Сила тиску світла на дзеркало. Світловий тиск

48. Елементи квантової оптики. Енергія, маса та імпульс фотона. Висновок формули тиску світла з урахуванням квантових поглядів на природу світла.

Таким чином, поширення світла слід розглядати не як безперервний хвильовий про-

цес, а як потік локалізованих у просторі дискретних частинок, що рухаються зі швидкістю з поширення світла у вакуумі. Згодом (1926 р.) ці частки отримали назву фотонів. Фотони мають всі властивості частинки (корпускули).

Розвиток гіпотези Планка призвело до створення уявлень про квантові властивості світла. Кванти світла отримали назву фотонів. Відповідно до закону пропорційності маси та енергії та гіпотезі Планка, енергія фотона визначається за формулами

Прирівнюючи праві частини цих рівнянь, отримаємо вираз для маси фотона

або з урахуванням, що ,

Імпульс фотона визначається за формулами:

Маса спокою фотона дорівнює нулю. Квант електромагнітного випромінювання існує лише поширюючись зі швидкістю світла, володіючи при цьому кінцевими значеннями енергії та імпульсу. У монохроматичному світлі з частотою всі фотони мають однакову енергію, імпульс і масу.

Тиск світла

Світлове випромінювання може передавати свою енергію тілу як механічного тиску.

Він довів, що світло, повністю поглинене зачорненою платівкою, має на неї силовий вплив. Світловий тиск проявляється в тому, що на поверхню тіла, що освітлюється, в напрямку поширення світла діє розподілена сила, пропорційна щільності світлової енергії і залежна від оптичних властивостей поверхні.

У результаті застосування до оптичних вимірів Лебедєва законів механіки отримано надзвичайно важливе співвідношення, що показало, що енергія завжди еквівалентна масі. Вперше Ейнштейн зазначив, що рівняння mc 2 = E є універсальним і має бути справедливим для будь-яких видів енергії.

Пояснити це можна з позицій як хвильових, і корпускулярних поглядів на природу світла. У першому випадку це результат взаємодії електричного струму, наведеного в тілі електричним полем світлової хвилі з її магнітним полем за законом Ампера. Електричне та магнітне поля світлової хвилі, що періодично змінюються у просторі та в часі, при взаємодії з поверхнею речовини надають силовий вплив на електрони атомів речовини. Електричне поле хвилі змушує електрони робити коливання. Сила Лоренца з боку магнітного поля хвилі спрямована вздовж напрямку поширення хвилі і є силу світлового тиску. Квантова теорія пояснює тиск світла тим, що фотони володіють певним імпульсом і при взаємодії з речовиною вони передають частину імпульсу частинкам речовини, чинячи цим тиск на його поверхню (можна провести аналогію з ударами молекул об стінку судини, при яких імпульс, що передається стінці, визначає тиск газу в посудині).

Під час поглинання фотони передають свій імпульс тілу, з яким взаємодіють. Це і є причиною тиску світла.

Визначимо тиск світла поверхню, використовуючи квантову теорію випромінювання.

Нехай перпендикулярно до деякої поверхні падає випромінювання з частотою ν (рис.5). Нехай це випромінювання, що складаються з N фотонів, падає на поверхню пло-

щади ∆ S протягом часу ∆ t. Поверхнею поглинається N 1 фотонів, а відбиває-

ся N 2, тобто. N = N 1 + N 2.

	Продовження 48
Кожен поглинений фотон (непружний удар) передає поверхні імпульс			А кожен від-
ражений фотон (пружний удар) передає їй імпульс		Тоді всі падають фотони переда-
ражений фотон (пружний удар) передає їй імпульс		Тоді всі падають фотони переда-
йдуть імпульс, рівний
йдуть імпульс, рівний
При цьому світло діятиме на поверхню з силою

тобто. чинити тиск

Помножимо і розділимо праву частину цієї рівності на N, отримаємо

Остаточно

де - Енергія всіх N фотонів, що падають на одиницю площі в одиницю часу, розмір-

ність; - Коефіцієнт відображення.

