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Presión ligera. Explicación cuántica y ondulatoria de la presión de la luz. Presión ligera Explicación del fenómeno de la presión ligera.

Resulta que la presión no solo la pueden crear sólidos, líquidos y gases. Al caer sobre la superficie del cuerpo, la radiación electromagnética ligera también ejerce presión sobre él.

Teoría de la presión ligera

Juan Kepler

Por primera vez se asumió que existe una ligera presión. El científico alemán Johannes Kepler en el siglo 17. Al estudiar el comportamiento de los cometas que vuelan cerca del Sol, llamó la atención sobre el hecho de que la cola de un cometa siempre se desvía en dirección opuesta al Sol. Kepler sugirió que de alguna manera esta desviación es causada por la exposición a la luz solar.

Teóricamente, la existencia de una ligera presión se predijo en el siglo XIX. El físico británico James Clerk Maxwell, quien creó la teoría electromagnética y argumentó que la luz también es vibraciones electromagnéticas y debe ejercer presión sobre los obstáculos.

James Clerk Maxwell

La luz es una onda electromagnética. Crea un campo eléctrico, bajo cuya influencia oscilan los electrones del cuerpo que se encuentran en su camino. Una corriente eléctrica surge en el cuerpo, dirigida según la fuerza del campo eléctrico. Desde el lado del campo magnético, los electrones se ven afectados por fuerza de lorentz. Su dirección coincide con la dirección de propagación de la onda luminosa. Este poder es fuerza de presión ligera .

Según los cálculos de Maxwell, la luz solar produce una determinada presión sobre una placa negra situada en la Tierra (p = 4 · 10 -6 N/m2). Y si en lugar de una placa negra cogemos una reflectante, entonces la presión de la luz será 2 veces mayor.

Pero esto era sólo una suposición teórica. Para demostrarlo fue necesario confirmar la teoría con un experimento práctico, es decir, medir la magnitud de la presión de la luz. Pero como su valor es muy pequeño, es extremadamente difícil hacerlo en la práctica.

Piotr Nikoláievich Lébedev

En la práctica esto se hizo El físico experimental ruso Pyotr Nikolaevich Lebedev. Un experimento realizado por él en 1899 confirmó la suposición de Maxwell de que existe una ligera presión sobre los sólidos.

La experiencia de Lebedev

Representación esquemática del experimento de Lebedev.

Para llevar a cabo su experimento, Lebedev creó un dispositivo especial, que era un recipiente de vidrio. Dentro del recipiente se colocó una varilla ligera sobre un fino hilo de vidrio. A lo largo de los bordes de esta varilla se colocaron alas delgadas y ligeras hechas de varios metales y mica. Se bombeó aire fuera del recipiente. Con la ayuda de sistemas ópticos especiales, compuestos por una fuente de luz y espejos, el haz de luz se dirigió hacia las alas ubicadas en un lado de la varilla. Bajo la influencia de una ligera presión, la varilla giró y el hilo se torció en cierto ángulo. La magnitud de este ángulo se utilizó para determinar la magnitud de la presión de la luz.

Dispositivo Lebedev

Pero este experimento no arrojó resultados precisos. Hubo algunas dificultades para hacerlo. Como en aquella época no existían bombas de vacío, se utilizaron bombas mecánicas convencionales. Y con su ayuda fue imposible crear un vacío absoluto en el recipiente. Incluso después de bombearlo, quedaba algo de aire. Las alas y las paredes del barco se calentaron de forma diferente. El lado que mira hacia el haz de luz se calienta más rápido. Y esto provocó el movimiento de las moléculas de aire. Estalló aire más cálido. Dado que es imposible instalar las alas absolutamente verticalmente, estos flujos crearon pares adicionales. Además, las alas se calentaban de forma diferente. El lado que daba a la fuente de luz se calentó. Como resultado, se ejerció un efecto adicional sobre el ángulo de rotación del hilo.

