Kraften av lätt tryck på en spegel. Lätt tryck

48. Element av kvantoptik. Energi, massa och rörelsemängd för en foton. Härledning av formeln för ljustryck baserad på kvantidéer om ljusets natur.

Sålunda bör ljusets utbredning inte betraktas som en kontinuerlig vågutbredning

process, men som en ström av diskreta partiklar lokaliserade i rymden, som rör sig med ljusets hastighet i ett vakuum. Därefter (1926) kallades dessa partiklar fotoner. Fotoner har alla egenskaper hos en partikel (kropp).

Utvecklingen av Plancks hypotes ledde till skapandet av idéer om ljusets kvantegenskaper. Ljuskvanter kallas fotoner. Enligt lagen om proportionalitet mellan massa och energi och Plancks hypotes bestäms fotonenergin av formlerna

Genom att likställa de högra sidorna av dessa ekvationer får vi ett uttryck för fotonmassan

eller med hänsyn till att,

Fotonmomentet bestäms av formlerna:

Resten av fotonen är noll. Ett kvantum av elektromagnetisk strålning existerar endast genom att fortplantas med ljusets hastighet, samtidigt som det har ändliga värden av energi och momentum. I monokromatiskt ljus med frekvensen ν har alla fotoner samma energi, rörelsemängd och massa.

Lätt tryck

Ljusstrålning kan överföra sin energi till kroppen i form av mekaniskt tryck.

Han bevisade att ljus som helt absorberas av en svärtad platta utövar en kraft på den. Ljustryck yttrar sig i det faktum att en fördelad kraft verkar på den upplysta ytan av en kropp i ljusets utbredningsriktning, proportionell mot densiteten av ljusenergi och beroende på ytans optiska egenskaper.

Som ett resultat av att tillämpa mekanikens lagar på Lebedevs optiska mätningar, erhölls ett extremt viktigt förhållande, som visade att energi alltid är ekvivalent med massa. Einstein var den första som påpekade att ekvationen mc 2 = E är universell och bör gälla för alla typer av energi.

Detta fenomen kan förklaras utifrån både våg- och korpuskulära begrepp om ljusets natur. I det första fallet är detta resultatet av växelverkan mellan den elektriska ström som induceras i kroppen av ljusvågens elektriska fält med dess magnetfält enligt Amperes lag. De elektriska och magnetiska fälten i en ljusvåg, som periodiskt ändras i rum och tid, när de interagerar med ytan av ett ämne, utövar en kraft på elektronerna i ämnets atomer. Vågens elektriska fält får elektronerna att svänga. Lorentzkraften från vågens magnetfält riktas längs vågens utbredningsriktning och är lätt tryckkraft. Kvantteorin förklarar ljusets tryck med det faktum att fotoner har en viss rörelsemängd och, när de interagerar med materia, överför de en del av rörelsemängden till partiklar av ämnet, och utövar därigenom tryck på dess yta (en analogi kan dras med nedslagen av molekyler på väggen av ett kärl, där det momentum som överförs till väggen bestämmer gastrycket i kärlet).

När de absorberas överför fotoner sin rörelsemängd till kroppen som de interagerar med. Detta är orsaken till lätt tryck.

Låt oss bestämma ljusets tryck på en yta med hjälp av kvantteorin för strålning.

Låt strålning med frekvensen ν falla vinkelrätt mot någon yta (fig. 5). Låt denna strålning, bestående av N fotoner, falla på ytan av en plan

reserv ∆ S för tid ∆ t. Ytan absorberar N 1 fotoner och reflekterar

Xia N2, dvs. N = N1 + N2.

	Fortsättning 48
Varje absorberad foton (oelastisk stöt) överför momentum till ytan			Och alla från-
den påverkade fotonen (elastisk påverkan) överför momentum till den		Då sänds alla infallande fotoner
		Då sänds alla infallande fotoner
blåsa en impuls lika med
blåsa en impuls lika med
I detta fall kommer ljuset att verka på ytan med kraft

de där. utöva tryck

Multiplicera och dividera den högra sidan av denna likhet med N, vi får

Till sist

där är energin för alla N fotoner som infaller per ytenhet per tidsenhet, storlek-

ness; - reflektionskoefficient.