Для чорної поверхні ρ = 0 і тиск буде рівним.

Є об'ємною щільністю енергії, розмірністю її .

Тоді концентрація n фотонів у пучку, що падає на поверхню, буде

Підставляючи рівняння для тиску світла (2.2), отримуємо

Тиск, що виробляється світлом при падінні на плоску поверхню, можна обчислити за формулою

де Її - інтенсивність опромінення поверхні (або освітленість), з - швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі, α - частка падаючої енергії, що поглинається тілом (коефіцієнт поглинання-

ня), ρ - частка падаючої енергії, що відображається тілом (коефіцієнт відбиття), θ - кут між напрямом випромінювання і нормаллю до поверхні, що опромінюється. Якщо тіло не є прозорим, тобто все

падаюче випромінювання відбивається і поглинається, то α +ρ =1.

49 Елементи квантової оптики. Ефект Комптон. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла (випромінювання).

3) Корпускулярнохвильовий дуалізм електромагнітного випромінювання

Отже, вивчення теплового випромінювання, фотоефекту, ефекту Комптона показало, що електромагнітне випромінювання (зокрема, світло), має всі властивості частки (корпускули). Проте велика група оптичних явищ - інтерференція, дифракція, поляризація свідчить про хвильові властивості електромагнітного випромінювання, зокрема світла.

Що ж є світло - безперервні електромагнітні хвилі, що випромінюються джерелом або потік дискретних фотонів, безладно для електромагнітної хвилі, не виключають властивостей дискретності, характерних для фотонів.

Світло (електромагнітне випромінювання) одночасно має властивості безперервних електромагнітних хвиль та властивості дискретних фотонів. У цьому полягає корпускулярно-хвильовий дуалізм (подвійність) електромагнітного випромінювання.

2) ЕфектКомптонаПолягає у збільшенні довжини хвилі рентгенівського випромінювання за його розсіювання речовиною. Зміна довжини хвилі

До (1-cos)=2 до sin2 (/2), (9) "

де до =h/(mc) - комптонівська довжина хвилі, m - маса спокою електро-

трону. до = 2.43 * 10 -12 м = 0.0243 A (1 A = 10-10 м).

Всі особливості ефекту Комптон вдалося пояснити, розглядаючи розсіювання як процес пружного зіткнення рентгенівських фотонів з вільними електронами, при якому дотримується закон збереження енергії і закон збереження імпульсу.

Відповідно (9) зміна довжини хвилі залежить тільки від кута розсіювання і не залежить ні від довжини хвилі рентгенівського випромінювання, ні від виду речовини.

1) Елементи квантової оптики.Фотони, енергія, маса та імпульс фотона

Щоб пояснити розподіл енергії в спектрі теплового випромінювання, Планк припустив, що електромагнітні хвилі випускаються порціями (квантами). Ейнштейн в 1905 р. дійшов висновку, що випромінювання як випускається, а й поширюється і поглинається як квантів. Цей висновок дозволив пояснити всі експериментальні факти (фотоефект, ефект Комптону, та ін.), які не могла пояснити класична електродинаміка, що виходила з хвильових уявлень про властивості випромінювання. Таким чином, поширення світла слід розглядати не як безперервний хвильовий процес, а як потік локалізованих у просторі дискретних частинок, що рухаються зі швидкістю із поширенням світла у вакуумі. Згодом (1926 р.) ці частки отримали назву фотонів. Фотони мають всі властивості частинки (корпускули).

1. Енергія фотона

Тому постійну Планку іноді називають квантом дії. Розмірність збігається, наприклад, з розмірністю моменту імпульсу (L=r mv).

Як випливає з (1) енергія фотона збільшується зі зростанням частоти (або зі зменшенням довжини хвилі),

2. Маса фотона визначається виходячи із закону про взаємозв'язок маси та енергії (Е=mc 2 )

3.Імпульс фотона. Для будь-якої релятивиської частки її енергія Оскільки фотон m 0 =0 , то імпульс фотона

тобто. довжина хвилі обернено пропорційна імпульсу

50. Ядерна модель атома за Резерфордом. Спектр атома водню. Узагальнена формула Бальмера. Спектральні серії атом водню. Концепція терму.

