Kodu » ilu » Kerge surve. Valgusrõhu kvant- ja laineseletus. Valgusrõhk Valgusrõhu nähtuse seletus

Kerge surve. Valgusrõhu kvant- ja laineseletus. Valgusrõhk Valgusrõhu nähtuse seletus

Selgub, et rõhku ei saa tekitada ainult tahked ained, vedelikud ja gaasid. Keha pinnale langedes avaldab sellele survet ka kerge elektromagnetkiirgus.

Valgusrõhu teooria

Johannes Kepler

Esimest korda tehti eeldus, et on olemas kerge rõhk Saksa teadlane Johannes Kepler 17. sajandil. Päikese lähedal lendavate komeetide käitumist uurides märkas ta, et komeedi saba kaldub alati Päikesele vastassuunas. Kepler teoretiseeris, et millegipärast põhjustas selle kõrvalekalde päikesevalgus.

Kerge rõhu teoreetilist olemasolu ennustati 19. sajandil Briti füüsik James Clerk Maxwell, kes lõi elektromagnetilise teooria ja väitis, et valgus on ka elektromagnetiline vibratsioon ja see peaks avaldama survet takistustele.

James Clerk Maxwell

Valgus on elektromagnetlaine. See loob elektrivälja, mille mõjul võnguvad tema teel kohatud kehas elektronid. Kehasse ilmub elektrivool, mis on suunatud piki elektrivälja tugevust. Magnetväli mõjutab elektrone Lorentzi jõud. Selle suund langeb kokku valguslaine levimissuunaga. See jõud on kerge survejõud .

Maxwelli arvutuste kohaselt tekitab päikesevalgus Maa peal asuvale mustale plaadile teatud väärtusega rõhku (p = 4 · 10 -6 N/m 2). Ja kui võtate musta plaadi asemel peegeldava, on valguse rõhk 2 korda suurem.

Kuid see oli vaid teoreetiline oletus. Selle tõestamiseks oli vaja teooriat kinnitada praktilise katsega ehk mõõta valgusrõhu väärtust. Kuid kuna selle väärtus on väga väike, on seda praktikas äärmiselt raske teha.

Pjotr Nikolajevitš Lebedev

Praktikas seda tehti Vene eksperimentaalfüüsik Pjotr Nikolajevitš Lebedev. Tema 1899. aastal läbiviidud katse kinnitas Maxwelli oletust, et tahketel ainetel on kerge rõhk.

Lebedevi kogemus

Lebedevi katse skemaatiline esitus

Oma katse läbiviimiseks lõi Lebedev spetsiaalse seadme, milleks oli klaasnõu. Anuma sisse asetati õhukesel klaasniidil olev valgusvarras. Selle varda äärtele kinnitati erinevatest metallidest ja vilgukivist õhukesed kerged tiivad. Õhk pumbati laevast välja. Kasutades spetsiaalseid valgusallikast ja peeglitest koosnevaid optilisi süsteeme, suunati valguskiir varda ühel küljel asuvatele tiibadele. Kerge surve mõjul varras pöörles ja niit väändus teatud nurga all. Valgusrõhu suurus määrati selle nurga suuruse järgi.

Lebedevi seade

Kuid see katse ei andnud täpseid tulemusi. Selle elluviimisel olid omad raskused. Kuna tol ajal vaakumpumpasid ei eksisteerinud, kasutati tavalisi mehaanilisi pumpasid. Ja nende abiga oli võimatu tekitada anumas absoluutset vaakumit. Isegi pärast väljapumpamist jäi sinna veidi õhku. Laeva tiibu ja seinu kuumutati erinevalt. Valgusvihu poole jääv külg kuumenes kiiremini. Ja see põhjustas õhumolekulide liikumise. Soojema õhuvoolud tõusid ülespoole. Kuna tiibu pole võimalik absoluutselt vertikaalselt paigaldada, tekitasid need voolud täiendavaid pöördemomente. Lisaks ei kuumene tiivad ise võrdselt. Valgusallika poole jääv külg muutus kuumaks. Selle tulemusena tekkis täiendav mõju keerme pöördenurgale.