För en svart yta ρ = 0 och trycket blir lika med .

Representerar den volymetriska energitätheten, dess dimension .

Då blir koncentrationen av n fotoner i en stråle som infaller på ytan

Genom att ersätta (2.2) i ekvationen för lätt tryck får vi

Trycket som produceras av ljus när det faller på en plan yta kan beräknas med hjälp av formeln

där E är intensiteten av ytbestrålning (eller belysning), c är utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor i vakuum, α, är andelen av infallande energi som absorberas av kroppen (absorptionskoefficient

tion), ρ är andelen av den infallande energin som reflekteras av kroppen (reflektionskoefficient), θ är vinkeln mellan strålningsriktningen och normalen till den bestrålade ytan. Om kroppen inte är genomskinlig, det vill säga allt

infallande strålning reflekteras och absorberas, då α +ρ =1.

49 Element av kvantoptik. Compton effekt. Partikelvågsdualism av ljus (strålning).

3) Vågkorpuskeldualism av elektromagnetisk strålning

Så, studien av termisk strålning, den fotoelektriska effekten och Compton-effekten visade att elektromagnetisk strålning (i synnerhet ljus) har alla egenskaper hos en partikel (kropp). Men en stor grupp optiska fenomen - interferens, diffraktion, polarisation - indikerar vågegenskaperna hos elektromagnetisk strålning, i synnerhet ljus.

Vad som utgör ljus - kontinuerliga elektromagnetiska vågor som emitteras av en källa eller en ström av diskreta fotoner, slumpmässigt för en elektromagnetisk våg, utesluter inte de diskreta egenskaperna som är karakteristiska för fotoner.

Ljus (elektromagnetisk strålning) har samtidigt egenskaperna hos kontinuerliga elektromagnetiska vågor och egenskaperna hos diskreta fotoner. Detta är partikelvågdualismen (dualiteten) av elektromagnetisk strålning.

2) Compton effekt Det består i att öka våglängden för röntgenstrålning när den sprids av materia. Våglängdsförändring

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

där k =h/(mc) är Comptons våglängd, m är vilomassan av

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

Alla funktioner i Compton-effekten förklarades genom att betrakta spridning som en process av elastisk kollision av röntgenfotoner med fria elektroner, där lagen om energibevarande och momentumets bevarandelag observeras.

Enligt (9) beror förändringen i våglängd endast på spridningsvinkeln och beror inte på vare sig röntgenvåglängden eller typen av ämne.

1) Element av kvantoptik. Fotoner, energi, massa och rörelsemängd hos en foton

För att förklara fördelningen av energi i spektrumet av termisk strålning, antog Planck att elektromagnetiska vågor emitteras i portioner (kvanta). Einstein kom 1905 till slutsatsen att strålning inte bara sänds ut, utan även sprids och absorberas i form av kvanta. Denna slutsats gjorde det möjligt att förklara alla experimentella fakta (fotoelektrisk effekt, Compton-effekt, etc.) som inte kunde förklaras av klassisk elektrodynamik, baserat på vågkoncept av strålningens egenskaper. Sålunda bör ljusets utbredning inte betraktas som en kontinuerlig vågprocess, utan som ett flöde av diskreta partiklar lokaliserade i rymden, som rör sig med samma hastighet som ljusets utbredning i ett vakuum. Därefter (1926) kallades dessa partiklar fotoner. Fotoner har alla egenskaper hos en partikel (kropp).

1. Fotonenergi

Därför kallas Plancks konstant ibland handlingskvantum. Dimensionen sammanfaller till exempel med dimensionen av rörelsemängd (L=r mv).

Som följer av (1) ökar fotonenergin med ökande frekvens (eller minskande våglängd),

2. Fotonmassan bestäms utifrån lagen om förhållandet mellan massa och energi (E=mc 2)

3. Fotoimpuls. För varje relativistisk partikel dess energi Eftersom fotonen har m 0 =0 så är fotonens rörelsemängd

de där. våglängden är omvänt proportionell mot momentum

50. Kärnmodell av atomen enligt Rutherford. Spektrum av en väteatom. Generaliserad Balmer-formel. Spektralserie av väteatomen. Begreppet terma.