1) Резерфорд запропонував ядерну модель атома. Згідно з цією моделлю атом складається з позитивного ядра, що має заряд Zе (Z - порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва, е - елементарний заряд), розмір 10 -5 -10 -4 А (1А = 10 -10 м) та масу практично рівну масі атома. Навколо ядра замкнутими орбітами рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома. Оскільки атоми нейтральні, навколо ядра має обертатися Z електронів, сумарний заряд яких - Zе. Розміри атома визначаються розмірами зовнішніх орбіт електронів та становлять порядку одиниць А.

Маса електронів становить дуже малу частку маси ядра (для водню 0,054%, інших елементів менше 0,03%). Поняття " розмір електрона " вдається сформулювати несуперечливо, хоча ro 10-3 А називають класичним радіусом електрона. Отже, ядро атома займає мізерну частину об'єму атома і в ньому зосереджена практично вся (99,95%) маса атома. Якби ядра атомів розташовувалися впритул один до одного, то земна куля мала б радіус 200 м а не 6400 км (щільність речовини

атомних ядер 1,8

2) Лінійчастий спектр атома водню

Спектр випромінювання атомарного водню складається з окремих спектральних ліній, що розташовуються у порядку. У 1885 р. Бальмер встановив, що довжини хвиль (чи частоти) цих ліній може бути представлені формулою.

, (9)

де R = 1,0974 7 м -1 - називається також постійною Рідберга.

На рис. 1 зображено схему енергетичних рівнів атома водню, розрахованих згідно (6) при z=1.

При переході електрона з вищих енергетичних рівнів до рівня n = 1 виникає ультрофиолетовое випромінювання чи випромінювання серії Лаймана (СЛ).

Коли електрони переходячи до рівня n = 2 виникає видиме випромінювання чи випромінювання серії Бальмера (СБ).

При переході електронів з вищих рівнів до рівня n =

3 виникає інфрачервоне випромінювання або випромінювання серії Пашена (СП) і т.д.

Частоти або довжини хвиль, що при цьому виникає випромінювання, визначаються за формулами (8) або (9) при m=1 - для серії Лаймана, при m=2 - для серії Бальмера і при m = 3 - для серії Пашена. Енергія фотонів визначається за формулою (7), яку з урахуванням (6) можна привести для водневих атомів до виду:

ЕВ (10)

50 продовження

4) Спектральні серії водню- Набір спектральних серій, що становлять спектр атома водню. Оскільки водень – найпростіший атом, його спектральні серії найбільш вивчені. Вони добре підкоряються формулі Рідберга:

де R = 109677 см−1 - постійна Рідберга для водню, n′ - основний рівень серії. Спектральні лінії, що виникають під час переходів на основний енергетичний рівень,

називаються резонансними, всі інші – субординатними.

Серія Лаймана

Відкрита Т. Лайманом у 1906 році. Усі лінії серії знаходяться в ультрафіолетовому діапазоні. Серія відповідає формулі Рідберга при n = 1 і n = 2, 3, 4,

Серія Бальмера

Відкрита І. Я. Бальмером у 1885 році. Перші чотири лінії серії знаходяться у видимому діапазоні. Серія відповідає формулі Рідберга при n = 2 і n = 3, 4, 5

5) Спектральний терм або електронний терматома, молекули або іона - конфігу-

рація (стан) електронної підсистеми, що визначає енергетичний рівень. Іноді під словом терм розуміють власне енергію цього рівня. Переходи між термами визначають спектри випромінювання та поглинання електромагнітного випромінювання.