Para que el experimento fuera más preciso, Lebedev tomó un recipiente muy grande. Hizo el ala a partir de dos pares de círculos muy delgados de platino. Además, el grosor de los círculos de un par difería del grosor de los círculos del otro par. En un lado de la varilla, los círculos eran brillantes en ambos lados, en el otro, uno de los lados estaba cubierto de negro platino. Se les dirigieron rayos de luz desde un lado y luego desde el otro, para equilibrar las fuerzas que actúan sobre las alas. Como resultado, se midió la presión de la luz sobre las alas. Los resultados del experimento confirmaron las suposiciones teóricas de Maxwell sobre la existencia de una ligera presión. Y su valor era casi el mismo que predijo Maxwell.

En 1907 - 1910 Con la ayuda de experimentos más precisos, Lebedev midió la presión de la luz sobre los gases.

La luz, como cualquier radiación electromagnética, tiene energía. mi .

Su impulso pag = mi v / c 2 ,

Dónde v - velocidad de la radiación electromagnética,

C es la velocidad de la luz.

Porque v = Con , Eso pag = E/s .

Con el advenimiento de la teoría cuántica, la luz comenzó a considerarse como una corriente de fotones: partículas elementales, cuantos de luz. Al golpear el cuerpo, los fotones le transfieren su impulso, es decir, ejercen presión.

vela solar

Friedrich Arturovich Zander

Aunque el valor de una ligera presión es muy pequeño, puede ser beneficioso para una persona.

Allá por 1920 El científico e inventor soviético Friedrich Arturovich Zander, uno de los creadores del primer cohete de combustible líquido, propuso la idea de volar al espacio utilizando vela solar . Ella era muy sencilla. La luz del sol está formada por fotones. Y crean presión, transfiriendo su impulso a cualquier superficie iluminada. Por lo tanto, para impulsar una nave espacial, se puede utilizar la presión creada por la luz solar o un láser sobre la superficie de un espejo. Una vela de este tipo no necesita combustible para cohetes y su duración no está limitada. Y esto permitirá llevar más carga en comparación con una nave espacial convencional con motor a reacción.

vela solar

Pero hasta ahora sólo se trata de proyectos para crear naves espaciales con una vela solar como motor principal.

La luz no sólo es absorbida y reflejada por la materia, sino que también crea presión sobre la superficie del cuerpo. En 1604, el astrónomo alemán I. Kepler explicó la forma de la cola del cometa mediante la acción de una ligera presión (Fig. 1). 250 años después, el físico inglés J. Maxwell calculó la presión de la luz sobre los cuerpos utilizando la teoría del campo electromagnético que desarrolló. Según los cálculos de Maxwell, resultó que si la energía luminosa $E cae perpendicularmente a una unidad de área con un coeficiente de reflexión $R$, entonces la luz ejerce una presión $p, que se expresa mediante la dependencia: $p=\frac(E) (c)( 1+R)$ N/m 2 - velocidad de la luz. Esta fórmula también se puede obtener considerando la luz como una corriente de fotones que interactúan con la superficie (Fig. 2).

Algunos científicos dudaron de los cálculos teóricos de Maxwell y durante mucho tiempo no fue posible verificar experimentalmente el resultado obtenido por él. En latitudes medias, al mediodía solar, se crea una presión igual a sólo $4,7⋅10^(−6)$ N/m 2 sobre una superficie que refleja todos los rayos de luz. Por primera vez, la presión de la luz fue medida en 1899 por el físico ruso P. N. Lebedev. Colgó dos pares de alas de un hilo fino: la superficie de una de ellas estaba ennegrecida y la otra reflejada (Fig. 3). La luz se reflejaba casi por completo en la superficie del espejo y su presión sobre el ala del espejo era dos veces mayor ($R=1$) que sobre el ala ennegrecida ($R=0$). Se creó un momento de fuerza haciendo girar el dispositivo. Por el ángulo de rotación se podría juzgar la fuerza que actúa sobre las alas y, por tanto, medir la ligera presión.

