Головна » Краса » Тиск світла. Квантове та хвильове пояснення тиску світла. Світловий тиск Пояснення явища світлового тиску

Тиск світла. Квантове та хвильове пояснення тиску світла. Світловий тиск Пояснення явища світлового тиску

Виявляється, тиск можуть створювати не лише тверді тіла, рідини та гази. Падаючи на поверхню тіла, світлове електромагнітне випромінювання також чинить на неї тиск.

Теорія світлового тиску

Йоганн Кеплер

Вперше припущення, що тиск світла існує, було зроблено німецьким вченим Йоганном Кеплерому XVII столітті. Вивчаючи поведінку комет, що пролітають поблизу Сонця, він звернув увагу, що хвіст комети завжди відхиляється у бік, протилежну Сонцю. Кеплер припустив, що якимось чином це відхилення спричиняється впливом сонячних променів.

Теоретично існування світлового тиску було передбачено у XIX столітті британським фізиком Джеймсом Клерком Максвеллом, Які створили електромагнітну теорію і стверджували, що світло - це також електромагнітні коливання, і він повинен чинити тиск на перешкоди.

Джеймс Клерк Максвелл

Світло – це електромагнітна хвиля. Вона створює електричне поле, під дією якого електрони в тілі, що зустрічається на її шляху, чинять коливання. У тілі виникає електричний струм, спрямований уздовж напруженості електричного поля. З боку магнітного поля на електрони діє сила Лоренца. Її напрямок збігається з напрямом поширення світлової хвилі. Ця сила і є сила світлового тиску .

За розрахунками Максвелла, сонячне світло виробляє чорну пластину, розташовану Землі, тиск певної величини (р = 4 ·10 -6 Н/м 2 ). А якщо замість чорної пластини взяти світловідбивну, то світловий тиск буде в 2 рази більшим.

Але це було лише теоретичне припущення. Щоб довести його, потрібно було підтвердити теорію практичним експериментом, тобто виміряти величину світлового тиску. Але оскільки його величина дуже мала, то практично зробити це надзвичайно складно.

Петро Миколайович Лебедєв

На практиці це здійснив російський фізик-експериментатор Петро Миколайович Лебедєв. Досвід, проведений ним 1899 р., підтвердив припущення Максвелла у тому, що світлове тиск на тверді тіла існує.

Досвід Лебедєва

Схематичне зображення експерименту Лебедєва

Для проведення свого досвіду Лебедєв створив спеціальний прилад, який був скляною посудиною. Всередину судини містився легкий стрижень на тонкій скляній нитці. По краях цього стрижка були прикріплені тонкі легкі крильця з різних металів та слюди. З судини викачувалося повітря. За допомогою спеціальних оптичних систем, що складаються з джерела світла та дзеркал, пучок світла прямував на крильця, розташовані з одного боку стриженька. Під впливом світлового тиску стрижень повертався, і нитка закручувалась на якийсь кут. За величиною цього кута визначали величину світлового тиску.

Прилад Лебедєва

Але цей експеримент не давав точних результатів. У його проведенні існували свої труднощі. Оскільки вакуумних насосів на той час не існувало, користувалися звичайними механічними. А з їхньою допомогою в посудині неможливо було створити абсолютний вакуум. Навіть після відкачування в ньому залишалося кілька повітря. Крильця та стінки судини нагрівалися неоднаково. Сторона, звернена до світлового променя, нагрівалася швидше. І це викликало рух молекул повітря. Нагору здіймалися потоки більш нагрітого повітря. Так як абсолютно вертикально крильця встановити неможливо, то ці потоки створювали додаткові моменти, що крутять. Крім того, самі крильця нагрівалися неоднаково. Сторона, звернена до джерела світла, сильніше нагрівалася. В результаті надавалася додаткова дія на кут повороту нитки.

Щоб зробити експеримент точнішим, Лебедєв взяв посуд дуже великого обсягу. Крильце він зробив із двох пар дуже тонких кружальців із платини. Причому товщина кружечків однієї пари відрізнялася від товщини кружечків іншої пари. По один бік стриженька кружечки були блискучими з обох боків, по другий - одну зі сторін покрили платиновим чернем. Пучки світла прямували на них то з одного, то з іншого боку, щоб урівноважити сили, що діють на крильця. В результаті тиск світла на крильця було виміряно. Результати досвіду підтвердили теоретичні припущення Максвелла про світловий тиск. А його величина була майже такою самою, як і передбачив Максвелл.

У 1907 – 1910 р.р. за допомогою точніших експериментів Лебедєв виміряв тиск світла на гази.

Світло, як будь-яке електромагнітне випромінювання, має енергію Е .

Його імпульс р = E v / з 2 ,

де v - швидкість електромагнітного випромінювання,

c - швидкість світла.

Так як v = з , то р = E/с .

З появою квантової теорії світло почали розглядати як потік фотонів – елементарних частинок, квантів світла. Вдаряючись об тіло, фотони передають йому свій імпульс, тобто чинять тиск.

Сонячне вітрило

Фрідріх Артурович Цандер

Хоча величина світлового тиску дуже мала, проте, він може принести користь людині.

Ще 1920 р. радянський вчений та винахідник Фрідріх Артурович Цандер, один із творців першої ракети на рідкому паливі, висунув ідею польотів у космос за допомогою сонячного вітрила . Вона була дуже простою. Сонячне світло складається з фотонів. А вони створюють тиск, передаючи свій імпульс будь-якій освітленій поверхні. Отже, для того, щоб привести в рух космічний апарат, можна використовувати тиск, що створюється сонячним світлом або лазером на дзеркальній поверхні. Таке вітрило не потребує ракетного палива, і час його дії не обмежений. А це дозволить взяти більше вантажу порівняно із звичайним космічним кораблем із реактивним двигуном.