Терми атома прийнято позначати великими літерами S, P, D, F і т. д., що відповідають значенню квантового числа орбітального кутового моменту L =0, 1, 2, 3 тощо. буд. Квантове число повного кутового моменту J дається індексом праворуч унизу. Малою цифрою вгорі зліва позначається кратність ( мультиплетність) Терма. Наприклад, ²P 3/2 - дублет Р. Іноді (як правило, для одноелектронних атомів та іонів) попереду символу терму вказують головне квантове число(Наприклад, 2²S 1/2 ).

- тиск, що чиниться світлом на відбивні та поглинаючі тіла, частинки, а також окремі молекули та атоми; одне зпондеромоторних дій світла , пов'язане з передачеюімпульсу електромагнітного поля речовини. Гіпотеза про існування тиску світла було вперше висловленоІ. Кеплером (J.Kepler) у 17 ст. для пояснення відхиленняхвостів комет від сонця. Теорія тиску світла в рамках класичної електродинаміки данаДж. Максвеллом (J.Maxwell) у 1873. У ній тиск світла тісно пов'язаний з розсіюванням та поглинаннямелектромагнітної хвилі частинками речовини. У рамкахквантової теорії тиск світла - результат передачі імпульсуфотонами тілу.

У 1873 р. Максвелл, виходячи з уявлень про електромагнітну природу світла, передбачив, що світло має чинити тиск на перешкоди. Цей тиск зумовлено силами, що діють з боку електричної та магнітної складових електромагнітного поля хвилі на заряди в тілі, що освітлюється.

Нехай світло падає на провідну (металеву) пластину. Електрична складова поля хвилі впливає на вільні електрони із силою

F ел = q E,

де q - Заряд електрона. E – напруженість електричного поля хвилі.

Електрони починають рухатися зі швидкістю V(рис.1) Оскільки напрямок Еу хвилі періодично змінюється протилежне, те й електрони періодично змінюють напрямок свого руху на протилежне, тобто. здійснюють вимушені коливання вздовж напрямку електричного поля хвилі.

Малюнок 1 – Рух електронів

Магнітна складова Уелектромагнітного поля світлової хвилі діє із силою Лоренца

F л = q·V·B,

Напрямок якої відповідно до правила лівої руки збігається з напрямом поширення світла. Коли напрямки Eі Bзмінюються на протилежні, змінюється і напрям швидкості електрона, а напрям сили Лоренца залишається незмінним. Рівнодійна сил Лоренца, що діють на вільні електрони в поверхневому шарі речовини, є силою, з якою світло тисне на поверхню.

Малюнок 2

1- дзеркальне крильце; 2- зачорнене крильце; 3-дзеркало; 4-шкала для вимірювання кута повороту; 5-скляна нитка

Тиск світла може бути пояснено і на основі квантових уявлень про світло. Як зазначено вище, фотони мають імпульс. При зіткненні фотонів з речовиною частина фотонів відбивається, частина поглинається. Обидва процеси супроводжуються передачею імпульсу від фотонів до поверхні, що освітлюється. Згідно з другим законом Ньютона, зміна імпульсу тіла означає, що на тіло діє сила світлового тиску F давши. Відношення модуля цієї сили до площі поверхні тіла дорівнює тиску світла на поверхню: P = F давши /S.

Існування тиску світла було експериментально підтверджено Лебедєвим. Прилад, створений Лебедєвим, представляв дуже чутливі ваги. Рухливою частиною терезів була підвішена на тонкій кварцовій нитці легка рамка зі світлими та темними крильцями товщиною 0.01 мм. Світ чинив різний тиск на світлі (відбивають) і темні (поглинаючі) крильця. В результаті на рамку діяв крутний момент, який закручував нитку підвісу. По кутку закручування нитки визначався тиск світла.

Розмір тиску залежить від інтенсивності світла. Зі зростанням інтенсивності зростає кількість фотонів, що взаємодіють з поверхнею тіла, і, отже, імпульс, що отримується поверхнею.
Потужні лазерні пучки створюють тиск, що перевищує атмосферний.

При нормальному падінні світла на поверхню твердого тіла тиск світла визначається формулою p = S(1 — R)/c, де S — щільність потоку енергії (інтенсивність світла), R- Коефіцієнт відображення світла від поверхні.

