в чем измеряется световое давление

В чем измеряется световое давление

Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного излучения звучит так: электромагнитное излучение (и в частности свет) – это поток частиц, называемых фотонами. Фотоны распространяются в вакууме со скоростью, равной предельной скорости распространения взаимодействия, с = 3·10 8 м/с, масса и энергия покоя любого фотона равны нулю, энергия фотона E связана с частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ формулой

Обратите внимание: формула (2.7.1) связывает корпускулярную характеристику электромагнитного излучения, энергию фотона, с волновыми характеристиками – частотой и длиной волны. Она представляет собой мостик между корпускулярной и волновой теориями. Существование этого мостика неизбежно, так как и фотон, и электромагнитная волна – это всего-навсего две модели одного и того же реально существующего объекта – электромагнитного излучения.

Всякая движущаяся частица (корпускула) обладает импульсом, причём согласно теории относительности энергия частицы Е и ее импульс p связаны формулой

где – энергия покоя частицы. Так как энергия покоя фотона равна нулю, то из (2.7.2) и (2.7.1) следуют две очень важные формулы:

,

(2.7.3)

Обратимся теперь к явлению светового давления.

Давление света открыто русским ученым П.Н. Лебедевым в 1901 году. В своих опытах он установил, что давление света зависит от интенсивности света и от отражающей способности тела. В опытах была использована вертушка, имеющая черные и зеркальные лепестки, помещенная в вакуумированную колбу (рис. 2.10).

Вычислим величину светового давления.

На тело площадью S падает световой поток с энергией , где N – число квантов (рис. 2.11).

KN квантов отразится от поверхности; (1 – K)N– поглотится (рис. 2.10), K– коэффициент отражения.

Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс:

Каждый отраженный фотон передаст телу импульс:

т.к. .

В единицу времени все N квантов сообщают телу импульс р:

Т.к. фотон обладает импульсом, то импульс, переданный телу за одну секунду, есть сила давления – сила, отнесенная к единице поверхности.

Тогда давление , или

где J – интенсивность излучения. Т. е. давление света можно рассчитать:

· если тело зеркально отражает, то K = 1 и

· если полностью поглощает (абсолютно черное тело), то K = 0 и , т.е. световое давление на абсолютно черное тело в два раза меньше, чем на зеркальное.

Итак, следующее из корпускулярной теории заключение, что световое излучение оказывает давление на материальные предметы, причем величина давления пропорциональна интенсивности излучения, прекрасно подтверждается в экспериментах.

Одним из следствий давления солнечного света, является то, что кометы, пролетающие вблизи Солнца, имеют «хвосты» (рис. 2.12).

Источник

Давление света

Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.

Содержание

История

Физический смысл

Согласно сегодняшним представлениям, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то есть проявляет свойства частиц (фотонов) и свойства волн (электромагнитного излучения).

Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление. Такое давление иногда называют радиационным давлением.

Для вычисления давления света можно воспользоваться следующей формулой:

где — количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м² поверхности за 1 с; — скорость света, — коэффициент отражения.

Если свет падает под углом к нормали, то давление можно выразить формулой:

где — объёмная плотность энергии излучения, — коэффициент отражения, — единичный вектор направления падающего пучка, — единичный вектор направления отражённого пучка.

Например, тангенциальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно:

Применение

Примечания

См. также

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Давление света» в других словарях:

Давление света — Давление света. Схема разделения газов при помощи резонансного светового давления (частота света лазера равна частоте атомного перехода). Резонансные атомы под действием света, получив направленный импульс от световых квантов, перейдут в дальнюю… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Давление света — давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Д. с. впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Д. с. даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно… … Большая советская энциклопедия

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА — Давление, производимое светом на тела, отражающие или поглощающие свет. Давление света результат передачи телу импульса поглощаемых или отражаемых им фотонов. При действии солнечного излучения на макроскопические тела оно чрезвычайно мало… … Большой Энциклопедический словарь

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА — (см. СВЕТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

давление света — давление, производимое светом на тела, отражающие или поглощающие свет, частицы, а также отдельные молекулы и атомы. Гипотезу о давлении света впервые (1619) высказал И. Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца.… … Энциклопедический словарь

