Квантовое объяснение давления света.

Оказывается, давление могут создавать не только твёрдые тела, жидкости и газы. Пáдая на поверхность тела, световое электромагнитное излучение также оказывает на неё давление.

Теория светового давления

Иоганн Кеплер

Впервые предположение о том, что давление света существует, было сделано немецким учёным Иоганном Кеплером в XVII веке. Изучая поведение комет, пролетающих вблизи Солнца, он обратил внимание на то, что хвост кометы всегда отклоняется в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер предположил, что каким-то образом это отклонение вызывается воздействием солнечных лучей.

Теоретически существование светового давления было предсказано в XIX веке британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом , создавшим электромагнитную теорию и утверждавшим, что свет - это также электромагнитные колебания, и он должен оказывать давление на препятствия.

Джеймс Клерк Максвелл

Свет - это электромагнитная волна. Она создаёт электрическое поле, под действием которого электроны в теле, встречающемся на её пути, совершают колебания. В теле возникает электрический ток, направленный вдоль напряжённости электрического поля. Со стороны магнитного поля на электроны действует сила Лоренца . Её направление совпадает с направлением распространения световой волны. Эта сила и есть сила светового давления .

По расчётам Максвелла, солнечный свет производит на чёрную пластину, расположенную на Земле, давление определённой величины (р = 4 ·10 -6 Н/м 2). А если вместо чёрной пластины взять светоотражающую, то световое давление будет в 2 раза больше.

Но это было всего лишь теоретическое предположение. Чтобы доказать его, нужно было подтвердить теорию практическим экспериментом, то есть измерить величину светового давления. Но так как его величина очень мала, то практически сделать это чрезвычайно сложно.

Пётр Николаевич Лебедев

На практике это осуществил русский физик-экспериментатор Пётр Николаевич Лебедев . Опыт, проведенный им в 1899 г., подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует.

Опыт Лебедева

Схематичное изображение эксперимента Лебедева

Для проведения своего опыта Лебедев создал специальный прибор, который представлял собой стеклянный сосуд. Внутрь сосуда помещался лёгкий стерженёк на тонкой стеклянной нити. По краям этого стерженька были прикреплены тонкие лёгкие крылышки из различных металлов и слюды. Из сосуда выкачивался воздух. С помощью специальных оптических систем, состоящих из источника света и зеркал, пучок света направлялся на крылышки, расположенные с одной стороны стерженька. Под воздействием светового давления стерженёк поворачивался, и нить закручивалась на какой-то угол. По величине этого угла и определяли величину светового давления.

Прибор Лебедева

Но этот эксперимент не давал точных результатов. При его проведении существовали свои сложности. Так как вакуумных насосов в те времена не существовало, пользовались обычными механическими. А с их помощью в сосуде невозможно было создать абсолютный вакуум. Даже после откачивания в нём оставалось некоторое количество воздуха. Крылышки и стенки сосуда нагревались неодинаково. Сторона, обращённая к световому лучу, нагревалась быстрее. И это вызывало движение молекул воздуха. Наверх поднимались потоки более нагретого воздуха. Так как абсолютно вертикально крылышки установить невозможно, то эти потоки создавали дополнительные крутящие моменты. Кроме того, сами крылышки нагревались неодинаково. Сторона, обращённая к источнику света, нагревалась сильнее. В результате оказывалось дополнительное воздействие на угол поворота нити.

Чтобы сделать эксперимент более точным, Лебедев взял сосуд очень большого объёма. Крылышко он сделал из двух пар очень тонких кружочков из платины. Причём толщина кружочков одной пары отличалась от толщины кружочков другой пары. По одну сторону стерженька кружочки были блестящими с обеих сторон, по другую - одну из сторон покрыли платиновой чернью. Пучки света направлялись на них то с одной, то с другой стороны, чтобы уравновесить силы, действующие на крылышки. В результате давление света на крылышки было измерено. Результаты опыта подтвердили теоретические предположения Максвелла о существовании светового давления. А его величина была почти такой же, как и предсказал Максвелл.

В 1907 - 1910 г.г. с помощью более точных экспериментов Лебедев измерил давление света на газы.

Свет, как любое электромагнитное излучение, обладает энергией Е .

Его импульс р = E v / c 2 ,

где v - скорость электромагнитного излучения,

c - скорость света.

Так как v = с , то р = E/с .

С появлением квантовой теории свет стали рассматривать как поток фотонов - элементарных частиц, квантов света. Ударяясь о тело, фотоны передают ему свой импульс, то есть оказывают давление.

Солнечный парус

Фридрих Артурович Цандер

Хоть величина светового давления очень мала, тем не менее, оно может принести пользу человеку.