Експериментально тиск світла на тверді тіла було вперше дослідженоП.Н.Лебедєвим в 1899. Основні труднощі в експериментальному виявленні тиску світла полягали у виділенні його на тлірадіометричних та конвективних сил , величина яких залежить від тиску навколишнього тіла газу та при недостатньомувакуумі може перевищувати тиск світла кілька порядків. Удослідах Лебедєва у вакуумованій (мм рт. ст.) скляній посудині на тонкій срібній нитці підвішувалися коромислакрутильних ваг із закріпленими на них тонкими дисками-крильцями, які й опромінювалися. Крильця виготовлялися з різних металів іслюди з ідентичними протилежними поверхнями Послідовно опромінюючи передню та задню поверхні крилець різної товщини, Лебедєву вдалося нівелювати залишкову дію радіометричних сил і отримати задовільну (з помилкою %) згоду з теорією Максвелла. У 1907-10 Лебедєв виконав ще тонші експерименти з дослідженнятиску світла на гази і також отримав гарну згоду з теорією.

Тиск світла відіграє велику роль в астрономічних та атомних явищах. В астрофізиці тиск світла поряд із тиском газу забезпечує стабільність зірок, протидіючисилам гравітації . Дія тиску світла пояснюються деякі форми кометних хвостів. До атомних ефектів відноситься т.з. світлова віддача, яку відчуває збуджений атом під час випромінювання фотона.

У конденсованих середовищах тиск світла може викликатиструм носіїв (Дивись світлоелектричний ефект).

Специфічні особливості тиску світла виявляються в розріджених атомних системах прирезонансне розсіювання інтенсивного світла, коли частота лазерного випромінювання дорівнює частотіатомного переходу . Поглинаючи фотон, атом отримує імпульс у напрямку лазерного пучка і переходить узбуджений стан . Далі, спонтанно випускаючи фотон, атом набуває імпульсу ( світлова віддача) у довільному напрямку. При наступних поглинаннях таспонтанних випромінюваннях фотонів довільно спрямовані імпульси світлової віддачі взаємно гасяться, і, зрештою, резонансний атом отримує імпульс, спрямований уздовж світлового променя резонансний тиск світла . Сила Fрезонансного тиску світла на атом визначається як імпульс, переданий потоком фотонів із щільністю Nв одиницю часу: , де -імпульс одного фотона, - перетин поглинання резонансного фотона,довжина хвилі світла . При відносно малих щільностях випромінювання резонансний тиск світла прямо пропорційний інтенсивності світла. За великих щільностей Nу зв'язку з кінцевим ()часом життя збудженого рівня відбувається насичення поглинання та насичення резонансного тиску світла (див.Насичення ефект ). У цьому випадку тиск світла створюють фотони, що снонтанно випускаються атомами із середньою частотою (зворотного часу життя збудженого атома) у випадковому напрямку, що визначаєтьсядіаграмою випромінювання атома . Сила світлового тиску перестає залежати від інтенсивності, а визначається швидкістю спонтанних актів випромінювання: . Для типових значень -1 і мкм сила тиску світла еВ/см; при насиченні резонансний тиск світла може створювати прискорення атомів до 10 5
g (g — прискорення вільного падіння ). Такі великі сили дозволяють селективно керуватиатомними пучками , варіюючи частоту світла і по-різному впливаючи на групи атомів, що мало відрізняються частотами резонансного поглинання. Зокрема, вдається стискатимаксвелівський розподіл за швидкостями, забираючи з пучка високошвидкісні атоми. Світло лазера направляють назустріч атомному пучку, підбираючи при цьому частоту і форму спектра випромінювання так, щоб найбільш сильна дія тиску світла, що гальмує, відчували найбільш швидкі атоми через їх більшийдоплерівського зміщення резонансної частоти. Іншим можливим застосуванням резонансного тиску світла є поділ газів: при опроміненні двокамерної судини, наповненої сумішшю двох газів, один з яких знаходиться в резонансі з випромінюванням, резонансні атоми під впливом світла тиску перейдуть в далеку камеру.

