Как определить световое давление…

Давление света. Химическое действие света — Класс!ная физика

Как определить световое давление...

Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия.

Под действием электрического поля волны, падающей на поверхность тела, например металла, свободный электрон движется в сторону, противоположную вектору .
На движущийся электрон действует сила Лоренца, направленная в сторону распространения волны.

Суммарная сила, действующая на электроны поверхности металла, и определяет силу светового давления.

Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало.

В яркий солнечный день на поверхности площадью 1 м2 действует сила, равная всего лишь 4 • 10-6 Н.

Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г.

Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки. Весь прибор помещался в сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька.

О значении давления можно было судить по углу закручивания нити.

Трудности точного измерения давления света были связаны с невозможностью выкачать из сосуда весь воздух (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов).

Кроме того, на закручивание нити влияет неодинаковый нагрев сторон крылышек. Сторона, обращенная к источнику света, нагревается сильнее, чем противоположная сторона.

Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.

Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, несмотря на низкий уровень тогдашней экспериментальной техники, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. В конце концов существование светового давления на твердые тела было доказано, и оно было измерено.

Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом.

Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину светового давления. Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс.

Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение.

Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие тем не менее может оказаться существенным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвинов давление электромагнитного излучения должно достигать громадных значений.

Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют значительную роль во внутризвездных процессах.

Давление света согласно электродинамике Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны.
С точки зрения квантовой теории давление появляется в результате передачи телу импульсов фотонов при их поглощении.

Химическое действие света

Отдельные молекулы поглощают световую энергию порциями — квантами hv. В случае видимого и ультрафиолетового излучений эта энергия достаточна для расщепления многих молекул.

В этом проявляется химическое действие света.

Любое превращение молекул есть химический процесс. Часто после расщепления молекул светом начинается целая цепочка химических превращений.

Выцветание тканей на солнце и образование загара — это примеры химического действия света.

Важнейшие химические реакции под действием света происходят в зеленых листьях деревьев и траве, в иглах хвои, во многих микроорганизмах.
В зеленом листе под действием Солнца осуществляются процессы, необходимые для жизни на Земле, они дают нам кислород для дыхания.

Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород.

Происходит это, как установил русский биолог К.А.Тимирязев, в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра.
Пристраивая к углеродной цепочке атомы других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молекулы белков, жиров и углеводов, все это происходит за счет энергии солнечных лучей.

Здесь особенно важна не только сама энергия, но и та форма, в которой она поступает.
Фотосинтез может протекать только под действием света определенного спектрального состава.

Механизм фотосинтеза еще не выяснен до конца.

Химическое действие света лежит в основе фотографии.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Кратко о световых квантах»
Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые кванты. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Фотоэффект — Теория фотоэффекта — Фотоны — Применение фотоэффекта — Давление света. Химическое действие света — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_66.html

ДАВЛЕ́НИЕ СВЕ́ТА

Как определить световое давление...

Авторы: С. Г. Пржибельский

ДАВЛЕ́НИЕ СВЕ́ТА, дав­ле­ние, ока­зы­вае­мое све­том на от­ра­жаю­щие и по­гло­щаю­щие те­ла, час­ти­цы, а так­же отд. мо­ле­ку­лы и ато­мы; од­но из пон­де­ро­мо­тор­ных дей­ст­вий све­та, свя­зан­ное с пе­ре­да­чей им­пуль­са элек­тро­маг­нит­но­го по­ля ве­щест­ву. Ги­по­те­за о су­ще­ст­во­ва­нии Д. с. бы­ла впер­вые вы­ска­за­на И.

 Ке­п­ле­ром в 17 в. для объ­яс­не­ния от­кло­не­ния хвос­тов ко­мет от Солн­ца. Тео­рия Д. с. в рам­ках клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки да­на Дж. К. Мак­свел­лом в 1873. В ней Д. c. объ­яс­ня­ет­ся рас­сея­ни­ем и по­гло­ще­ни­ем элек­тро­маг­нит­ной вол­ны час­ти­ца­ми ве­ще­ст­ва. В рам­ках кван­то­вой тео­рии Д. с.

 – ре­зуль­тат пе­ре­да­чи им­пуль­са фо­то­на­ми те­лу.