1) Rutherford föreslog atomens kärnmodell. Enligt denna modell består en atom av en positiv kärna med laddningen Ze (Z är grundämnets ordningsnummer i det periodiska systemet, e är elementarladdningen), storlek 10-5-10-4 A (lA = 10-10 m) och en massa nästan lika med massan av en atom. Elektroner rör sig runt kärnan i slutna banor och bildar atomens elektronskal. Eftersom atomer är neutrala bör Z-elektroner rotera runt kärnan, vars totala laddning är Zе. Dimensionerna för en atom bestäms av dimensionerna för elektronernas yttre banor och är i storleksordningen A-enheter.

Elektronernas massa utgör en mycket liten del av kärnans massa (0,054 % för väte, mindre än 0,03 % för andra grundämnen). Begreppet "elektronstorlek" kan inte formuleras konsekvent, även om ro 10-3 A kallas den klassiska elektronradien. Så en atoms kärna upptar en obetydlig del av atomens volym och nästan hela (99,95%) massan av atomen är koncentrerad i den. Om kärnorna av atomer var belägna nära varandra, skulle jordklotet ha en radie på 200 m och inte 6400 km (materiadensitet)

atomkärnor 1.8

2) Linjespektrum för en väteatom

Emissionsspektrumet för atomärt väte består av individuella spektrallinjer, som är ordnade i en viss ordning. År 1885 upptäckte Balmer att våglängderna (eller frekvenserna) för dessa linjer kan representeras av formeln.

, (9)

där R =1,0974 7 m -1 kallas också för Rydbergskonstanten.

I fig. Figur 1 visar ett diagram över väteatomens energinivåer, beräknade enligt (6) vid z=1.

När en elektron rör sig från högre energinivåer till nivån n = 1, uppstår ultraviolett strålning eller Lyman-serien (SL) strålning.

När elektroner rör sig till n = 2-nivån uppträder synlig strålning eller strålning från Balmerserien (SB).

När elektroner rör sig från högre nivåer till nivån n =

3 infraröd strålning uppstår, eller Paschen-seriestrålning (SP), etc.

Frekvenserna eller våglängderna för den resulterande strålningen bestäms av formlerna (8) eller (9) med m=1 för Lyman-serien, med m=2 för Balmer-serien och med m = 3 för Paschen-serien. Fotonernas energi bestäms av formel (7), som, med hänsyn till (6), kan reduceras för väteliknande atomer till formen:

eV (10)

50 fortsatte

4) Spektralserie av väte- en uppsättning spektralserier som utgör spektrumet av en väteatom. Eftersom väte är den enklaste atomen är dess spektralserie de mest studerade. De följer Rydbergs formel väl:

där R = 109 677 cm−1 är Rydberg-konstanten för väte, n′ är seriens huvudnivå. Spektrallinjer som uppstår under övergångar till huvudenerginivån

kallas resonant, alla andra kallas underordnade.

Lyman-serien

Upptäcktes av T. Lyman 1906. Alla linjer i serien är i det ultravioletta området. Serien motsvarar Rydbergs formel med n′ = 1 och n = 2, 3, 4,

Balmer-serien

Upptäcktes av I. Ya. Balmer 1885. De fyra första raderna i serien är i det synliga området. Serien motsvarar Rydbergs formel med n′ = 2 och n = 3, 4, 5

5) Spektral term eller elektronisk termatom, molekyl eller jon - konfiguration

radio (tillstånd) för det elektroniska delsystemet, som bestämmer energinivån. Ibland förstås ordet term som den faktiska energin för en given nivå. Övergångar mellan termer bestämmer emissions- och absorptionsspektra för elektromagnetisk strålning.