давление света — šviesos slėgis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Slėgis, kurį kuria šviesa veikdama tam tikrą paviršių. atitikmenys: angl. light pressure vok. Lichtdruck, m rus. давление света, n; световое давление, n pranc. pression de … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

давление света — šviesos slėgis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. light pressure vok. Lichtdruck, m rus. давление света, n; световое давление, n pranc. pression de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА — давление, производимое светом на тела, отражающие или поглощающие свет, частицы, а также отд. молекулы и атомы. Гипотезу о Д. с. впервые (1619) высказал И. Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В земных… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Давление света — давление, производимое светом на освещаемую поверхность. Играет большую роль в космических процессах (образование хвостов комет, равновесие крупных звезд). Д. С. предсказано в 1619 г. нем. астрономом И. Кеплером. (1571 1630) и экспериментально… … Астрономический словарь

Давление электромагнитного излучения — Давление электромагнитного излучения, давление света давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела. Содержание 1 История 2 Вычисление … Википедия

Источник

Давление света

Световое давление было открыто в 1604 г. И. Кеплером

Как и любая материальная сущность, свет воздействует на объекты окружающего мира, например, оказывает давление. Но как же так, ведь фотон – это безмассовая частица? В чем заключается физическая суть давления света и вообще, любого электромагнитного излучения? Давайте рассмотрим более детально этот и другие, связанные с давлением света, вопросы.

Суть явления

Несмотря на то, что фотон не имеет массы покоя, у него есть энергия, а значит и импульс. Логично предположить, что передавая этот импульс объектам, свет может оказывать на них давление. Но тут сразу следует отметить, что на массивные тела оно будет ничтожно мало, поэтому и зарегистрировать явление сложно.

Физическую суть давления света можно вывести и из корпускулярного, и из волнового подхода к природе света. Так, если рассматривать свет, как поток частиц, то давление можно объяснить тем, что фотоны ударяясь о поверхность тела, передают ему часть своего импульса, а значит оказывают давление. По волновому подходу – электромагнитная волна воздействует на заряженные частицы тела и, отражаясь, передает им часть своей энергии. Итог – тот же самый.

Именно исходя из этих двух логических цепочек, на рубеже 19 и 20 веков физики начали активно изучать давление света на поверхность, ставить эксперименты и проводить опыты.

Изучение и открытие давления света

Первым предположил существование давления света Иоганн Кеплер еще в середине 17 века. Однако, из-за неточности приборов того времени, экспериментально обнаружить явление не удавалось.

Объяснение давления света с точки зрения квантовой теории

Чтобы исключить воздействие упругих сил воздуха, экспериментаторы поняли, что нужно добиться максимально возможного низкого давления газа. Сто лет назад еще не умели создавать вакуум, но первым догадался откачать насосами воздух из камер для этого эксперимента – русский физик Петр Николаевич Лебедев.

Он в камере с очень низким давлением воздуха подвесил крутильные весы на тонкой металлической струне. К каждой чаше была жестко прикреплена пластина зеркального металла или слюды. Эту конструкцию Лебедев попеременно облучал светом то с одной, то с другой стороны. В эксперименте удалось получить результаты, согласующиеся с теорией электромагнетизма Максвелла, правда и погрешность была на уровне 15-20%. Но через 8 лет Лебедев смог провести повторный эксперимент, получив отклонение от теории на уровне 0,5%. Явление было официально открыто.

Расчеты и формула

Самая простая формула давление света выглядит так:

Здесь р – это искомое давление света, І – интенсивность излучения, с – скорость распространения световых волн в вакууме, k – показатель пропускания, р – показатель отражения. Таким образом, мы видим, что чем больше отражение света – тем давление больше, и наоборот, чем больше пропускание – тем давление света меньше. Это знание нам пригодится дальше.

Эта формула применима к любым поверхностям, на которые свет падает строго перпендикулярно. Например, по ней можно вычислить, что давление света Солнца на поверхность вблизи Земли, если свет падает не под углом – будет равняться 9 х 10⁻¹¹ атмосфер.

В более сложных случаях, когда свет частично рассеивается, а частично отражается, применима следующая формула вычисления давления:

Здесь К – коэффициент пропускания, А – альбедо небесного тела.

Применение на практике

Еще в самом начале 20 века, как только Лебедев открыл давление световых волн, активно заговорили о практическом применении этого явления. Многие умы того времени, в частности ракетостроитель Цандер предлагали использовать давление света в межпланетных перелетах и космонавтике.