Ещё в 1920 г. советский учёный и изобретатель Фридрих Артурович Цандер , один из создателей первой ракеты на жидком топливе, выдвинул идею полетов в космос с помощью солнечного паруса . Она была очень проста. Солнечный свет состоит из фотонов. А они создают давление, передавая свой импульс любой освещённой поверхности. Следовательно, для того чтобы привести в движение космический аппарат, можно использовать давление, создаваемое солнечным светом или лазером на зеркальной поверхности. Такой парус не нуждается в ракетном топливе, и время его действия не ограничено. А это позволит взять больше груза по сравнению с обычным космическим кораблём с реактивным двигателем.

Солнечный парус

Но пока что это только проекты по созданию звездолётов с солнечным парусом в качестве основного двигателя.

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества.

Пусть на поверхность площади S нормально к ней ежесекундно падает

N фотонов частоты v . Каждый фотон обладает импульсом hv/c . Если

р - коэффициент отражения поверхности, то pN фотонов отразится от поверхности, (1-р) N фотонов поглотится.

Каждый поглощенный квант света передаст поверхности импульс hv/c , а каждый отраженный - импульс [(hv/c) - (-hv/c)] = 2hv/c , так как при отражении направление импульса фотона изменяется на противоположное и импульс, передаваемый им частицам вещества, составляет 2hv/c . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, составит

Вычислим световое давление. Для этого (20.18) разделим на площе S «крылышка»: (20.19)

Если учесть, что hvN/S = Ee, то формула (20.19) примет вид

(20.20)

Выражения (20.17) и (20.20), выведенные в рамках электромагнитной и квантовой теорий, совпадают.

Экспериментально справедливость этих результатов была доказана опытами П.Н. Лебедева.

Давление естественного света очень мало. Если коэффициент поглощения поверхности близок к единице, то давление, оказываемое солнечными лучами на такие поверхности, находящиеся на Земле, составляет примерно

5 10 Па (т. е. 3,7 10 мм рт. ст.) . Это давление на десять порядков меньше атмосферного давления у поверхности Земли.

Измерить столь малое давление П. Н. Лебедев смог лишь проявив исключительную изобретательность и мастерство в постановке и проведении эксперимента.

Световое давление не играет никакой роли в явлениях, с которыми мы сталкиваемся в жизни. Но в космических и микроскопических системах его роль существенна.

В микромире давление света проявляется в световой отдаче, которую испытывает возбужденный атом при излучении им света. Гравитационное притяжение внешних слоев звездного вещества к ее центру уравновешивается силой, значительный вклад в которую вносит давление света, идущего из глубины звезды наружу.

Химическое действие света

В результате действия света в некоторых веществах происходят химические превращения - фотохимические реакции . Фотохимические превращения весьма разнообразны. Под действием света сложные молекулы могут разлагаться на составные части (например, бромистое серебро - на серебро и бром) или. наоборот, образовываться сложные молекулы (например, если осветить смесь хлора и водорода, то реакция образования хлористого водорода протекает настолько бурно, что сопровождается взрывом).

Многие из фотохимических реакций играют большую роль в природе и технике. Главная из них - фотохимическое разложение углекислоты , происходящее под действием света в зеленых частях растений. Эта реакция имеет огромное значение, ибо она обеспечивает круговорот углерода, без которого невозможно длительное существование органической жизни на Земле. В результате жизнедеятельности животных и растений (дыхание) идет непрерывный процесс окисления углерода (образование СО2 ). Обратный процесс восстановления углерода происходит под влиянием света в зеленых частях растений. Эта реакция протекает по схеме 2СО2 2СО + О2

Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра лежит в основе фотографии и всех ее научных и технических применений, явление выцветания красок, сводящееся главным образом к фотохимическому окислению этих красок, имеет очень большое значение для понимания процессов, происходящих в глазе человека и животного и лежащих в основе зрительного восприятия. Очень многие фотохимические реакции в наше время используются в химическом производстве и приобретают, таким образом, непосредственное промышленное значение.

Сегодня посвятим разговор такому явлению, как давление света. Рассмотрим предпосылки открытия и следствия для науки.

Свет и цвет

Загадка человеческих способностей волновала людей с древних времен. Как видит глаз? Почему существуют цвета? В чем причина того, что мир такой, каким мы его ощущаем? Насколько далеко способен видеть человек? Опыты с разложением солнечного луча в спектр производил еще Ньютон в 17 веке. Он же заложил строгую математическую основу в ряд разрозненных фактов, которые на тот момент были известны о свете. И ньютоновская теория предсказала немало: например, открытия, которые объяснила только квантовая физика (отклонение света в поле тяготения). Но точную природу света физика того времени не знала и не понимала.