Katse täpsemaks muutmiseks võttis Lebedev väga suure anuma. Ta tegi tiiva kahest paarist väga õhukestest plaatinast ringidest. Pealegi erines ühe paari ringide paksus teise paari ringide paksusest. Varda ühel küljel olid ringid mõlemalt poolt läikivad, teisel pool oli kaetud plaatina nielloga. Neile suunati ühelt või teiselt poolt valgusvihud, et tasakaalustada tiibadele mõjuvaid jõude. Selle tulemusena mõõdeti kerget survet tiibadele. Katsetulemused kinnitasid Maxwelli teoreetilisi oletusi valgusrõhu olemasolu kohta. Ja selle suurusjärk oli peaaegu sama, mida Maxwell ennustas.

Aastatel 1907-1910 Täpsemaid katseid kasutades mõõtis Lebedev valguse rõhku gaasidele.

Valgusel, nagu igal elektromagnetkiirgusel, on energiat E .

Selle hoog p = E v / c 2 ,

Kus v - elektromagnetilise kiirguse kiirus,

c - valguse kiirus.

Sest v = Koos , See p = E/s .

Kvantteooria tulekuga hakati valgust käsitlema footonite voona – elementaarosakeste, valguskvantidena. Keha tabamisel kannavad footonid sellele oma impulsi ehk avaldavad survet.

Päikese puri

Friedrich Arturovitš Zander

Kuigi kerge surve hulk on väga väike, võib see siiski inimesele kasulik olla.

Tagasi aastal 1920 Nõukogude teadlane ja leiutaja Friedrich Arturovitš Zander, üks esimese vedelkütuse raketi loojatest, esitas idee lennata kosmosesse, kasutades päikesepuri . Ta oli väga lihtne. Päikesevalgus koosneb footonitest. Ja nad tekitavad survet, kandes oma impulsi üle mis tahes valgustatud pinnale. Seetõttu saab kosmoselaeva edasiliikumiseks kasutada päikesevalguse või laseri peegelpinnale tekitatud rõhku. Selline puri ei vaja raketikütust ja selle kestus on piiramatu. Ja see võimaldab vedada rohkem lasti võrreldes tavalise reaktiivmootoriga kosmoselaevaga.

Päikese puri

Kuid seni on need vaid projektid, mille eesmärk on luua tähelaevu, mille peamasinaks on päikesepuri.

Valgus mitte ainult ei neeldu ega peegeldu aines, vaid tekitab survet ka keha pinnale. Veel 1604. aastal selgitas Saksa astronoom J. Kepler komeedi saba kuju valguse surve mõjul (joonis 1). Inglise füüsik J. Maxwell arvutas 250 aastat hiljem välja valgusrõhu kehadele, kasutades enda välja töötatud elektromagnetvälja teooriat. Maxwelli arvutuste kohaselt selgus, et kui valgusenergia $E,$ langeb $1$ kohta risti peegeldusteguriga $R$ pindalaühikuga, siis avaldab valgus survet $p,$, mida väljendab sõltuvus: $p=\ frac(E)(c)( 1+R)$ N/m 2 - valguse kiirus. Selle valemi võib saada ka vaadeldes valgust pinnaga interakteeruvate footonite voona (joonis 2).

Mõned teadlased kahtlesid Maxwelli teoreetilistes arvutustes ja pikka aega ei olnud võimalik tema tulemust eksperimentaalselt kontrollida. Keskpäevastel laiuskraadidel päikese keskpäeval tekib pinnale, mis peegeldab täielikult valguskiiri, rõhk, mis on võrdne ainult $4,7⋅10^(−6)$ N/m 2 . Esimest korda mõõtis valgusrõhku 1899. aastal vene füüsik P. N. Lebedev. Ta riputas kaks paari tiibu peenikese niidi külge: neist ühe pind oli mustaks muutunud, teise aga peegelpilt (joonis 3). Valgus peegeldus peegli pinnalt peaaegu täielikult ja selle surve peeglitiivale oli kaks korda suurem ($R=1$) kui mustanahaletul ($R=0$). Tekkis jõumoment, mis seadet pööras. Pöörlemisnurga järgi saab hinnata tiibadele mõjuvat jõudu ja seega mõõta valguse rõhku.