La experiencia se complica por las fuerzas extrañas que surgen cuando se ilumina el dispositivo, que son miles de veces mayores que la presión de la luz si no se toman precauciones especiales. Una de estas fuerzas está relacionada con el efecto radiométrico. Este efecto se produce debido a la diferencia de temperatura entre los lados iluminados y oscuros del ala. El lado calentado por la luz refleja las moléculas de gas residual a un ritmo más rápido que el lado más frío y sin iluminación. Por lo tanto, las moléculas de gas transmiten un mayor impulso hacia el lado iluminado y las alas tienden a girar en la misma dirección que bajo la acción de una ligera presión: se produce un efecto falso. P. N. Lebedev redujo el efecto radiométrico al mínimo haciendo alas con una fina lámina que conduce bien el calor y colocándolas al vacío. Como resultado, disminuyeron tanto la diferencia en los momentos transmitidos por las moléculas individuales de las superficies negra y brillante (debido a la menor diferencia de temperatura entre ellas) como el número total de moléculas que inciden en la superficie (debido a la baja presión del gas).

Los estudios experimentales de Lebedev apoyaron la suposición de Kepler sobre la naturaleza de las colas de los cometas. A medida que el radio de una partícula disminuye, su atracción por el Sol disminuye en proporción al cubo y la presión de la luz disminuye en proporción al cuadrado del radio. Las partículas de pequeño tamaño experimentarán repulsión por parte del Sol, independientemente de la distancia $r$ de él, ya que la densidad de radiación y las fuerzas de atracción gravitacionales disminuyen según la misma ley $1/r^2.$ La presión de la luz limita el tamaño límite de estrellas que existen en el Universo. Con un aumento en la masa de una estrella, aumenta la atracción de sus capas hacia el centro. Por lo tanto, las capas estelares internas están fuertemente comprimidas y su temperatura aumenta a millones de grados. Naturalmente, esto aumenta significativamente la ligera presión hacia el exterior de las capas interiores. Las estrellas normales tienen un equilibrio entre las fuerzas gravitacionales que estabilizan la estrella y las fuerzas de presión ligera que tienden a destruirla. Para las estrellas de masa muy grande, tal equilibrio no se produce, son inestables y no deberían estar en el Universo. Las observaciones astronómicas han confirmado que las estrellas "más pesadas" tienen precisamente esa masa límite, que todavía permite la teoría, que tiene en cuenta el equilibrio entre la presión gravitacional y ligera dentro de las estrellas.

- presión que ejerce la luz sobre cuerpos y partículas reflectantes y absorbentes, así como sobre moléculas y átomos individuales; uno de luz de acción ponderomotriz relacionado con la transmisión impulso de campo electromagnético sustancia. Se planteó por primera vez la hipótesis de la existencia de una ligera presión. yo kepler (J. Kepler) en el siglo XVII. para explicar la desviación colas de cometa del sol. Se da la teoría de la presión ligera en el marco de la electrodinámica clásica. J. Maxwell (J.Maxwell) en 1873. En él, la presión de la luz está estrechamente relacionada con la dispersión y la absorción. onda electromagnética partículas de materia. Como parte de Teoría cuántica La presión ligera es el resultado de la transferencia de impulso. fotones del cuerpo.

En 1873, Maxwell, basándose en la naturaleza electromagnética de la luz, predijo que la luz debería ejercer presión sobre los obstáculos. Esta presión se debe a las fuerzas que actúan desde los componentes eléctricos y magnéticos del campo electromagnético de la onda sobre las cargas del cuerpo iluminado.

Deje que la luz incida sobre una placa conductora (metal). El componente eléctrico del campo ondulatorio actúa sobre los electrones libres con una fuerza.

F el \u003d q mi,

donde q es la carga del electrón. E es la intensidad del campo eléctrico de la onda.

Los electrones comienzan a moverse a una velocidad. V(fig.1) Desde la dirección mi en una onda cambia periódicamente al opuesto, luego los electrones cambian periódicamente la dirección de su movimiento al opuesto, es decir, realizar oscilaciones forzadas a lo largo de la dirección del campo eléctrico de la onda.