Волна или частица

С тех пор как ученые всего мира стали проникать в суть света, велся спор: что такое излучение, волна или частица (корпускула)? Одни факты (преломление, отражение и поляризация) подтверждали первую теорию. Другие (прямолинейное распространение в отсутствии препятствий, давление света) - вторую. Однако только квантовая физика смогла утихомирить этот спор, объединив две версии в одну общую. утверждает, что любая микрочастица, в том числе фотон, обладает как свойствами волны, так и частицы. То есть квант света имеет такие характеристики, как частота, амплитуда и длина волны, а также импульс и масса. Сразу оговоримся: у фотонов масса покоя отсутствует. Будучи квантом электромагнитного поля, они несут энергию и массу только в процессе движения. Такова сущность понятия «свет». Физика в наши дни объяснила его достаточно подробно.

Длина волны и энергия

Чуть выше упоминалось понятие «энергия волны». Эйнштейн убедительно доказал, что энергия и масса - идентичные понятия. Если фотон несет энергию, он должен обладать массой. Однако квант света - частица «хитрая»: когда фотон сталкивается с препятствием, он полностью отдает свою энергию веществу, становится им и теряет свою индивидуальную сущность. При этом определенные обстоятельства (сильное нагревание, например) могут заставить до того темные и спокойные недра металлов и газов излучать свет. Импульс фотона, непосредственное следствие наличия массы, можно определить с помощью давления света. исследователя из России, убедительно доказали этот удивительный факт.

Опыт Лебедева

Российский ученый Петр Николаевич Лебедев в 1899 году произвел следующий опыт. На тонкой серебряной нити он подвесил перекладину. К концам перекладины ученый прикрепил две пластины одинакового вещества. Это были и серебряная фольга, и золото, и даже слюда. Таким образом были созданы своеобразные весы. Только они измеряли вес не груза, который давит сверху, а груза, который давит сбоку на каждую из пластин. Всю эту конструкцию Лебедев поместил под стеклянную крышку, чтобы ветер и случайные колебания плотности воздуха не могли на нее повлиять. Далее, хотелось бы написать, что под крышкой он создал вакуум. Но в то время даже среднего вакуума добиться было невозможно. Так что мы скажем, что он создал под стеклянной крышкой сильно И попеременно освещал одну пластину, оставляя другую в тени. Количество света, направленного на поверхности, было задано заранее. По углу отклонения Лебедев определил, какой импульс передал свет пластинкам.

Формулы для определения давления электромагнитного излучения при нормальном падении пучка

Поясним для начала, что такое «нормальное падение»? Свет падает на поверхность нормально, если он направлен строго перпендикулярно поверхности. Это накладывает ограничения на задачу: поверхность должна быть идеально гладкой, а пучок излучения направлен очень точно. В этом случае вычисляется давление :

k - коэффициент пропускания, ρ - коэффициент отражения, I - интенсивность падающего пучка света, c - скорость света в вакууме.

Но, наверное, читатель уже догадался, что такого идеального сочетания факторов не существует. Даже если не принимать в расчет идеальность поверхности, падение света строго перпендикулярно организовать довольно сложно.

Формулы для определения давления электромагнитного излучения при его падении под углом

Давление света на зеркальную поверхность под углом рассчитывается по другой формуле, которая уже содержит элементы векторов:

p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ

Величины p, i, i’ - это векторы. При этом k и ρ, как и в предыдущей формуле, - коэффициенты пропускания и отражения соответственно. Новые величины обозначают следующее:

• ω - объемная плотность энергии излучения;
• i и i’ - единичные векторы, которые показывают направление падающего и отраженного пучка света (они задают направления, по которым следует складывать действующие силы);
• ϴ - угол к нормали, под которым падает луч света (и соответственно, отражается, так как поверхность зеркальная).

Напомним читателю, что нормаль перпендикулярна к поверхности, так что если в задаче дается угол падения света к поверхности, то ϴ - это 90 градусов минус заданная величина.

Применение явления давления электромагнитного излучения

Школьнику, который изучает физику, многие формулы, понятия и явления кажутся скучными. Потому что, как правило, учитель рассказывает теоретические аспекты, но редко может привести примеры пользы тех или иных феноменов. Не будем винить в этом школьных наставников: они сильно ограничены программой, за время урока надо рассказать обширный материал и еще успеть проверить знания учеников.

Тем не менее у объекта нашего исследования много интересных приложений:

1. Сейчас почти каждый школьник в лаборатории своего учебного заведения может повторить опыт Лебедева. Но тогда совпадение экспериментальных данных с теоретическими выкладками было настоящим прорывом. Сделанный впервые с 20-процентной погрешностью опыт позволил ученым всего мира развивать новый раздел физики - квантовую оптику.
2. Получение протонов с высокой энергией (например, для облучения разных веществ) путем ускорения тонких пленок лазерным импульсом.
3. Учет давления электромагнитного излучения Солнца на поверхность околоземных объектов, в том числе спутников и космических станций, позволяет корректировать их орбиту с большей точностью и не дает этим устройствам падать на Землю.