Termerna för en atom betecknas vanligtvis med versaler S, P, D, F, etc., motsvarande värdet på kvanttalet orbital rörelsemängd L =0, 1, 2, 3, etc. Kvanttalet för den totala rörelsemängden J ges av indexet längst ner till höger. Det lilla siffran längst upp till vänster indikerar multipliciteten ( mångfald) terma. Till exempel är ²P 3/2 en dubblett P. Ibland (som regel för enelektronatomer och -joner) indikeras termen symbol med huvudsakliga kvantnummer(till exempel 2²S 1/2).

- tryck som utövas av ljus på reflekterande och absorberande kroppar, partiklar, såväl som enskilda molekyler och atomer; en avövervägande verkan av ljus relaterade till överföring elektromagnetisk fältpuls ämne. Hypotesen om förekomsten av lätt tryck uttrycktes först I. Kepler (J.Kepler) på 1600-talet. för att förklara avvikelsen komet svansar från solen. Teorin om ljustryck inom ramen för klassisk elektrodynamik ges J. Maxwell (J. Maxwell) 1873. I den är ljusets tryck nära relaterat till spridning och absorption elektromagnetisk våg partiklar av materia. Inom kvantteorin lätt tryck är resultatet av impulsöverföring fotoner till kroppen.

År 1873 förutspådde Maxwell, baserat på idéer om ljusets elektromagnetiska natur, att ljus skulle utöva tryck på hinder. Detta tryck orsakas av krafterna som verkar från de elektriska och magnetiska komponenterna i vågens elektromagnetiska fält på laddningarna i den upplysta kroppen.

Låt ljuset falla på en ledande (metall) platta. Den elektriska komponenten i vågfältet verkar på fria elektroner med en kraft

F el =q E,

där q är elektronladdningen. E är vågens elektriska fältstyrka.

Elektronerna börjar röra sig i hastighet V(Fig.1) Sedan riktningen E i vågen ändras periodiskt till det motsatta, då ändrar elektronerna periodiskt riktningen för sin rörelse till det motsatta, d.v.s. utföra forcerade svängningar i riktningen för vågens elektriska fält.

Figur 1 – Elektronrörelse

Magnetisk komponent I det elektromagnetiska fältet av en ljusvåg verkar med Lorentz-kraften

F l = q V B,

Vars riktning, i enlighet med vänsterregeln, sammanfaller med ljusets utbredningsriktning. När vägbeskrivningar E Och Bändras till det motsatta, då ändras också elektronhastighetens riktning, men Lorentzkraftens riktning förblir oförändrad. Resultatet av Lorentz-krafterna som verkar på fria elektroner i ett ämnes ytskikt är den kraft med vilken ljus trycker på ytan.

figur 2

1- spegelvinge; 2- svärtad vinge; 3-spegel; 4-skala för mätning av rotationsvinkeln; 5 glas tråd

Lätt tryck kan också förklaras utifrån kvant idéer om ljus. Som nämnts ovan har fotoner momentum. När fotoner kolliderar med materia reflekteras en del av fotonerna och en del absorberas. Båda processerna åtföljs av överföringen av momentum från fotoner till den upplysta ytan. Enligt Newtons andra lag innebär en förändring i en kropps rörelsemängd att kraften från lätt tryck verkar på kroppen F ge. Förhållandet mellan modulen för denna kraft och kroppens yta är lika med det lätta trycket på ytan: P = F tryck /S.

Förekomsten av lätt tryck bekräftades experimentellt av Lebedev. Enheten skapad av Lebedev var en mycket känslig torsionsskala. Den rörliga delen av skalan var en ljus ram med ljusa och mörka vingar 0,01 mm tjocka upphängda på en tunn kvartstråd. Ljuset utövade olika tryck på de ljusa (reflekterande) och mörka (absorberande) vingarna. Som ett resultat verkade ett vridmoment på ramen, som vred upphängningsgängan. Trådens vridningsvinkel användes för att bestämma det lätta trycket.

Mängden tryck beror på ljusintensiteten. När intensiteten ökar, ökar antalet fotoner som interagerar med kroppens yta, och följaktligen ökar rörelsemängden som tas emot av ytan.
Kraftfulla laserstrålar skapar tryck som överstiger atmosfärstrycket.