Своєрідні риси має резонансний тиск світла на атоми, поміщені в полі інтенсивноїстоячої хвилі . З квантової погляду стояча хвиля, утворена зустрічними потоками фотонів, викликає поштовхи атома, зумовлені поглинанням фотонів та його стимульованим випромінюванням. Середня сила, що діє атом, при цьому не дорівнює нулю внаслідок неоднорідності поля на довжині хвилі. З класичної точки зору сила тиску світла обумовлена дією просторово неоднорідного поля на наведений їматомний диполь . Ця сила мінімальна у вузлах, дедипольний момент не наводиться, і в пучності, де градієнт поля звертається в нуль. Максимальна сила тиску світла по порядку величини дорівнює (знаки відносяться до синфазного та протифазного руху диполів з моментом dпо відношенню до поля з напруженістю E). Ця сила може досягати гігантських значень: для дебай, мкм та В/см сила еВ/см.

Поле стоячої хвилі розшаровує пучок атомів, що проходить крізь промінь світла, так як диполі, що коливаються в протифазі, рухаються по різних траєкторіях подібно до атомів у досвіді Штерна-Герлаха. У лазерних пучках на атоми, що рухаються вздовж променя, діє радіальна сила тиску світла, що обумовлена радіальною неоднорідністю щільності світлового поля.

Як у стоячій, так і вбіжить хвилі відбувається не тільки детерміноване рух атомів, а й їхдифузія у фазовому просторі внаслідок того, що акти поглинання та випромінювання фотонів – суто квантові випадкові процеси. Коефіцієнт просторової дифузії для атома з масою Mу хвилі, що біжить, дорівнює .

Подібний розглянутий резонансний тиск світла можуть відчувати іквазічастки у твердих тілах:електрони, ексітони та ін.

Список літератури

Мустафаєв Р.А., Кривцов В.Г. фізика. М., 2006.

При падінні електромагнітних хвиль на якусь поверхню вони чинять тиск на цю поверхню. Тиск світла можна пояснити як з електромагнітної точки зору, так і в рамках квантової теорії.

Нехай на поверхню металу падає нормально плоска електромагнітна хвиля, тоді вектори електричного та магнітного поля такої хвилі паралельні поверхні. Під дією електричного поля Е електрони починають рухатися паралельно поверхні. При цьому на кожен електрон, що рухається зі швидкістю , з боку магнітного поля світлової хвилі з індукцією діє сила Лоренца

спрямована всередину металу перпендикулярно його поверхні. Таким чином, світлова хвиля повинна чинити тиск на поверхню металу.

В рамках квантової фотонної теорії світловий тиск обумовлено тим, що кожен фотон не тільки несе енергію, але й має імпульс. . Кожен поглинений фотон передає поверхні свій імпульс

а кожен відбитий – подвоєний імпульс

Нехай на поверхню деякого тіла падає по нормалі потік фотонів N ф (N ф- Число фотонів, що падають на одиничний майданчик в одиницю часу). Якщо поверхня тіла має коефіцієнт відображення, то в одиницю часу фотонів відобразиться від неї, а фотонів поглинеться поверхнею. Імпульс, який отримує одиниця площі поверхні тіла за одиницю часу, дорівнює

Згідно з другим законом Ньютона, є нормальна до поверхні сила (у разі це сила тиску), а величина - тиск. Таким чином, світловий тиск дорівнює

Величина, що дорівнює добутку енергії фотона ħwна число фотонів N ф, що падають на одиницю площі тіла в одиницю часу, є щільність потоку світлової енергії R.Цю ж величину можна отримати, помножуючи середню густину енергії у хвилі на швидкість світла:

Цю формулу при і ми вже обговорювали раніше, коли розглядали тиск електромагнітних хвиль.

приклад.Визначимо тиск Рсонячного світла на зачорнену платівку, розташовану перпендикулярно сонячним променям і поза земної атмосфери поблизу Землі.