Figura 1 - El movimiento de los electrones.

Componente magnético EN El campo electromagnético de una onda de luz actúa con la fuerza de Lorentz.

F l \u003d q V B,

Cuya dirección, según la regla de la mano izquierda, coincide con la dirección de propagación de la luz. cuando direcciones mi Y B cambia a lo contrario, entonces la dirección de la velocidad del electrón también cambia y la dirección de la fuerza de Lorentz permanece sin cambios. La resultante de las fuerzas de Lorentz que actúan sobre los electrones libres en la capa superficial de una sustancia es la fuerza con la que la luz presiona sobre la superficie.

Figura 2

1- ala de espejo; 2 - aleta ennegrecida; 3 espejos; Escala de 4 para medir el ángulo de rotación; hilo de 5 vasos

La presión de la luz también se puede explicar sobre la base de cuántico Ideas sobre la luz. Como se indicó anteriormente, los fotones tienen impulso. Cuando los fotones chocan con la materia, algunos de ellos se reflejan y otros se absorben. Ambos procesos van acompañados de una transferencia de impulso de los fotones a la superficie iluminada. Según la segunda ley de Newton, un cambio en el impulso de un cuerpo significa que una fuerza de presión ligera actúa sobre el cuerpo. F. La relación entre el módulo de esta fuerza y el área de la superficie del cuerpo es igual a la presión de la luz sobre la superficie: P = F dando /S.

Lebedev confirmó experimentalmente la existencia de una ligera presión. El dispositivo creado por Lebedev era una balanza de torsión muy sensible. La parte móvil de la balanza era un marco ligero suspendido de un fino hilo de cuarzo con alas claras y oscuras de 0,01 mm de espesor. La luz ejercía diferente presión sobre las alas claras (reflectantes) y oscuras (absorbentes). Como resultado, actuó un par sobre el marco, que torció el hilo de suspensión. La ligera presión se determinó a partir del ángulo de torsión del hilo.

La cantidad de presión depende de la intensidad de la luz. A medida que aumenta la intensidad, aumenta el número de fotones que interactúan con la superficie del cuerpo y, en consecuencia, el impulso recibido por la superficie.
Los potentes rayos láser crean una presión que supera la presión atmosférica.

Con incidencia normal de la luz sobre la superficie de un cuerpo sólido, la presión de la luz está determinada por la fórmula pag = S(1 — R)/C, Dónde S — densidad de flujo de energía (intensidad de la luz), R- coeficiente de reflexión luz desde la superficie.

Experimentalmente, se investigó por primera vez la presión de la luz sobre los sólidos. P. N. Lebedev en 1899. Las principales dificultades en la detección experimental de la presión de la luz consistieron en aislarla del fondo. fuerzas radiométricas y convectivas , cuyo valor depende de la presión del gas que rodea el cuerpo y con insuficiente vacío puede exceder la presión de la luz en varios órdenes de magnitud. EN Los experimentos de Lebedev en un recipiente de vidrio al vacío (mm Hg), los balancines se colgaron de un fino hilo de plata balanzas de torsión con finas alas de disco adheridas a ellos, que fueron irradiadas. Las alas estaban hechas de varios metales y mica con superficies opuestas idénticas. Al irradiar sucesivamente las superficies anterior y posterior de alas de diferentes espesores, Lebedev logró nivelar el efecto residual de las fuerzas radiométricas y obtener una concordancia satisfactoria (con un error del %) con la teoría de Maxwell. En 1907-10, Lebedev llevó a cabo experimentos aún más sutiles para estudiar ligera presión sobre los gases y también obtuvo un buen acuerdo con la teoría.

La presión de la luz juega un papel importante en los fenómenos astronómicos y atómicos. En astrofísica, la presión de la luz, junto con la presión del gas, mantiene estables las estrellas contrarrestando las fuerzas de gravedad . La acción de una ligera presión explica algunas formas de colas de cometas. Los efectos atómicos incluyen los llamados. la salida de luz que experimenta un átomo excitado cuando se emite un fotón.