При нор­маль­ном па­де­нии све­та на по­верх­ность твёр­до­го те­ла Д. с. $p$ оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой: $p=S(1+R)/c$, где $S$ – плот­ность по­то­ка энер­гии (ин­тен­сив­ность све­та), $R$ – ко­эф. от­ра­же­ния све­та от по­верх­но­сти, $c$ – ско­рость све­та.

В обыч­ных ус­ло­ви­ях Д. с. ма­ло­за­мет­но. Да­же в мощ­ном ла­зер­ном лу­че (1 Вт/см2) Д. с. по­ряд­ка 10–4 г/см2. Ши­ро­кий по се­че­нию ла­зер­ный луч мож­но сфо­ку­си­ро­вать, и то­гда си­ла Д. с.

в фо­ку­се лу­ча мо­жет удер­жи­вать на ве­су мил­ли­грам­мо­вую час­тич­ку.

Экс­пе­ри­мен­таль­но Д. с. на твёр­дые те­ла бы­ло впер­вые ис­сле­до­ва­но П. H. Ле­бе­де­вым в 1899. Осн. труд­но­сти в экс­пе­рим. об­на­ру­же­нии Д. с. за­клю­ча­лись в вы­де­ле­нии его на фо­не ра­дио­мет­рич. и кон­век­тив­ных сил, ве­ли­чи­на ко­то­рых за­ви­сит от дав­ле­ния ок­ру­жаю­ще­го те­ло га­за и при не­дос­та­точ­ном ва­куу­ме мо­жет пре­вы­шать Д.

 с. на неск. по­ряд­ков. В опы­тах Ле­бе­де­ва в ва­куу­ми­ро­ван­ном (дав­ле­ние по­ряд­ка 10–4 мм рт. ст.) стек­лян­ном со­су­де на тон­кой се­реб­ря­ной ни­ти под­ве­ши­ва­лись ко­ро­мыс­ла кру­тиль­ных ве­сов с за­кре­п­лён­ны­ми на них тон­ки­ми дис­ка­ми-кры­лыш­ка­ми, ко­то­рые об­лу­ча­лись. Кры­лыш­ки из­го­тав­ли­ва­лись из разл.

ме­тал­лов и слю­ды с иден­тич­ны­ми про­ти­во­по­лож­ны­ми по­верх­но­стя­ми. По­сле­до­ва­тель­но об­лу­чая пе­ред­нюю и зад­нюю по­верх­но­сти кры­лы­шек разл. тол­щи­ны, Ле­бе­дев су­мел ни­ве­ли­ро­вать ос­та­точ­ное дей­ст­вие ра­дио­мет­рич. сил и по­лу­чить удов­ле­тво­ри­тель­ное (с ошиб­кой ± 20%) со­гла­сие с тео­ри­ей Мак­свел­ла.

В 1907–10 Ле­бе­дев ис­сле­до­вал Д. с. на га­зы.

Д. с. иг­ра­ет боль­шую роль в ас­тро­но­мич. и атом­ных яв­ле­ни­ях. Д. с. в звёз­дах на­ря­ду с дав­ле­ни­ем га­за обес­пе­чи­ва­ет их ста­биль­ность, про­ти­во­дей­ст­вуя си­лам гра­ви­та­ции. Дей­ст­ви­ем Д. с. объ­яс­ня­ют­ся не­ко­то­рые фор­мы ко­мет­ных хво­стов. При ис­пус­ка­нии фо­то­на ато­мами про­ис­хо­дит т. н.

све­то­вая от­да­ча и ато­мы по­лу­ча­ют им­пульс фо­то­на. В кон­ден­си­ров. сре­дах Д. с. мо­жет вы­зы­вать ток но­си­те­лей за­ря­да (см. Ув­ле­че­ние элек­тро­нов фо­то­на­ми). Дав­ле­ние сол­неч­но­го из­лу­че­ния пы­та­ют­ся ис­поль­зо­вать для соз­да­ния раз­но­вид­но­сти кос­мич. дви­жи­те­ля – т. н. сол­неч­но­го па­ру­са.