Идея была следующая – раз давление света не требует внешней энергии (топлива), ведь в космосе полно фотонов и вакуум, нет сопротивления воздуха – значит это надо использовать для конструкции космических кораблей. Загвоздка в том, что цифры давления очень малы, а вес, который нужно “передвинуть” – большой.

Исследователи взялись за эти две проблемы и предложили как решение прототип так называемого солнечного паруса. Суть в том, чтобы использовать большую отражаемую поверхность, но в то же время, чтобы она была сверхлегкой. Первой решение предложила Япония – был разработан аппарат IKAROS, парус которого имел площадь 196 квадратных метров, при стороне 14 метров, толщина паруса всего 7 микрон. Он предназначается для исследования Венеры и уже успешно выполняет свою миссию.

Дальнейшее развитие технологии космических парусников включает модификацию в так называемый лазерный парус, когда аппарат направляется мощным лазером. Кроме того, разрабатываются новые материалы, которые позволяет делать еще более тонкие и прочные отражающие поверхности, например графен.

Кроме космонавтики, явление давления света используется в физике элементарных частиц для разгона сверхмалых зеркальных поверхностей до субсветовых скоростей.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Давление света: подтверждение 90-летней теории об импульсах фотонов

На протяжении столетий ученые из разных уголков мира создавали самые разные теории, объясняющие те или иные процессы, явления и феномены. Некоторые из этих теорий были подтверждены или опровергнуты на практике буквально сразу после их высказывания. Другие же оставались на бумаге многие годы, ибо на момент их появления технологии не позволяли провести практические опыты. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Франкфуртского университета имени Гете (Германия) попытались понять, что есть «давление света» на самом деле, подтвердив в процессе теорию 90-летней давности. В чем именно заключалась теория, какие методики были использованы в опытах, и что нового мы узнали о фотонах? Ответы на эти вопросы ожидают нас в докладе ученых. Поехали.

Историческая справка

Давление света (или давление электромагнитного излучения) это механическое давление, оказываемое на любую поверхность в результате обмена импульсом между объектом и электромагнитным полем.

Первооткрывателем этого понятия является Иоганн Кеплер (1571-1630). В 1619 году, наблюдая за кометой, он отметил, что ее хвост всегда направлен в сторону от Солнца.

Спустя более двухсот лет в 1862 году Джеймс Максвелл (1831-1879) предположил, что свет как электромагнитное излучение обладает свойствами импульса и, следовательно, оказывает давление на любую поверхность, с которой контактирует. Экспериментально это было подтверждено лишь в 1900 году Петром Лебедевым.

Практические опыты с целью изучения давления света крайне сложны. Связано это с тем, что силы, создаваемые световым давлением, крайне малы. Однако в космических масштабах (буквально) суммарный эффект этих малозаметных сил может оказывать большое кумулятивное воздействие на объект в течение длительных периодов времени. Например, если бы во время подготовительных расчетов перед запуском космического аппарата программы «Викинг» не учитывалось давление света, то аппарат пролетел бы орбиту Марса на расстоянии 15 000 км.

Иоганн Кеплер, Петр Лебедев и Арнольд Зоммерфельд.

Если суммировать все воедино, то мы получим следующее: частицы света (фотоны) ударяются об атомы тела и передают ему часть своего импульса, а тело от этого становится быстрее.

Пока все логично. Однако не все так просто. Ранее проводились опыты, в которых фотоны определенной длины волны выбивали из атомов отдельные электроны. Импульс этих электронов был больше, чем у фотона, который с ним взаимодействовал. Это невозможно, скажете вы, ибо есть третий закон Ньютона, в котором говорится, что на любое действие имеется противоположное равное противодействие (утрированно говоря). Тем не менее, в 1930 году немецкий ученый Арнольд Зоммерфельд предположил, что дополнительный импульс выброшенного электрона происходит из атома, который он покинул. Получается, что движение атома должно быть направлено в сторону источника фотонов, т.е. к свету. Теория весьма смелая, но в те годы подтвердить ее на практике было нереально ввиду отсутствия необходимых технологий.

И вот 90 лет спустя наши современники смогли впервые в мире воочию понаблюдать этой таинственный процесс.