Med normalt ljusinfall på ytan av en fast kropp bestäms ljustrycket av formeln sid = S(1 — R)/c, Var S — energiflödestäthet (ljusintensitet), R- reflektionskoefficient ljus från ytan.

Ljustrycket på fasta ämnen studerades experimentellt för första gången P.N. Lebedev 1899. De största svårigheterna vid experimentell detektering av lätt tryck var att isolera det från bakgrunden radiometriska och konvektiva krafter , vars storlek beror på trycket från gasen som omger kroppen och i händelse av otillräcklig Vakuum kan överstiga ljustrycket med flera storleksordningar. I Lebedevs experiment i ett evakuerat (mm Hg) glaskärl hängdes vipparmar på en tunn silvertråd torsionsskalor med tunna skivvingar fästa vid sig, som bestrålades. Vingarna var gjorda av olika metaller och glimmer med identiska motsatta ytor. Genom att sekventiellt bestråla de främre och bakre ytorna på vingar av olika tjocklek, lyckades Lebedev neutralisera den kvarvarande effekten av radiometriska krafter och få tillfredsställande (med fel) överensstämmelse med Maxwells teori. 1907-10 utförde Lebedev ännu mer subtila experiment att studera lätt tryck på gaser och fann också god överensstämmelse med teorin.

Lätttryck spelar en stor roll i astronomiska och atomära fenomen. Inom astrofysiken säkerställer ljustrycket, tillsammans med gastrycket, stjärnornas stabilitet genom att motverka gravitationskrafter . Verkan av lätt tryck förklarar några av formerna på komet svansar. Atomeffekter inkluderar den sk. den ljuseffekt som en exciterad atom upplever när den sänder ut en foton.

I kondenserad media lätt tryck kan orsaka bärarström (se Fotoelektrisk effekt).

Specifika egenskaper hos lätt tryck finns i försålda atomsystem när resonansspridning intensivt ljus när laserstrålningens frekvens är lika med frekvensen atomär övergång . Genom att absorbera en foton får atomen en impuls i laserstrålens riktning och går in upphetsat tillstånd . Därefter, spontant avger en foton, får atomen fart ( ljuseffektivitet) åt alla håll. Med efterföljande förvärv och spontana utsläpp fotoner, godtyckligt riktade pulser av ljusutgång upphäver varandra, och slutligen tar resonansatomen emot en puls riktad längs ljusstrålen ljusets resonanstryck . Tvinga F ljusets resonanstryck på en atom definieras som den rörelsemängd som överförs av ett flöde av fotoner med en densitet N per tidsenhet: , där — rörelsemängd för en foton, - absorptionstvärsnitt resonansfoton, - ljusets våglängd . Vid relativt låga strålningsdensiteter är ljusets resonanstryck direkt proportionell mot ljusintensiteten. Vid höga densiteter N på grund av final() Under livslängden för den exciterade nivån mättas absorptionen och mättnad av ljusets resonanstryck (se. Mättnadseffekt ). I detta fall skapas ljustrycket av fotoner som spontant emitteras av atomer med en medelfrekvens (omvänt till den exciterade atomens livslängd) i en slumpmässig riktning bestämd atomutsläppsdiagram . Ljustryckets styrka upphör att bero på intensiteten, men bestäms av hastigheten för spontana emissionshandlingar: . För typiska värden på c -1 och μm är lätttryckskraften eV/cm; när det är mättat kan ljusets resonanstryck skapa en acceleration av atomer upp till 10 5
g (g — gravitationsacceleration ). Så stora krafter tillåter selektiv kontroll atomstrålar , varierande frekvensen av ljus och olika påverkande grupper av atomer som skiljer sig lite i frekvenserna för resonansabsorption. I synnerhet är det möjligt att komprimera Maxwellsk distribution genom hastighet, avlägsnande av höghastighetsatomer från strålen. Laserljuset riktas mot atomstrålen, samtidigt som man väljer strålningsspektrumets frekvens och form så att de snabbaste atomerna upplever den starkaste bromseffekten av ljustrycket på grund av deras större Dopplerskifte Resonans frekvens. En annan möjlig tillämpning av ljusets resonanstryck är separationen av gaser: när ett tvåkammarkärl fyllt med en blandning av två gaser, varav den ena är i resonans med strålningen, bestrålas, bestrålas resonansatomerna, under inverkan av lätt tryck, kommer att flytta in i den bortre kammaren.