En medios condensados una ligera presión puede causar corriente portadora (ver Efecto luz-eléctrico).

Las características específicas de la presión ligera se encuentran en sistemas atómicos enrarecidos en dispersión resonante luz intensa, cuando la frecuencia de la radiación láser es igual a la frecuencia transición atómica . Al absorber un fotón, el átomo recibe un impulso en la dirección del rayo láser y pasa a estado excitado . Además, al emitir espontáneamente un fotón, el átomo adquiere impulso ( salida de luz) en una dirección arbitraria. Sobre adquisiciones posteriores y emisiones espontáneas Los fotones, los pulsos de salida de luz dirigidos arbitrariamente se cancelan mutuamente y, en última instancia, el átomo resonante recibe un impulso dirigido a lo largo del haz de luz. presión resonante de la luz . Fuerza F La presión resonante de la luz sobre un átomo se define como el momento transferido por una corriente de fotones con una densidad norte por unidad de tiempo: , donde — el impulso de un fotón, es la sección transversal de absorción fotón resonante, longitud de onda de la luz . A densidades de radiación relativamente bajas, la presión de la luz resonante es directamente proporcional a la intensidad de la luz. En altas densidades norte debido al final() vida útil del nivel excitado, la absorción se satura y saturación de la presión resonante de la luz (ver efecto de saturación ). En este caso, la presión de la luz es creada por fotones emitidos espontáneamente por átomos con una frecuencia promedio (el recíproco de la vida útil de un átomo excitado) en una dirección aleatoria determinada por diagrama de emisión atómica . La fuerza de la presión de la luz deja de depender de la intensidad, sino que está determinada por la velocidad de los actos de emisión espontánea: . Para valores típicos de c -1 y µm, la fuerza de presión ligera es eV/cm; cuando está saturada, la presión resonante de la luz puede crear una aceleración de los átomos de hasta 10 5
gramo (gramo — aceleración de la gravedad ). Fuerzas tan grandes permiten un control selectivo rayos atómicos , variando la frecuencia de la luz y afectando de manera diferente a grupos de átomos que difieren poco en las frecuencias de absorción resonante. En particular, es posible comprimir distribución maxwelliana en velocidades, eliminando átomos de alta velocidad del haz. La luz láser se dirige hacia el haz atómico, seleccionando al mismo tiempo la frecuencia y la forma del espectro de radiación de modo que los átomos más rápidos experimenten el efecto retardador más fuerte de la presión de la luz debido a su mayor desplazamiento Doppler frecuencia de resonancia. Otra posible aplicación de la presión resonante de la luz es la separación de gases: cuando se irradia un recipiente de dos cámaras lleno con una mezcla de dos gases, uno de los cuales está en resonancia con la radiación, los átomos resonantes bajo la acción de la presión de la luz se irradiarán. pasar a la cámara más lejana.

La presión resonante de la luz sobre los átomos colocados en un campo intenso tiene características peculiares. onda estacionaria . Desde un punto de vista cuántico, una onda estacionaria formada por contraflujos de fotones provoca sacudidas del átomo debido a la absorción de fotones y su emisión estimulada. La fuerza promedio que actúa sobre el átomo no es igual a cero debido a la falta de homogeneidad del campo en la longitud de onda. Desde el punto de vista clásico, la fuerza de presión de la luz se debe a la acción de un campo espacialmente no homogéneo sobre el campo inducido por ella. dipolo atómico . Esta fuerza es mínima en los nodos donde momento bipolar no es inducido, y en los antinodos, donde el gradiente de campo desaparece. La fuerza máxima de presión ligera es igual en orden de magnitud (los signos se refieren al movimiento en fase y antifase de los dipolos con el momento d respecto al campo con intensidad mi). Esta fuerza puede alcanzar valores gigantescos: para debyes, µm y V/cm, la fuerza es eV/cm.