Авторы труда напоминают, что вектор электрического поля электромагнитной волны ориентирован перпендикулярно оси распространения света. Поскольку это поле управляет фотоионизацией*, стоит предположить, что его направление будет осью симметрии для угловых распределений фотоэлектронов и фотоионов.

Фотоионизация* — ионизация молекулы/атома непосредственно при абсорбции фотонов, энергия которых равна или больше энергии ионизации.

Фотоэффект — процесс взаимодействия электромагнитного излучения и вещества, когда энергия фотонов передается электронам вещества.

Фотоэлектрон — электроны, вытесняемые из вещества, когда на него воздействует электромагнитное излучение.

Фотоион — катион (положительно заряженный ион), полученный в результате фотоионизации.

Однако при высоких энергиях фотонов E_γ и соответствующих высоких фотонных импульсах k_γ эта симметрия нарушается, а импульсные распределения фрагментов реакции асимметричны относительно направления распространения света.

Зоммерфельд в своих изысканиях понял, что средний прямой импульс электронов, превышающий импульс фотона (⟨k e _x⟩ > k_γ), влечет за собой то, что средний импульс фотоиона должен быть противоположным для учета сохранения импульса.

Стоит также отметить, что так называемые недипольные эффекты, возникающие из-за ненулевого импульса фотона, также оказывают существенное влияние на однофотонную ионизация. Кроме того, более высокие мультипольные компоненты взаимодействия света и вещества не только изменяют угловое распределение фотоэлектронов, но также открывают дополнительные пути ионизации, которые запрещены диполями.

В данном исследовании эксперименты по однофотонной ионизации были выполнены в двух вариантах:

Фотонный пучок был пересечен под прямым углом сверхзвуковой газовой струей He (низкоэнергетический эксперимент) или N₂ (высокоэнергетический эксперимент). Ионы направлялись электрическим полем к чувствительному ко времени и положению детектору с отсчетом положения линии задержки*.

Линия задержки* — устройство задержки электрических и электромагнитных сигналов на заданный промежуток времен.

Эффект Оже* — выход электрона из атомной оболочки ввиду безызлучательного перехода в атоме при снятии возбуждения.

В таком случае возникает два однозарядных иона, которые совпадают с оже-электроном. Из этих трех векторов импульса был рассчитан импульс иона N₂ + в момент после фотоэлектронной эмиссии.

Чтобы получить доступ к ионным импульсам в абсолютном масштабе, важно точно знать местоположение ионов с нулевым импульсом на нашем детекторе. Для данных высоких энергий эта нулевая точка получается из ионов, которые создаются комптоновским рассеянием*.

Комптоновское рассеяние* — некогерентное (фотоны до и после рассеяния не интерферируют) рассеяние фотонов на свободных электронах.

В этом случае импульс фотона передается электрону, и поэтому ион остается с распределением импульса, центрированным в начальной точке.

Изображение №1

На графике выше суммированы результаты исследования. Синим цветом показано измеренное среднее значение импульса иона в направлении распространения света ⟨k ion _x⟩ как функция энергии фотона (верхняя шкала) или импульса фотона (нижняя шкала). Точки (низкие энергии фотонов) соответствуют однократной ионизации He, а квадраты (высокие энергии фотонов) — ионизации K-оболочки N₂.

Отрицательные значения соответствуют обратному излучению, то есть в противоположную сторону от направления распространения фотона. Красным цветом обозначено среднее значение импульса фотоэлектрона ⟨k e _x⟩, полученное за счет измеренного импульса иона с учетом сохранения импульса.

Красная и синяя линии демонстрируют прогнозируемые данные в соответствии со следующими формулами:

где I_p — потенциал ионизации; с — скорость света.

Из вышеописанных данных следует, что это является прямым практическим доказательством теории касательно обратно направленной эмиссии ионов при фотоионизации.

Изображение №2

Изображение выше демонстрирует нам распределение фотоионного импульса для фотоионизации He, где использовались фотоны с циркулярной поляризацией в 300, 600, 1125 и 1775 эВ. Горизонтальная ось — составляющая импульса, параллельная k_γ, а вертикальная ось это импульс, перпендикулярный оси фотона. Красным отмечены концентрические кольца, центр которых расположен там же, где и начальная точка импульсного пространства. Радиус колец равен соответствующим фотоэлектронным импульсам k_e = √ 2(E_γ — I_p).