Ljusets resonanstryck på atomer placerade i ett intensivt fält har speciella egenskaper. stående våg . Ur kvantsynpunkt orsakar en stående våg som bildas av motströmmar av fotoner stötar på atomen på grund av absorptionen av fotoner och deras stimulerade emission. Medelkraften som verkar på atomen är inte lika med noll på grund av fältets inhomogenitet vid våglängden. Ur en klassisk synvinkel beror kraften av lätt tryck på verkan av ett rumsligt inhomogent fält på den inducerade atomär dipol . Denna kraft är minimal vid noderna där dipolmoment induceras inte, och vid antinoder, där fältgradienten blir noll. Ljustryckets maximala kraft är lika stor i storleksordning (tecknen hänvisar till dipolernas i-fas- och anti-fasrörelse med ett moment d i förhållande till fältet med intensitet E). Denna kraft kan nå gigantiska värden: för debye, µm och V/cm, är kraften eV/cm.

Fältet för en stående våg skiktar en stråle av atomer som passerar genom en ljusstråle, eftersom dipolerna, som oscillerar i motfas, rör sig längs olika banor som atomerna i Stern-Gerlach-experimentet. I laserstrålar utsätts atomer som rör sig längs strålen för en radiell ljustryckskraft som orsakas av den radiella inhomogeniteten hos ljusfältstätheten.

Både i stående och i resande våg inte bara den deterministiska rörelsen av atomer förekommer, utan också deras diffusion i fasutrymmet på grund av det faktum att handlingarna med absorption och emission av fotoner är rent kvantslumpmässiga processer. Rumslig diffusionskoefficient för en atom med massa M i en resande våg är lika med .

Ett resonanstryck av ljus liknande det som betraktas kan också upplevas av kvasipartiklar i fasta ämnen: elektroner, excitoner etc.

Bibliografi

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

När elektromagnetiska vågor faller på en yta utövar de tryck på den ytan. Ljustrycket kan förklaras både ur en elektromagnetisk synvinkel och inom ramen för kvantteorin.

Låt en normalt plan elektromagnetisk våg falla på metallytan, då är de elektriska och magnetiska fältvektorerna för en sådan våg parallella med ytan. Under påverkan av ett elektriskt fält E elektroner börjar röra sig parallellt med ytan. Dessutom, för varje elektron som rör sig med en hastighet , från sidan av magnetfältet hos en ljusvåg med induktion Lorentz kraft agerar

riktas in i metallen vinkelrätt mot dess yta. Sålunda måste ljusvågen producera tryck på metallens yta.

Inom ramen för kvantfotonteorin beror ljustrycket på att varje foton inte bara bär energi, utan också har momentum . Varje absorberad foton överför sin rörelsemängd till ytan

och varje reflekterad impuls fördubblas

Låt ett flöde av fotoner falla normalt på ytan av någon kropp N f (N f- antalet fotoner som infaller på en enhetsarea per tidsenhet). Om ytan på en kropp har en reflektionskoefficient, kommer fotoner per tidsenhet att reflekteras från den, och fotoner kommer att absorberas av ytan. Impulsen som tas emot av en enhetsyta av en kropp per tidsenhet är lika med

Enligt Newtons andra lag finns det en kraft vinkelrätt mot ytan (i detta fall är detta tryckkraften) och storleken - tryck. Således är ljustrycket lika med

Kvantitet lika med produkten av fotonenergi H w per antal fotoner N f infallande per enhetsarea av kroppen per tidsenhet är ljusenergins flödestäthet R. Samma värde kan erhållas genom att multiplicera den genomsnittliga energitätheten i en våg med ljusets hastighet:

Vi har redan diskuterat denna formel för och tidigare när vi betraktade trycket från elektromagnetiska vågor.

Exempel. Låt oss bestämma trycket R solljus på en svärtad platta placerad vinkelrätt mot solens strålar och utanför jordens atmosfär nära jorden.