El campo de una onda estacionaria estratifica un haz de átomos que pasa a través de un haz de luz, ya que los dipolos que oscilan en antifase se mueven a lo largo de diferentes trayectorias, como los átomos en el experimento de Stern-Gerlach. En los rayos láser, los átomos que se mueven a lo largo del haz se ven afectados por la fuerza radial de la presión de la luz, que se debe a la falta de homogeneidad radial de la densidad del campo luminoso.

Tanto de pie como onda viajera No sólo hay un movimiento determinista de los átomos, sino también su difusión en el espacio de fase debido a que los actos de absorción y emisión de fotones son procesos aleatorios puramente cuánticos. Coeficiente de difusión espacial para un átomo con masa. METRO en una onda viajera es igual a .

De manera similar a la presión resonante de la luz considerada, también la pueden experimentar cuasipartículas en sólidos: electrones, excitones, etc.

Bibliografía

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

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Una corriente de fotones (luz) que ejerce presión cuando golpea una superficie.

Flujo de fotones que inciden sobre una superficie absorbente:

Flujo de fotones que inciden sobre la superficie de un espejo:

Flujo de fotones incidentes en la superficie:

Significado físico de la presión ligera:

La luz es una corriente de fotones, entonces, según los principios de la mecánica clásica, cuando las partículas chocan contra un cuerpo, deben transferirle impulso, es decir, ejercer presión.

Instrumento, medida presión ligera, era un dinamómetro de torsión (equilibrio de torsión) muy sensible. Este dispositivo fue creado por Lebedev. Su parte móvil era un marco ligero suspendido de un fino hilo de kvarne con alas fijadas: discos ligeros y negros de hasta 0,01 mm de espesor. Las alas estaban hechas de lámina de metal. La estructura estaba suspendida dentro de un recipiente del que se evacuaba el aire. La luz, al caer sobre las alas, ejercía diferentes presiones sobre los discos luminosos y negros. Como resultado, actuó un par sobre el marco, que torció el hilo de suspensión. La ligera presión se determinó a partir del ángulo de torsión del hilo.

En la fórmula utilizamos:

La fuerza con la que empuja el fotón.

Superficie afectada por una ligera presión.

Momento de un fotón

El postulado principal de la teoría corpuscular de la radiación electromagnética es el siguiente: oh radiación electromagnética (y en particular la luz) - es una corriente hora tic ,llamado fotones . Los fotones se propagan en el vacío a una velocidad igual a Limitar la velocidad de propagación de la interacción. , Con= 3 10 8 m/s, masa y energía en reposo cualquier fotón cero , energía fotónica mi está relacionado con la frecuencia de la radiación electromagnética ν y la longitud de onda λ mediante la fórmula

(2.7.1)

Tenga en cuenta que la fórmula (2.7.1) vincula corpuscular característica de la radiación electromagnética, energía de fotones, s ola características: frecuencia y longitud de onda. Es un puente entre las teorías corpuscular y ondulatoria. La existencia de este puente es inevitable, ya que tanto el fotón como el onda electromagnética - es solo dos modelos del mismo objeto de la vida real –radiación electromagnética .

Cualquier partícula en movimiento ( corpúsculo) tiene impulso y, según la teoría de la relatividad, la energía de la partícula mi y su impulso pag vinculado por fórmula

(2.7.2)

Dónde – la energía en reposo de la partícula. Dado que la energía en reposo de un fotón es igual a cero, de (2.7.2) y (2.7.1) se derivan dos fórmulas muy importantes:

(2.7.3)

(2.7.4)

Pasemos ahora al fenómeno de la presión ligera.

La presión de la luz fue descubierta por el científico ruso P.N. Lébedev en 1901. En sus experimentos descubrió que la presión de la luz depende de la intensidad de la luz y de la reflectividad del cuerpo. En los experimentos se utilizó una ruleta con pétalos negros y espejados, colocada en un matraz al vacío (Fig. 2.10).

Arroz. 2.10