Katse teevad keeruliseks seadme valgustamisel tekkivad kõrvalised jõud, mis on tuhandeid kordi suurem kui valguse rõhk, kui ei võeta kasutusele erilisi ettevaatusabinõusid. Üks neist jõududest on seotud radiomeetrilise efektiga. See efekt tekib tiiva valgustatud ja tumeda külje temperatuuride erinevuse tõttu. Valgusküttega pool peegeldab gaasijääkmolekule kiiremini kui jahedam, valgustamata pool. Seetõttu annavad gaasimolekulid valgustatud poolele edasi suurema impulsi ja tiivad kipuvad pöörduma samas suunas, mis valguse surve mõjul – tekib valeefekt. P. N. Lebedev viis radiomeetrilise efekti miinimumini, valmistades õhukesest hästi soojust juhtivast fooliumist tiivad ja asetades need vaakumisse. Selle tulemusena vähenes nii mustade ja läikivate pindade üksikute molekulide (nendevahelise väiksema temperatuurierinevuse tõttu) ülekantavate impulsside vahe kui ka pinnale langevate molekulide koguarv (madala gaasirõhu tõttu).

Lebedevi eksperimentaalsed uuringud toetasid Kepleri oletust komeedisabade olemuse kohta. Kui osakese raadius väheneb, väheneb tema külgetõmme Päikese poole proportsionaalselt kuubikuga ja valguse rõhk väheneb võrdeliselt raadiuse ruuduga. Väikesed osakesed tõrjuvad Päikeselt vastu olenemata kaugusest $r$, kuna kiirgustihedus ja gravitatsioonilised tõmbejõud vähenevad sama seaduse järgi $1/r^2.$ Valgusrõhk piirab Päikesel eksisteerivate tähtede maksimaalset suurust. Universum. Tähe massi suurenedes suureneb selle kihtide raskusjõud keskpunkti suunas. Seetõttu on tähtede sisemised kihid tugevalt kokku surutud ja nende temperatuur tõuseb miljonite kraadideni. Loomulikult suurendab see oluliselt sisemiste kihtide valguse survet väljapoole. Tavaliste tähtede puhul tekib tasakaal tähte stabiliseerivate gravitatsioonijõudude ja seda hävitama kipuvate valguse survejõudude vahel. Väga suure massiga tähtede puhul sellist tasakaalu ei esine, nad on ebastabiilsed ja neid ei tohiks universumis eksisteerida. Astronoomilised vaatlused on kinnitanud: “kõige raskematel” tähtedel on täpselt maksimaalne mass, mida lubab veel teooria, mis arvestab gravitatsiooni- ja valgusrõhu tasakaalu tähtede sees.

- rõhk, mida valgus avaldab peegeldavatele ja neelavatele kehadele, osakestele, samuti üksikutele molekulidele ja aatomitele; üks neist valguse ponderomotiveeriv toime edastamisega seotud elektromagnetvälja impulss aine. Esmalt väljendati hüpotees kerge rõhu olemasolu kohta I. Kepler (J.Kepler) 17. sajandil. kõrvalekalde selgitamiseks komeedi sabad päikese käest. Antakse valgusrõhu teooria klassikalise elektrodünaamika raames J. Maxwell (J. Maxwell) aastal 1873. Selles on valguse rõhk tihedalt seotud hajumise ja neeldumisega. elektromagnetlaine aineosakesed. Sees kvantteooria kerge rõhk on impulsi ülekande tulemus footonid kehasse.

1873. aastal ennustas Maxwell valguse elektromagnetilise olemuse ideedele tuginedes, et valgus peaks avaldama survet takistustele. Seda rõhku põhjustavad jõud, mis mõjuvad laine elektromagnetvälja elektri- ja magnetkomponentidest valgustatud keha laengutele.

Laske valgusel langeda juhtivale (metall)plaadile. Lainevälja elektriline komponent mõjub vabadele elektronidele jõuga

F el =q E,

kus q on elektronide laeng. E on laine elektrivälja tugevus.

Elektronid hakkavad kiirusega liikuma V(Joon.1) Alates suunast E laines muutub perioodiliselt vastupidiseks, siis elektronid muudavad perioodiliselt oma liikumise suunda vastupidiseks, s.t. sooritada sundvõnkumisi laine elektrivälja suunas.