Приведенные выше применения существуют сейчас в реальном мире. Но есть и потенциальные возможности, которые еще не реализованы, потому что техника человечества пока не достигла нужного уровня. Среди них:

1. С его помощью можно было бы передвигать в околоземном и даже околосолнечном пространстве достаточно большие грузы. Свет дает небольшой импульс, но при нужном положении поверхности паруса ускорение было бы постоянным. При отсутствии трения его достаточно для набора скорости и доставки грузов в нужную точку Солнечной системы.
2. Фотонный двигатель. Эта технология, возможно, позволит человеку преодолеть притяжение родной звезды и полететь к другим мирам. Отличие от солнечного паруса в том, что генерировать солнечные импульсы будет искусственно созданное устройство, например, термоядерный двигатель.

Ниже размещены условия задач и отсканированные решения. Если вам нужно решить задачу на эту тему, вы можете найти здесь похожее условие и решить свою по аналогии. Загрузка страницы может занять некоторое время в связи с большим количеством рисунков. Если Вам понадобится решение задач или онлайн помощь по физике- обращайтесь, будем рады помочь.

Физическое явление - давление света на поверхность - можно рассматривать с двух позиций - корпускулярной и волновой теорий света. Согласно корпускулярной(квантовой) теории света, фотон является частицей и имеет импульс, который при попадании фотона на поверхность полностью или частично передается поверхности. Согласно волновой теории, свет является электромагнитной волной, которая при прохождении через материал оказывает действие на заряженные частицы(сила Лоренца), чем и объясняется давление света в этой теории.

Свет длиной волны 620 нм падает нормально на зачерненную поверхность и оказывает давление 0,1 мкПа. Какое количество фотонов падает на поверхность площадью 5 см 2 за время 10с?

Свет падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает на нее давление 40 мкПа. Какова энергетическая освещенность поверхности?

Свет длиной волны 600 нм падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает давление 4 мкПа. Какое количество фотонов попадает на поверхность площадью 1 мм 2 за время 10с?

Свет с длиной волны 590 нм падает на зеркальную поверхность под углом 60 градусов. Плотность светового потока 1 кВт/м2. Определить давление света на поверхность.

Источник находится на расстоянии 10 см от поверхности. Давление света на поверхности равно 1 мПа. Найти мощность источника.

Световой поток мощностью 0,8 Вт падает нормально на зеркальную поверхность площадью 6 см2. Найти давление и силу давления света.

Световой поток мощностью 0,9 Вт падает нормально на зеркальную поверхность. Найти силу давления света на эту поверхность.

Свет падает нормально на поверхность с коэффициентом отражения 0,8. Давление света, оказываемое на эту поверхность, равно 5,4 мкПа. Какую энергию принесут падающие на поверхность площадью 1 м2 фотоны за время 1с?

Найти давление света, оказываемое на зачерненную поверхность колбы лампы накаливания изнутри. Колбу считать сферой радиуса 10см, спираль лампы принять точечным источником света мощностью 1 кВт.

Световой поток мощностью 120 Вт/м2 падает нормально на поверхность и оказывает давление 0,5 мкПа. Найти коэффициент отражения поверхности.

Световой падает нормально на идеально отражающую поверхность площади 5 см2.За время 3 мин энергия упавшего света 9 Дж. Найти давление света.

На зеркальную поверхность площадью 4,5 см2 падает свет. Энергетическая освещенность поверхности 20 Вт/см2. Какой импульс передадут фотоны поверхности за время 5с?

Свет падает нормально на зачерненную поверхность и за время 10 мин приносит энергию 20 Дж. Площадь поверхности 3 см2. Найти энергетическую освещенность поверхности и давление света.

Свет с мощностью потока 0,1 Вт/см2 падает на зеркальную поверхность под углом падения 30 градусов. Определить давление света на поверхность.

Поток фотонов (свет), который при соударении с поверхностью оказывает давление.

Поток фотонов, падающие на поглощающую поверхность :

Поток фотонов, падающие на зеркальную поверхность :

Поток фотонов, падающие на поверхность :

Физический смысл Давления света:

Свет - это поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами - оказывать давление

Прибор, измерения давления света , представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Создал данный прибор Лебедев. Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками - светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги. Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух. Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити и определяли давление света.

В Формуле мы использовали:

Сила, с которой давит фотон

Площадь поверхности, на которую происходит давление света

Импульс одного фотона

Постоянная Планка