Solkonstanten, det vill säga energiflödestätheten för elektromagnetisk solstrålning nära jorden utanför dess atmosfär, är ungefär lika med . Den svärtade plattan absorberar nästan allt, det vill säga för utvärdering kan du lägga . Därav trycket

Lätt tryck spelar en stor roll i orienteringen av kometsvansar i förhållande till solen. Dammpartiklar och gasmolekyler som finns i kometer upplever lätt tryck från solens strålar, som ett resultat av vilket säregna former av kometarsvansar bildas, orienterade i motsatt riktning från solen. (Det antas för närvarande att fenomenet med kometsvansbildning delvis bestäms av "protonvinden" som kommer från solen.)

Ris. 2.20. Lätt tryck avleder kometens svans bort från solen

Ris. 2.21. Projekt av ett solsegel i jordens omloppsbana, driven av lätt tryck

Sålunda löser både elektromagnetiska (våg) och foton (kvantum) teorier frågan om ljustryckets mekanism och lagar med lika stor framgång.

Låt oss sammanfatta:

1. I fenomenet ljusutbredning och reflektion (diffraktion och interferens) beter sig ljus som en våg med typiska vågegenskaper som frekvens och våglängd .

2. I fenomenet emission och överföring av energi beter sig ljus som en partikel som kännetecknas av energi och momentum .

3. Plancks konstant förbinder numeriskt korpuskulära egenskaper med vågegenskaper.

Därför måste vi erkänna fotonens dubbla natur. Hittills i vår kurs är detta en ovanlig egenskap - våg-partikeldualitet - endast inställd på ljus.

Fenomenet lätt tryck upptäcktes av Lebedev 1900 på fasta ämnen och 1907-1908 på gaser. Installationen för att observera och mäta ljusets tryck på fasta ämnen är följande design på en ultrakänslig torsionsbalans.

Den rörliga delen av vågen är en lätt ram

med tunn metall fäst på den

vingplattor, varav en är spegel p=1,

och den andra är svärtad p=0. Ramen är symmetriskt fäst vid

elastisk upphängning. Allt detta placeras i ett evakuerat glaskärl.

Vingarna var växelvis upplysta av ljus från en voltaisk båge, och ljustrycket bestämdes av trådens vridningsvinkel, i vars ände en spegel fästes, vilket gjuter kaninen på en skala. Opt visade att trycket som ljuset utövade på den spegelvända vingen visade sig vara 2 gånger större än på den svärtade vingen. Låt oss försöka beräkna detta tryck. Låt N strömmar falla på ytan. Vissa av dem reflekteras (deras antal ρN), andra absorberas (deras antal (1-ρ)N). En fotons rörelsemängd är ρ=nν/c. Impulsen av tryckkraften som produceras på ytan är lika med den totala förändringen i impulserna för alla fotoner.

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

J/c=ω – volymetrisk energitäthet. Dessa resultat sammanfaller med de som erhölls i experimentet. => Fotoner har egenskaper som partiklar, d.v.s. impuls.

Lätt tryck. Om en foton har momentum måste ljus som faller på kroppen utöva tryck på den. Ur kvantteoretisk synvinkel beror ljusets tryck på en yta på att varje foton, när den kolliderar med en yta, överför sin rörelsemängd till den. Låt oss beräkna, utifrån kvantteorin, det lätta trycket som utövas på ytan av en kropp av ett flöde av monokromatisk strålning (frekvens) som infaller vinkelrätt mot ytan. Om N fotoner faller per ytenhet av en kropps yta, kommer fotoner att reflekteras och absorberas vid ljusreflektionskoefficienten från kroppens yta. Varje absorberad foton sänder en impuls, och varje reflekterad foton sänder (när den reflekteras ändras fotonimpulsen med). Ljustrycket är lika med impulsen, som överförs nästan på 1 s av N fotoner: .