Joonis 1 – Elektronide liikumine

Magnetiline komponent IN Valguslaine elektromagnetväli toimib Lorentzi jõuga

F l = q V B,

Mille suund vasaku käe reegli kohaselt langeb kokku valguse levimissuunaga. Kui juhised E Ja B muuta vastupidiseks, siis muutub ka elektroni kiiruse suund, kuid Lorentzi jõu suund jääb muutumatuks. Aine pinnakihis vabadele elektronidele mõjuvate Lorentzi jõudude resultant on jõud, millega valgus pinnale surub.

Joonis 2

1- peegli tiib; 2- mustaks muutunud tiib; 3-peegel; 4-skaala pöördenurga mõõtmiseks; 5 klaasniit

Kerge survet saab seletada ka alusel kvant ideid valguse kohta. Nagu eespool öeldud, on footonitel hoog. Kui footonid põrkuvad ainega, siis osa footonitest peegeldub ja osa neeldub. Mõlema protsessiga kaasneb impulsi ülekandumine footonitelt valgustatud pinnale. Newtoni teise seaduse järgi tähendab keha impulsi muutus seda, et kehale mõjub valguse survejõud. F anna. Selle jõu mooduli ja keha pindala suhe on võrdne pinnale avaldatava kerge rõhuga: P = F rõhk /S.

Kerge rõhu olemasolu kinnitas katseliselt Lebedev. Lebedevi loodud seade oli väga tundlik väändekaal. Kaalu liikuv osa oli hele raam, mille 0,01 mm paksused heledad ja tumedad tiivad riputati õhukesele kvartsniidile. Valgus avaldas erinevat survet heledatele (peegeldavatele) ja tumedatele (neelavatele) tiibadele. Selle tulemusena mõjus raamile pöördemoment, mis väänas vedrustuse keerme. Kerge rõhu määramiseks kasutati niidi keerdnurka.

Surve suurus sõltub valguse intensiivsusest. Intensiivsuse kasvades suureneb keha pinnaga interakteeruvate footonite arv ja sellest tulenevalt suureneb pinnale vastuvõetav impulss.
Võimsad laserkiired loovad atmosfäärirõhu ületava rõhu.

Tavalise valguse langemise korral tahke keha pinnale määratakse valguse rõhk valemiga lk = S(1 — R)/c, Kus S — energiavoo tihedus (valguse intensiivsus), R- peegelduskoefitsient valgust pinnalt.

Valguse rõhku tahketele ainetele uuriti eksperimentaalselt esimest korda P. N. Lebedev 1899. Peamised raskused valgusrõhu eksperimentaalsel tuvastamisel olid selle isoleerimine taustast radiomeetrilised ja konvektiivjõud , mille suurus sõltub keha ümbritseva gaasi rõhust ja ebapiisava korral vaakum võib valguse rõhku mitme suurusjärgu võrra ületada. IN Lebedevi katsed evakueeritud (mm Hg) klaasanumas riputati nookurid õhukesele hõbedasele niidile torsioonkaalud mille külge olid kinnitatud õhukesed ketastiivad, mida kiiritati. Tiivad valmistati erinevatest metallidest ja vilgukivi identsete vastaspindadega. Erineva paksusega tiibade esi- ja tagapindade järjestikuse kiiritamise teel õnnestus Lebedevil neutraliseerida radiomeetriliste jõudude jääkmõju ja saavutada rahuldav (veaga) nõustumine Maxwelli teooriaga. Aastatel 1907–1910 tegi Lebedev uurimiseks veelgi peenemaid katseid kerge surve gaasidele ja leidis ka teooriaga hea kooskõla.

Valgusrõhk mängib astronoomilistes ja aatominähtustes suurt rolli. Astrofüüsikas tagab valgusrõhk koos gaasirõhuga tähtede stabiilsuse, toimides vastu gravitatsioonijõud . Kerge rõhu toime selgitab mõningaid komeedisabade kujusid. Aatomiefektid hõlmavad nn. valgusväljund, mida kogeb ergastatud aatom footoni kiirgamisel.

Tihendatud keskkonnas kerge surve võib põhjustada kandja vool (vt Fotoelektriline efekt).