Спе­ци­фич. осо­бен­но­сти Д. с. об­на­ру­жи­ва­ют­ся в раз­ре­жен­ных атом­ных сис­те­мах при ре­зо­нанс­ном рас­сея­нии ин­тен­сив­но­го све­та, ко­гда час­то­та ла­зер­но­го из­лу­че­ния рав­на час­то­те атом­но­го пе­ре­хо­да.

По­гло­тив фо­тон, атом по­лу­ча­ет им­пульс в на­прав­ле­нии ла­зер­но­го пуч­ка и пе­ре­хо­дит в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние. Да­лее, спон­тан­но ис­пус­кая фо­тон, атом при­об­ре­та­ет им­пульс (све­то­вая от­да­ча) в про­из­воль­ном на­прав­ле­нии.

При по­сле­дую­щих по­гло­ще­ни­ях и спон­тан­ных ис­пус­ка­ни­ях фо­то­нов атом по­лу­ча­ет по­сто­ян­но им­пуль­сы, на­прав­лен­ные вдоль све­то­во­го лу­ча, что и соз­да­ёт дав­ле­ние све­та.

Си­ла $F$ ре­зо­нанс­но­го Д. с.

на атом оп­ре­де­ля­ет­ся как им­пульс, пе­ре­дан­ный по­то­ком фо­то­нов с плот­но­стью $N$ в еди­ни­цу вре­ме­ни: $F=N \hbar k \sigma$, где $\hbar k=2 \pi \hbar/\lambda$ – им­пульс од­но­го фо­то­на, $\sigma \approx \lambda2$ – се­че­ние по­гло­ще­ния ре­зо­нанс­но­го фо­то­на, $\lambda$  – дли­на вол­ны све­та, $k$  – вол­но­вое чис­ло, $\hbar$  – по­сто­ян­ная План­ка. При от­но­си­тель­но ма­лых плот­но­стях из­лу­че­ния ре­зо­нанс­ное Д. с. пря­мо про­пор­цио­наль­но ин­тен­сив­но­сти све­та. При боль­ших плот­но­стях по­то­ка фо­то­нов $N$ про­ис­хо­дит на­сы­ще­ние по­гло­ще­ния и на­сы­ще­ние ре­зо­нанс­но­го Д. с. (см. На­сы­ще­ния эф­фект). В этом слу­чае Д. с. соз­да­ют фо­то­ны, спон­тан­но ис­пус­кае­мые ато­ма­ми со ср. час­то­той $\gamma$ (об­рат­ной вре­ме­ни жиз­ни воз­бу­ж­дён­но­го ато­ма) в слу­чай­ном на­прав­ле­нии. Си­ла све­то­во­го дав­ле­ния пе­ре­ста­ёт за­ви­сеть от ин­тен­сив­но­сти, а оп­ре­де­ля­ет­ся ско­ро­стью спон­тан­ных ак­тов ис­пус­ка­ния: $F \approx \hbar k \gamma$. Для ти­пич­ных зна­че­ний $\gamma \approx 108 c{-1}$ и $\lambda \approx 0,6$ мкм си­ла Д. с. $F \approx 5 \cdot 10{-3}$ эВ/см; при на­сы­ще­нии резо­нанс­ное Д. с. мо­жет соз­да­вать ус­ко­ре­ние ато­мов до 105 $g$ ($g$ – ус­ко­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния). Столь боль­шие си­лы по­зво­ля­ют се­лек­тив­но управ­лять атом­ны­ми пуч­ка­ми, варь­и­руя час­то­ту све­та и по-раз­но­му воз­дей­ст­вуя на ато­мы с ма­ло­раз­ли­чаю­щи­ми­ся час­то­та­ми ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния. В ча­ст­но­сти, уда­ёт­ся сжи­мать мак­свел­лов­ское рас­пре­де­ле­ние по ско­ро­стям, уби­рая из пуч­ка вы­со­ко­ско­ро­ст­ные ато­мы. Свет ла­зе­ра на­прав­ля­ют на­встре­чу атом­но­му пуч­ку, под­би­рая при этом час­то­ту и фор­му спек­тра из­лу­че­ния так, что­бы Д. с. тор­мо­зи­ло бы­ст­рые ато­мы с боль­шим сме­ще­ни­ем ре­зо­нанс­ной час­то­ты (см. До­п­ле­ра эф­фект). Ре­зо­нанс­ное Д. с. мож­но ис­поль­зо­вать для раз­де­ле­ния га­зов: при об­лу­че­нии двух­ка­мер­но­го со­су­да, на­пол­нен­но­го сме­сью двух га­зов, ато­мы од­но­го из ко­то­рых на­хо­дят­ся в ре­зо­нан­се с из­лу­че­ни­ем, ре­зо­нанс­ные ато­мы под дей­ст­ви­ем Д. с. пе­рей­дут в даль­нюю ка­ме­ру.