Сонячне вітрило

Але поки що це лише проекти зі створення зорельотів із сонячним вітрилом як основний двигун.

Світло не тільки поглинається та відбивається речовиною, а й створює тиск на поверхню тіла. Ще 1604 р. німецький астроном І. Кеплер пояснював форму хвоста комети дією світлового тиску (рис. 1). Англійський фізик Дж. Максвелл через 250 років обчислив світловий тиск на тіла, використавши розроблену ним теорію електромагнітного поля. За розрахунками Максвелла виходило, що й за $1$ з перпендикулярно одиничному майданчику з коефіцієнтом відображення $R$ падає світлова енергія $E,$ світло надає тиск $p,$ що виражається залежністю: $p=\frac(E)(c)( 1+R)$ Н/м 2 - швидкість світла. Цю формулу можна отримати також, розглядаючи світло як потік фотонів, що взаємодіють із поверхнею (рис. 2).

Деякі вчені сумнівалися в теоретичних розрахунках Максвелла, а досвідченим шляхом перевірити отриманий результат довго не вдавалося. У середніх широтах сонячного полудня на поверхні, що відбиває повністю світлові промені, створюється тиск, що дорівнює всього $4,7⋅10^(−6)$ Н/м 2 . Вперше світлове тиск 1899 р. виміряв російський фізик П. М. Лебедєв. Він підвісив на тонкій нитці дві пари крилець: поверхня в однієї з них була зачорненою, а в іншої - дзеркальною (рис. 3). Світло практично повністю відбивалося від дзеркальної поверхні, і його тиск на дзеркальне крильце було вдвічі більшим ($ R = 1 $), ніж на зачорнене ( $ R = 0 $). Створювався момент сил, що повертає пристрій. По кутку повороту можна було судити про силу, що діяла на крильця, а отже, виміряти світловий тиск.

Досвід ускладнюють сторонні сили, що виникають при освітленні пристрою, які за величиною перевищують у тисячі разів тиск світла, якщо не прийняти особливих пересторог. Одна з таких сил пов'язана із радіометричним ефектом. Цей ефект виникає завдяки різниці температур освітленої та темної сторін крильця. Нагріта світлом сторона відбиває молекули залишкового газу з більшою швидкістю, ніж холодніша, неосвітлена сторона. Тому молекули газу передають освітленій стороні більший імпульс і крильця прагнуть повернутися в тому ж напрямку, що й під дією світлового тиску, - виникає хибний ефект. Радіометрична дія П. Н. Лебедєв звів до мінімуму, виготовивши крильця з тонкої фольги, що добре проводить тепло, і помістивши їх у вакуумі. В результаті зменшилися і різниця в імпульсах, що передається окремими молекулами чорної та блискучої поверхонь (завдяки меншому перепаду температур між ними), і загальна кількість молекул, що падають на поверхні (завдяки малому тиску газу).

Експериментальні дослідження Лебедєва підкріпили припущення Кеплера про природу кометних хвостів. Зі зменшенням радіуса частки тяжіння її Сонцем зменшується пропорційно кубу, а світловий тиск - пропорційно квадрату радіусу. Частинки малого розміру будуть відчувати відштовхування від Сонця незалежно від відстані $r$ від нього, оскільки щільність випромінювання та гравітаційні сили тяжіння зменшуються за однаковим законом $1/r^2.$ Світловий тиск обмежує граничний розмір зірок, що існують у Всесвіті. Зі збільшенням маси зірки зростає тяжіння її верств до центру. Тому внутрішні зоряні шари сильно стискаються, і їхня температура зростає до мільйонів градусів. Природно, що при цьому значно збільшується направлений назовні світловий тиск внутрішніх шарів. У нормальних зірок виникає рівновага між гравітаційними силами, що стабілізують зірку, і силами світлового тиску, які прагнуть її зруйнувати. Для зірок дуже великої маси такої рівноваги не настає, вони нестійкі, і їх має бути у Всесвіті. Астрономічні спостереження підтвердили: «найважчі» зірки мають саме ту граничну масу, яку ще допускає теорія, яка враховує рівновагу гравітаційного і світлового тиску всередині зірок.

- 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.

Допис від адміністратора:

Хлопці! Хто давно хотів вивчити англійську?
Переходьте і отримайте два безкоштовні урокиу школі англійської мови SkyEng!
Займаюся там сам – дуже круто. Прогрес очевидний.

У додатку можна вивчати слова, тренувати аудіювання та вимову.

Спробуйте. Два уроки безкоштовно за моїм посиланням!
Тисніть

Потік фотонів (світло), який при зіткненні з поверхнею чинить тиск.

Потік фотонів, що падають на поверхню, що поглинає :

Потік фотонів, що падають на дзеркальну поверхню:

Потік фотонів, що падають на поверхню:

Фізичний сенс Тиску світла:

Світло - це потік фотонів, то, згідно з принципами класичної механіки, частки при ударі об тіло повинні передавати йому імпульс, іншими словами - чинити тиск

Прилад, виміри тиску світла, був дуже чутливий крутильний динамометр (крутильні ваги). Створив цей прилад Лебедєв. Його рухомою частиною була підвішена на тонкій кварневій нитці легка рамка із укріпленими на ній крильцями – світлими та чорними дисками завтовшки до 0,01 мм. Крильця робили з металевої фольги. Рамка була підвішена всередині судини, з якої відкачали повітря. Світло, падаючи на крильця, чинило на світлі та чорні диски різний тиск. В результаті на рамку діяв крутний момент, який закручував нитку підвісу. По кутку закручування нитки та визначали тиск світла.

У Формулі ми використали:

Сила, з якою тисне фотон

Площа поверхні, на яку відбувається тиск світла

Імпульс одного фотона

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