Valgusrõhu spetsiifilisi tunnuseid leidub haruldaste aatomisüsteemides, kui resonantshajumine intensiivne valgus, kui laserkiirguse sagedus on võrdne sagedusega aatomi üleminek . Neelates footoni, saab aatom impulsi laserkiire suunas ja läheb sisse põnevil olek . Järgmiseks, kiirgades spontaanselt footoni, omandab aatom hoo ( valgusefektiivsus) mis tahes suunas. Hilisemate omandamistega ja spontaansed heitmed footonid, suvaliselt suunatud valguse impulsid tühistavad üksteist ja lõpuks saab resonantsaatom impulsi, mis on suunatud piki valguskiirt valguse resonantsrõhk . Jõud F valguse resonantsrõhk aatomile on defineeritud kui impulss, mille edastab tihedusega footonivoo N ajaühiku kohta: , kus —ühe footoni impulss, - neeldumise ristlõige resonantsfooton, - valguse lainepikkus . Suhteliselt madala kiirgustiheduse korral on valguse resonantsrõhk otseselt võrdeline valguse intensiivsusega. Suure tiheduse korral N final() tõttu Ergastatud taseme eluea jooksul neeldumine küllastub ja valguse resonantsrõhu küllastumine (vt. Küllastusefekt ). Sel juhul tekitavad valguse rõhu aatomite poolt spontaanselt keskmise sagedusega (vastupidiselt ergastatud aatomi elueale) juhuslikus määratud suunas kiirgavad footonid. aatomiheite diagramm . Valgusrõhu tugevus ei sõltu enam intensiivsusest, vaid selle määrab spontaansete emissiooniaktide kiirus: . Tüüpiliste väärtuste c -1 ja μm korral on kerge survejõud eV/cm; küllastudes võib valguse resonantsrõhk tekitada aatomite kiirenduse kuni 10 5
g (g — gravitatsiooni kiirendus ). Sellised suured jõud võimaldavad selektiivset juhtimist aatomikiired , muutes valguse sagedust ja mõjutades erinevalt aatomirühmi, mille resonantsneeldumise sagedused erinevad vähe. Eelkõige on võimalik kokku suruda Maxwelli jaotus kiirusega, eemaldades kiirelt kiireid aatomeid. Laservalgus on suunatud aatomikiire poole, valides samal ajal kiirgusspektri sageduse ja kuju nii, et kiireimad aatomid kogevad valgusrõhu tugevaimat pidurdusefekti tänu oma suuremale rõhule. Doppleri nihe resonantssagedus. Valguse resonantsrõhu teine võimalik rakendus on gaaside eraldamine: kui kiiritatakse kahekambrilist anumat, mis on täidetud kahe gaasi seguga, millest üks on kiirgusega resonantsis, mõjuvad resonantsaatomid. kerge surve, liigub kaugemasse kambrisse.

Valguse resonantsrõhul intensiivsesse välja paigutatud aatomitele on omapärased tunnused. seisulaine . Kvanti vaatenurgast põhjustab footonite vastuvooludest moodustunud seisulaine aatomile lööke footonite neeldumise ja nende stimuleeritud emissiooni tõttu. Aatomile mõjuv keskmine jõud ei ole võrdne nulliga välja ebahomogeensuse tõttu lainepikkusel. Klassikalisest vaatenurgast on valguse rõhu jõud tingitud ruumiliselt ebahomogeense välja toimest indutseeritud aatomi dipool . See jõud on minimaalne sõlmedes, kus dipoolmoment ei indutseerita ja antisõlmedes, kus väljagradient muutub nulliks. Valguse rõhu maksimaalne jõud on suurusjärgus võrdne (märgid viitavad dipoolide sama- ja vastasfaasilisele liikumisele hetkega d välja suhtes intensiivsusega E). See jõud võib ulatuda hiiglaslike väärtusteni: debye, µm ja V/cm puhul on jõud eV/cm.

Seisulaine väli kihistab valguskiirt läbiva aatomikiire, kuna antifaasis võnkuvad dipoolid liiguvad mööda erinevaid trajektoore nagu Stern-Gerlachi eksperimendi aatomid. Laserkiirtes mõjuvad piki kiirt liikuvad aatomid valgusvälja tiheduse radiaalsest ebahomogeensusest põhjustatud radiaalse valguse survejõule.