Det finns energin för alla fotoner som infaller per yta per tidsenhet, dvs. energibelysning, och - volymetrisk strålningsenergitäthet. Därför är trycket som produceras av ljus vid normal infallande på ytan,

29. Upptäckten av elektronen. Upprättandet av elektrolyslagen har ännu inte strikt bevisat att elementära elektriska laddningar finns i naturen. Man kan till exempel anta att alla envärda joner har olika elektriska laddningar, men deras medelvärde är lika med elementärladdningen e.
För att ta reda på om det finns en elementär laddning i naturen var det nödvändigt att mäta inte den totala mängden elektricitet som transporteras av ett stort antal joner, utan laddningarna av enskilda joner. Frågan om laddningen nödvändigtvis är associerad med partiklar av materia och, om associerad, med vilka, var också oklar.
Ett viktigt bidrag för att lösa dessa frågor gavs i slutet av 1800-talet. när man studerar fenomen som uppstår när elektrisk ström passerar genom förtärnade gaser. Experimenten avslöjade en glöd från glaset i urladdningsröret bakom anoden. Mot den ljusa bakgrunden av det lysande glaset syntes en skugga från anoden, som om glasets glöd orsakades av någon osynlig strålning som fortplantade sig rakt från katoden till anoden. Denna osynliga strålning kallades katodstrålar.
Den franske fysikern Jean Perrin upptäckte 1895 att "katodstrålar" faktiskt är en ström av negativt laddade partiklar.
Genom att studera rörelselagarna för partiklar av katodstrålar i elektriska och magnetiska fält, fastställde den engelske fysikern Joseph Thomson (1856-1940) att förhållandet mellan den elektriska laddningen för varje partikel och dess massa är detsamma för alla partiklar. Om vi antar att varje partikel av katodstrålar har en laddning lika med elementarladdningen e, då måste vi dra slutsatsen att massan av katodstrålepartikeln är mindre än en tusendel av massan av den lättaste kända atomen - väteatomen.
Thomson fastställde vidare att förhållandet mellan laddningen av katodstrålarnas partiklar och deras massa är detsamma när röret är fyllt med olika gaser och när katoden är gjord av olika metaller. Följaktligen var identiska partiklar en del av atomerna i olika grundämnen.
Baserat på resultaten av sina experiment drog Thomson slutsatsen att materiens atomer inte är odelbara. Negativt laddade partiklar med en massa mindre än en tusendel av massan av en väteatom kan rivas ut ur en atom av vilket kemiskt element som helst. Alla dessa partiklar har samma massa och har samma elektriska laddning. Dessa partiklar kallas elektroner.

Huvudpostulatet för den korpuskulära teorin om elektromagnetisk strålning låter så här:: eh elektromagnetisk strålning (och i synnerhet ljus) – detta är flödet timme bröst ,kallad fotoner . Fotoner fortplantar sig i vakuum med en hastighet lika med maximal hastighet för interaktionsutbredning , Med= 3·10 8 m/s, massa och viloenergi vilken foton som helst är lika med noll , fotonenergi Eär relaterad till frekvensen av elektromagnetisk strålning ν och våglängden λ med formeln

(2.7.1)

Observera: formel (2.7.1) avser korpuskulär egenskaper hos elektromagnetisk strålning, fotonenergi, s Vinka egenskaper - frekvens och våglängd. Det representerar en brygga mellan corpuscular och våg teorier. Förekomsten av denna bro är oundviklig, eftersom både fotonen och elektromagnetisk våg - det är allt två modeller av samma verkliga objekt –elektromagnetisk strålning .

Alla rörliga partiklar ( blodkropp) har momentum, och enligt relativitetsteorin partikelenergin E och hennes fart sid relaterad av formeln

(2.7.2)

Var – partikelns viloenergi. Eftersom fotonens restenergi är noll följer två mycket viktiga formler från (2.7.2) och (2.7.1):

(2.7.3)

(2.7.4)

Låt oss nu övergå till fenomenet lätttryck.

Lätt tryck upptäcktes av den ryska forskaren P.N. Lebedev 1901. I sina experiment slog han fast att ljusets tryck beror på ljusets intensitet och på kroppens reflektionsförmåga. I experimenten användes en pinwheel med svarta och spegelblad, placerad i en evakuerad kolv (Fig. 2.10).

Ris. 2.10