1-ρ)N). Pęd jednego fotonu wynosi ρ=nν/c. Impuls siły nacisku wytworzonej na powierzchni jest równy całkowitej zmianie impulsów wszystkich fotonów.

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

J/c=ω – objętościowa gęstość energii. Wyniki te pokrywają się z uzyskanymi w eksperymencie. => Fotony mają właściwości cząstek, tj. impuls.

Lekki nacisk. Jeżeli foton ma pęd, to światło padające na ciało musi wywierać na nie nacisk. Z punktu widzenia teorii kwantowej nacisk światła na powierzchnię wynika z faktu, że każdy foton zderzając się z powierzchnią przekazuje jej swój pęd. Obliczmy, z punktu widzenia teorii kwantowej, ciśnienie światła wywierane na powierzchnię ciała przez strumień promieniowania monochromatycznego (częstotliwość) padający prostopadle do powierzchni. Jeśli na jednostkę powierzchni ciała spadnie N fotonów, wówczas przy współczynniku odbicia światła od powierzchni ciała fotony zostaną odbite i pochłonięte. Każdy zaabsorbowany foton transmituje impuls i każdy odbity foton transmituje (po odbiciu impuls fotonu zmienia się). Ciśnienie światła jest równe impulsowi, który jest przekazywany przez N fotonów prawie w ciągu 1 s: .

Istnieje energia wszystkich fotonów padających na jednostkę powierzchni w jednostce czasu, tj. oświetlenie energetyczne oraz - wolumetryczna gęstość energii promieniowania. Dlatego ciśnienie wytwarzane przez światło podczas normalnego padania na powierzchnię,

29. Odkrycie elektronu. Ustanowienie prawa elektrolizy nie udowodniło jeszcze jednoznacznie istnienia elementarnych ładunków elektrycznych w przyrodzie. Można na przykład założyć, że wszystkie jony jednowartościowe mają różne ładunki elektryczne, ale ich średnia wartość jest równa ładunkowi elementarnemu mi.
Aby dowiedzieć się, czy w przyrodzie występuje ładunek elementarny, należało zmierzyć nie całkowitą ilość prądu przenoszonego przez dużą liczbę jonów, ale ładunki poszczególnych jonów. Niejasna była również kwestia, czy ładunek jest koniecznie powiązany z cząsteczkami materii, a jeśli jest, to z jakimi.
Istotny wkład w rozwiązanie tych problemów wniósł koniec XIX wieku. podczas badania zjawisk zachodzących, gdy prąd elektryczny przepływa przez rozrzedzone gazy. Eksperymenty wykazały poświatę ze szkła rury wyładowczej za anodą. Na jasnym tle świetlistego szkła widoczny był cień anody, jak gdyby świecenie szkła było spowodowane jakimś niewidzialnym promieniowaniem rozchodzącym się prosto od katody do anody. To niewidzialne promieniowanie nazywano promieniami katodowymi.
Francuski fizyk Jean Perrin odkrył w 1895 roku, że „promienie katodowe” są w rzeczywistości strumieniem ujemnie naładowanych cząstek.
Badając prawa ruchu cząstek promieni katodowych w polu elektrycznym i magnetycznym, angielski fizyk Joseph Thomson (1856–1940) ustalił, że stosunek ładunku elektrycznego każdej cząstki do jej masy jest taki sam dla wszystkich cząstek. Jeśli założymy, że każda cząstka promieni katodowych ma ładunek równy ładunkowi elementarnemu mi, wówczas będziemy musieli stwierdzić, że masa cząstki promienia katodowego jest mniejsza niż jedna tysięczna masy najlżejszego znanego atomu – atomu wodoru.
Thomson ustalił ponadto, że stosunek ładunku cząstek promieni katodowych do ich masy jest taki sam, gdy rura jest wypełniona różnymi gazami i gdy katoda jest wykonana z różnych metali. W rezultacie identyczne cząstki były częścią atomów różnych pierwiastków.
Na podstawie wyników swoich eksperymentów Thomson doszedł do wniosku, że atomy materii nie są niepodzielne. Ujemnie naładowane cząstki o masie mniejszej niż jedna tysięczna masy atomu wodoru można wyrwać z atomu dowolnego pierwiastka chemicznego. Wszystkie te cząstki mają tę samą masę i ten sam ładunek elektryczny. Cząstki te nazywane są elektrony.

Główny postulat korpuskularnej teorii promieniowania elektromagnetycznego brzmi następująco:: uh promieniowanie elektromagnetyczne (a w szczególności światło) – to jest przepływ godzina Cycki ,zwany fotony . Fotony rozchodzą się w próżni z prędkością równą maksymalna prędkość propagacji interakcji , Z= 3·10 8 m/s, masa i energia spoczynkowa dowolny foton są równe zeru , energia fotonów mi jest powiązany z częstotliwością promieniowania elektromagnetycznego ν i długością fali λ za pomocą wzoru

(2.7.1)

Uwaga: dotyczy wzoru (2.7.1). korpuskularny charakterystyka promieniowania elektromagnetycznego, energia fotonów, s fala charakterystyka - częstotliwość i długość fali. Stanowi pomost pomiędzy teorią korpuskularną i falową. Istnienie tego mostu jest nieuniknione, ponieważ zarówno foton, jak i fala elektromagnetyczna - to wszystko dwa modele tego samego rzeczywistego obiektu –promieniowanie elektromagnetyczne .

Każda poruszająca się cząstka ( ciałko) ma pęd i zgodnie z teorią względności energię cząstki mi i jej pęd P powiązane wzorem

(2.7.2)

Gdzie – energia spoczynkowa cząstki. Ponieważ energia spoczynkowa fotonu wynosi zero, z (2.7.2) i (2.7.1) wynikają dwa bardzo ważne wzory:

(2.7.3)

(2.7.4)

Przejdźmy teraz do zjawiska lekkiego nacisku.

Lekkie ciśnienie odkrył rosyjski naukowiec P.N. Lebiediew w 1901 r. W swoich eksperymentach ustalił, że ciśnienie światła zależy od natężenia światła i odbicia ciała. W doświadczeniach wykorzystano wiatraczek z czarnymi i lustrzanymi płatkami, umieszczony w kolbie próżniowej (ryc. 2.10).

Ryż. 2.10