Nii seistes kui ka sees rändlaine ei toimu mitte ainult aatomite deterministlik liikumine, vaid ka nende difusioon faasiruumis tingitud asjaolust, et footonite neeldumis- ja emissiooniaktid on puhtalt kvantjuhuslikud protsessid. Massiga aatomi ruumiline difusioonikoefitsient M rändlaines on võrdne .

Samuti võib kogeda valguse resonantsrõhku, mis on sarnane vaadeldavaga kvaasiosakesed tahketes ainetes: elektronid, eksitonid jne.

Bibliograafia

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

Sõnum administraatorilt:

Poisid! Kes on juba ammu tahtnud inglise keelt õppida?
Mine ja saada kaks tasuta õppetundi SkyEng inglise keele koolis!
Ma ise õpin seal - see on väga lahe. Edusamme on.

Rakenduses saate õppida sõnu, treenida kuulamist ja hääldust.

Proovi. Minu lingi abil kaks õppetundi tasuta!
Klõpsake

Footonite voog (valgus), mis pinnaga kokkupõrkel avaldab survet.

Neelavale pinnale langevate footonite voog:

Peegelpinnale langevate footonite voog:

Pinnale langevate footonite voog:

Valgusrõhu füüsiline tähendus:

Valgus on footonite voog, siis klassikalise mehaanika põhimõtete kohaselt peavad osakesed kehale pihta sattudes sellele hoogu üle kandma ehk teisisõnu survet avaldama.

Seade, mõõdud kerge surve, oli väga tundlik väändünamomeeter (torsioonskaala). Selle seadme lõi Lebedev. Selle liikuv osa oli õhukesele karjääriniidile riputatud kerge raam, millele olid kinnitatud tiivad – kuni 0,01 mm paksused heledad ja mustad kettad. Tiivad olid valmistatud metallfooliumist. Raam riputati anuma sees, millest õhk välja pumbati. Tiibadele langev valgus avaldas heledatele ja mustadele ketastele erinevat survet. Selle tulemusena mõjus raamile pöördemoment, mis väänas vedrustuse keerme. Kerge rõhu määramiseks kasutati niidi keerdnurka.

Valemis kasutasime:

Jõud, millega footon surub

Pinnaala, millele tekib kerge surve

Ühe footoni hoog

Elektromagnetilise kiirguse korpuskulaarse teooria põhipostulaat kõlab järgmiselt:: uh elektromagnetiline kiirgus (ja eriti valgus) – see on vool tund tissid ,helistas footonid . Footonid levivad vaakumis kiirusega, mis on võrdne interaktsiooni leviku maksimaalne kiirus , Koos= 3,10 8 m/s, massi- ja puhkeenergia mis tahes footon on võrdsed nulliga , footoni energia E on valemiga seotud elektromagnetkiirguse sagedusega ν ja lainepikkusega λ

(2.7.1)

Pange tähele: valem (2.7.1) on seotud korpuskulaarne elektromagnetkiirguse omadused, footonite energia, s Laine omadused - sagedus ja lainepikkus. See kujutab endast silda korpuskulaar- ja laineteooriate vahel. Selle silla olemasolu on vältimatu, kuna nii footon kui elektromagnetlaine - see on kõik kaks mudelit samast päriselus olevast objektist –elektromagnetiline kiirgus .

Iga liikuv osake ( kehake) omab hoogu ja relatiivsusteooria järgi osakeste energiat E ja tema hoog lk seotud valemiga

(2.7.2)

Kus – osakese puhkeenergia. Kuna footoni puhkeenergia on null, tuleneb (2.7.2) ja (2.7.1) kaks väga olulist valemit:

(2.7.3)

(2.7.4)

Pöördume nüüd kerge rõhu fenomeni juurde.

Kerge rõhu avastas vene teadlane P.N. Lebedev 1901. aastal. Oma katsetes tegi ta kindlaks, et valguse rõhk sõltub valguse intensiivsusest ja keha peegelduvusest. Katsetes kasutati mustade ja peegelkroonlehtedega ratast, mis asetati evakueeritud kolbi (joon. 2.10).

Riis. 2.10