Не­ко­то­рые осо­бен­но­сти име­ет ре­зо­нанс­ное Д. с. на ато­мы, по­ме­щён­ные в по­ле ин­тен­сив­ной стоя­чей вол­ны. С кван­то­вой точ­ки зре­ния стоя­чая вол­на, об­ра­зо­ван­ная встреч­ны­ми по­то­ка­ми фо­то­нов, вы­зы­ва­ет толч­ки ато­ма, обу­слов­лен­ные по­гло­ще­ни­ем фо­то­нов и их сти­му­ли­ро­ван­ным ис­пус­ка­ни­ем. Ср.

си­ла, дей­ст­вую­щая на атом, при этом не рав­на ну­лю вслед­ст­вие не­од­но­род­но­сти по­ля на дли­не вол­ны. С клас­сич. точ­ки зре­ния си­ла Д. с. обу­слов­ле­на дей­ст­ви­ем про­стран­ст­вен­но не­од­но­род­но­го по­ля на на­ве­дён­ный им атом­ный ди­поль.

Эта си­ла ми­ни­маль­на в уз­лах, где ди­поль­ный мо­мент не на­во­дит­ся, и в пуч­но­стях, где гра­ди­ент по­ля об­ра­ща­ет­ся в нуль. Макс. си­ла Д. с. по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны рав­на $F \approx \pm Ekd$ (зна­ки от­но­сят­ся к син­фаз­но­му и про­ти­во­фаз­но­му дви­же­нию ди­по­лей с мо­мен­том $d$ по от­но­ше­нию к по­лю с на­пря­жён­но­стью $E$).

Эта си­ла мо­жет дос­ти­гать ги­гант­ских зна­чений: для $d \approx 1$ де­бай, $\lambda \approx 0,6$ мкм и $E \approx 106$ В/см си­ла $F \approx 5 \cdot 102$ эВ/см. По­ле стоя­чей вол­ны рас­слаи­ва­ет пу­чок ато­мов, про­хо­дя­щий сквозь луч све­та, т. к. ди­по­ли, ко­леб­лю­щие­ся в про­ти­во­фа­зе, дви­га­ют­ся по разл.

тра­ек­то­ри­ям, по­доб­но ато­мам в Штер­на – Гер­ла­ха опы­те. На ато­мы, дви­гаю­щие­ся вдоль ла­зер­но­го лу­ча, дей­ст­ву­ет ра­ди­аль­ная си­ла Д. с., обу­слов­лен­ная ра­ди­аль­ной не­од­но­род­но­стью плот­но­сти све­то­во­го по­ля.

Как в стоя­чей, так и в бе­гу­щей вол­не про­исхо­дит не толь­ко де­тер­ми­ни­ро­ван­ное дви­же­ние ато­мов, но и их диф­фу­зия в фа­зо­вом про­стран­ст­ве, т. к. по­гло­ще­ние и ис­пус­ка­ние фо­то­нов – кван­то­вые слу­чай­ные про­цес­сы. Ре­зо­нанс­ное Д. с. мо­гут ис­пы­ты­вать и ква­зи­ча­сти­цы в твёр­дых те­лах: элек­тро­ны, эк­си­то­ны и др.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/2626921

Давление света

Как определить световое давление...
Подробности Категория: О давлении 05.12.2014 12:08 11385

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/м2). бесплатный бонус vip-general автоматически будет зачислен на личный профиль 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. 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 = Ev/c2,

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.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/o-davlenii/367-davlenie-sveta

Biz-books
Добавить комментарий