События ионизации не накапливаются на этих кольцах, а смещаются вперед в направлении распространения фотонов. Это наиболее четко видно на внешнем кольце, соответствующем энергии фотона 1775 эВ. При этом синие кольца смещаются вперед фотонным импульсом 1775 эВ фотона.

Следовательно, измеренные распределения импульса иона непосредственно показывают, что импульс фотона в основном поглощается ионом, что является следствием сохранения импульса.

В каждом отдельном событии ионизации импульс фотона передается центру масс системы, который почти совпадает с ионом. Соответствующее импульсное распределение электрона показывает окружность того же радиуса, но не смещенную вперед.

Помимо смещения вперед кольца в импульсном пространстве ионов, распределение импульсов на этом кольце также изменяется в зависимости от энергии фотона. Это распределение больше отклоняется в обратное полушарие при увеличении E_γ.

Сохранение импульса требует, чтобы конечный импульс измеряемого иона равнялся импульсу фотона за вычетом импульса фотоэлектрона. Таким образом, распределение ионов на смещенной сфере в импульсном пространстве и угловое распределение фотоэлектронов в лабораторной системе отсчета являются прямыми зеркальными отражениями друг друга (изображение №3).

Изображение №3

Они имеют приблизительную дипольную форму, поскольку начальное состояние является He(1s), и, таким образом, главная составляющая углового момента (момента импульса) в конечном состоянии представляет собой диполь. Кроме того, эта дипольная форма отклонена вперед.

По заявлению авторов исследования, в профильной литературе можно встретить много вариантов объяснения передачи импульса фотона, некоторые из которых далеки от истины. Чаще всего утверждается, что поглощенный фотон передает выбрасываемому электрону собственный импульс. Из этого утверждения следует, что этот «удар» отвечает за смещение вперед углового распределения электронов, как показано на изображении выше.

Чтобы было проще понять все нюансы, ученые предлагают вспомнить, как именно происходит передача импульса фотона при взаимодействии с электромагнитным полем. Для простоты примера была выбрана фотоионизация 1s-электрона атома водорода.

За пределами электрического дипольного приближения электромагнитная волна ионизирующей плоскости с волновым вектором |k_γ| = k_γ = E_γ/c (импульс фотона) «впечатывает» локальный фазовый фактор e ik_γ·r в элемент матрицы перехода.

Эта фаза, представленная полем, модифицирует элемент матрицы перехода: первый фактор из уравнения выше входит в элемент матрицы перехода ⟨π|e ik_γ·R_H |π ₀⟩ между переходными состояниями атомного центра масс, которые описываются плоскими волнами (2π) −3/2 e iπ·R_H с импульсом π. Эта амплитуда порождает закон сохранения импульса π = π₀+k_γ. Таким образом, поглощение фотона атомом привносит в его центр массы импульс k_γ.

Второй фазовый фактор e ik_γ·r′ из уравнения отвечает за мультипольные правки за пределами электрического дипольного приближения.

Выше порога ионизации в каждом событии ионизации ион получает импульс фотона и, кроме того, отдачу от фотоэлектрона. Дополнительная передача углового момента орбиты от фотона приводит к смещению вперед углового распределения электрона. Этот направленный вперед средний импульс электрона уравновешивается обратно направленной передачей импульса иону.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Выведение формул и формирование теорий нельзя назвать простым занятием, но поиски доказательств или опровержений этих теорий порой еще сложнее.
В данном труде ученые смогли доказать правоту теории, которая была сформулирована еще в тридцатых годах прошлого века. Авторы исследования смогли не только измерить импульс иона, но и определить его происхождение. Родителем этого импульса является так называемая «отдача» выброшенного электрона.

Если фотон имеет низкую энергию, то при теоретическом моделировании его импульсом можно пренебрегать, говорят ученые. Однако при высоких энергиях фотона подобное пренебрежение приводит к значительным неточностям. Экспериментальные данные позволили определить порог, когда импульс фотона больше нельзя не учитывать.

В дальнейшем ученые намерены продолжить начатую работу, поскольку совершенные открытия открывают двери перед более детальным рассмотрением процессов, происходящих в момент распределения энергии между двумя или более фотонами.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята.

Немного рекламы

Источник