Сонячна постійна, тобто щільність потоку енергії сонячного електромагнітного випромінювання поблизу Землі поза її атмосферою, приблизно дорівнює . Зачорнена платівка поглинає практично все, тобто для оцінки можна покласти . Звідси тиск

Тиск світла грає величезну роль орієнтації кометних хвостів щодо Сонця. Пилоподібні частинки та молекули газів, що є в кометах, відчувають світловий тиск з боку сонячних променів, в результаті якого і утворюються своєрідні форми кометних хвостів, орієнтованих на протилежний бік від Сонця. (В даний час передбачається, що утворення хвостів комет частково визначається «протонним» вітром, що походить від Сонця.)

Мал. 2.20. Тиск світла відхиляє хвіст комети від Сонця

Мал. 2.21. Проект сонячного вітрила на орбіті Землі, що рухається тиском світла

Таким чином, і електромагнітна (хвильова), і фотонна (квантова) теорії з однаковим успіхом вирішують питання про механізм та закономірності світлового тиску.

Підведемо підсумки:

1. У явищах поширення та відображення світла (дифракція та інтерференція) світло поводиться як хвиля з такими типово хвильовими характеристиками, як частота та довжина хвилі .

2. У явищах випромінювання та передачі енергії світло веде себе як частка, що характеризується енергією та імпульсом .

3. Постійна Планка чисельно пов'язує корпускулярні характеристики із хвильовими.

Тому доводиться визнати за фотоном подвійну природу. Поки що в нашому курсі ця незвичайна властивість - корпускулярно-хвильовий дуалізм - Встановлено тільки для світла.

Явище тиску світла було відкрито Лебедєвим в 1900 р. на твердих речовинах і в 1907-1908 рр. на газах. Установка для спостереження та вимірювання тиску світла на твердих речовинах є наступною конструкцією на надчутливих крутильних вагах.

Рухлива частина ваг є легким каркасом.

із укріпленими на ньому тонкими металевими

пластинками-крильцями, одне з яких дзеркальне p=1,

інше зачорнене p=0. Каркас симетрично закріплюється на

пружному підвісі. Все це поміщається у вакумовану скляну посудину.

Крильця поперемінно висвітлювалися світлом від вольтової дуги, а світловий тиск визначався по кутку закручування нитки, на кінці якої закріплювалося дзеркало, що відкидає зайчик на шкалу. Опт показав, що тиск, що виробляється світлом на дзеркальне крильце, виявилося в 2 рази більшим, ніж на зачорнене крильце. Спробуємо розрахувати цей тиск. Нехай поверхню падає N потоків. Частина відображається (їх число ρN), частина поглинається (їх число (1-ρ)N). Імпульс одного фотона ρ=nν/c. Імпульс сили тиску, що виробляється на поверхню, дорівнює сумарній зміні імпульсів всіх фотонів.

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

J/c=ω – об'ємна густина енергії. Ці результати збігаються з отриманими експериментально. => Фотони мають властивості частинок, тобто. імпульсом.

Тиск світла.Якщо фотон має імпульс, то світло, що падає на тіло, має чинити на нього тиск. З погляду квантової теорії, тиск світла на пов-ть обумовлено тим, кожен фотон при зіткненні з пов-тью передає їй свій імпульс. Розрахуємо з погляду квантової теорії світлове тиск, що чиниться пов-ть тіла потоком монохроматичного випромінювання (частота ), падаючого перпендикулярно пов-ти. Якщо в одиницю часу на одиницю площі пов-ти тіла падає N фотонів, то при коефіцієнті відображення світла від пов-ти тіла відобразиться фотонів, а - поглинеться. Кожен поглинений фотон передає пов-ти імпульс , а кожен відбитий - (при відбитті імпульс фотона змінюється на ). Тиск світла пов-ть дорівнює імпульсу, який передають пов-ти в 1 з N фотонів: .

Є енергія всіх фотонів, що падають на одиницю пов-ти на одиницю часу, тобто. енергетична освітленість пов-ти, а - об'ємна щільність енергії випромінювання. Тому тиск виробляється світлом при нормальному падінні на пов-ть,

29. Відкриття електрона. Встановлення закону електролізу ще довів суворо, що у природі існують елементарні електричні заряди. Можна, наприклад, припустити, що всі одновалентні іони мають різні електричні заряди, але їхнє середнє значення дорівнює елементарному заряду е.
Щоб з'ясувати, чи існує в природі елементарний заряд, необхідно було виміряти не сумарну кількість електрики, що переноситься великою кількістю іонів, а заряди окремих іонів. Неясним було й питання, чи обов'язково заряд пов'язані з частками речовини і, якщо пов'язаний, із якими саме.
Важливий внесок у вирішення цих питань було зроблено наприкінці ХІХ ст. при дослідженні явищ, що виникають під час пропускання електричного струму через розріджені гази. У дослідах було виявлено свічення скла розрядної трубки за анодом. На світлому фоні скла, що світилося, було видно тінь від анода, начебто свічення скла викликалося якимось невидимим випромінюванням, що поширювалося прямолінійно від катода до анода. Це невидиме випромінювання назвали катодним промінням.
Французький фізик Жан Перрен у 1895 р. встановив, що «катодні промені» насправді є потоком негативно заряджених частинок.
Досліджуючи закони руху частинок катодних променів в електричних та магнітних полях, англійський фізик Джозеф Томсон (1856-1940) встановив, що відношення електричного заряду кожної з частинок до її маси є однаковою для всіх частинок. Якщо припустити, кожна частина катодних променів має заряд, рівний елементарному заряду е, то доведеться зробити висновок, що маса частинки катодних променів менша за одну тисячну масу найлегшого з відомих атомів - атома водню.
Далі Томсон встановив, що відношення заряду частинок катодних променів до їхньої маси виходить однаковим при наповненні трубки різними газами і виготовлення катода з різних металів. Отже, однакові частинки входили до складу атомів різних елементів.
На підставі результатів своїх дослідів Томсон зробив висновок, що атоми речовини не є неподільними. З атома будь-якого хімічного елемента можуть бути вирвані негативно заряджені частинки з масою менше однієї тисячної маси атома водню. Всі ці частинки мають однакову масу і мають однаковий електричний заряд. Ці частки називають електронами.

Основний постулат корпускулярної теорії електромагнітного випромінювання звучить так: е електромагнітне випромінювання (і зокрема світло) – це потік година тиц ,званих фотонами . Фотони поширюються у вакуумі зі швидкістю, що дорівнює граничної швидкості поширення взаємодії , з= 3 · 10 8 м / с, маса та енергія спокою будь-якого фотона рівні нулю , енергія фотона Eпов'язана з частотою електромагнітного випромінювання і довжиною хвилі формулою

(2.7.1)

Зверніть увагу: формула (2.7.1) пов'язує корпускулярнухарактеристику електромагнітного випромінювання, енергію фотона, хвильовимихарактеристиками – частотою та довжиною хвилі. Вона являє собою місток між корпускулярною та хвильовою теоріями. Існування цього містка неминуче, так як і фотон, і електромагнітна хвиля - Це всього лише дві моделі одного і того ж реально існуючого об'єкта –електромагнітного випромінювання .

Будь-яка частинка, що рухається ( корпускула) володіє імпульсом, причому згідно з теорією відносності енергія частки Ета її імпульс pпов'язані формулою

(2.7.2)

де – енергія спокою частки. Оскільки енергія спокою фотона дорівнює нулю, то з (2.7.2) і (2.7.1) випливають дві дуже важливі формули:

(2.7.3)

(2.7.4)

Звернемося тепер до явища світлового тиску.

Тиск світла відкрито російським вченим П.М. Лебедєвим у 1901 році. У своїх дослідах він встановив, що тиск світла залежить від інтенсивності світла і від здатності тіла, що відбиває. У дослідах була використана вертушка, що має чорні та дзеркальні пелюстки, поміщена у вакуумовану колбу (рис. 2.10).

Мал. 2.10