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.
Свет не только поглощается и отражается веществом, но и создает давление на поверхность тела. Еще в 1604 г. немецкий астроном И. Кеплер объяснял форму хвоста кометы действием светового давления (рис. 1). Английский физик Дж. Максвелл 250 лет спустя вычислил световое давление на тела, использовав разработанную им теорию электромагнитного поля. По расчетам Максвелла выходило, что если за $1$ с перпендикулярно единичной площадке с коэффициентом отражения $R$ падает световая энергия $E,$ то свет оказывает давление $p,$ выражающееся зависимостью: $p=\frac{E}{c}(1+R)$ Н/м 2 - скорость света. Эту формулу можно получить также, рассматривая свет как поток фотонов, взаимодействующих с поверхностью (рис. 2).
Некоторые ученые сомневались в теоретических расчетах Максвелла, а опытным путем проверить полученный им результат долгое время не удавалось. В средних широтах в солнечный полдень на поверхности, отражающей полностью световые лучи, создается давление, равное всего $4,7⋅10^{−6}$ Н/м 2 . Впервые световое давление в 1899 г. измерил русский физик П. Н. Лебедев. Он подвесил на тонкой нити две пары крылышек: поверхность у одной из них была зачерненной, а у другой - зеркальной (рис. 3). Свет практически полностью отражался от зеркальной поверхности, и его давление на зеркальное крылышко было вдвое большим ($R=1$), чем на зачерненное ($R=0$). Создавался момент сил, поворачивающий устройство. По углу поворота можно было судить о силе, действовавшей на крылышки, а значит измерить световое давление.
Опыт осложняют посторонние силы, возникающие при освещении устройства, которые по величине превосходят в тысячи раз давление света, если не принять особых предосторожностей. Одна из таких сил связана с радиометрическим эффектом. Этот эффект возникает благодаря разности температур освещенной и темной сторон крылышка. Нагретая светом сторона отражает молекулы остаточного газа с большей скоростью, чем более холодная, неосвещенная сторона. Поэтому молекулы газа передают освещенной стороне больший импульс и крылышки стремятся повернуться в том же направлении, что и под действием светового давления, - возникает ложный эффект. Радиометрическое действие П. Н. Лебедев свел к минимуму, изготовив крылышки из тонкой, хорошо проводящей тепло фольги и поместив их в вакууме. В результате уменьшились и разница в импульсах, передаваемая отдельными молекулами черной и блестящей поверхностей (благодаря меньшему перепаду температур между ними), и общее число молекул, падающих на поверхности (благодаря малому давлению газа).
Экспериментальные исследования Лебедева подкрепили предположение Кеплера о природе кометных хвостов. С уменьшением радиуса частицы притяжение её Солнцем убывает пропорционально кубу, а световое давление - пропорционально квадрату радиуса. Частицы малого размера будут испытывать отталкивание от Солнца независимо от расстояния $r$ от него, так как плотность излучения и гравитационные силы притяжения убывают по одинаковому закону $1/r^2.$ Световое давление ограничивает предельный размер звезд, существующих во Вселенной. С увеличением массы звезды растет тяготение её слоев к центру. Поэтому внутренние звездные слои сильно сжимаются, и их температура возрастает до миллионов градусов. Естественно, что при этом значительно увеличивается направленное наружу световое давление внутренних слоев. У нормальных звезд возникает равновесие между гравитационными силами, стабилизирующими звезду, и силами светового давления, стремящимися её разрушить. Для звезд очень большой массы такого равновесия не наступает, они неустойчивы, и их не должно быть во Вселенной. Астрономические наблюдения подтвердили: самые «тяжелые» звезды обладают как раз той предельной массой, которую еще допускает теория, учитывающая равновесие гравитационного и светового давления внутри звезд.
ДАВЛЕНИЕ CBETA, давление, оказываемое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы; одно из пондеромоторных действий света, связанное с передачей импульса электромагнитного поля веществу. Гипотеза о существовании давления света была впервые высказана И. Кеплером в 17 веке для объяснения отклонения хвостов комет от Солнца. Теория давления света в рамках классической электродинамики дана Дж. К. Максвеллом в 1873. В ней давления света объясняется рассеянием и поглощением электромагнитной волны частицами вещества. В рамках квантовой теории давления света - результат передачи импульса фотонами телу.
При нормальном падении света на поверхность твёрдого тела давления света р определяется формулой:
р = S(1 + R)/с, где
S - плотность потока энергии (интенсивность света), R - коэффициент отражения света от поверхности, с - скорость света. В обычных условиях давление света малозаметно. Даже в мощном лазерном луче (1 Вт/см 2) давления света порядка 10 -4 г/см 2 . Широкий по сечению лазерный луч можно сфокусировать, и тогда сила давления света в фокусе луча может удерживать на весу миллиграммовую частичку.
Экспериментально давление света на твёрдые тела было впервые исследовано П. Н. Лебедевым в 1899 году. Основные трудности в экспериментальном обнаружении давления света заключались в выделении его на фоне радиометрических и конвективных сил, величина которых зависит от давления окружающего тело газа и при недостаточном вакууме может превышать давление света на несколько порядков. В опытах Лебедева в вакуумированном (давление порядка 10 -4 мм ртутного столба) стеклянном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались коромысла крутильных весов с закреплёнными на них тонкими дисками-крылышками, которые облучались. Крылышки изготавливались из различных металлов и слюды с идентичными противоположными поверхностями. Последовательно облучая переднюю и заднюю поверхности крылышек различной толщины, Лебедев сумел нивелировать остаточное действие радиометрических сил и получить удовлетворительное (с ошибкой ± 20%) согласие с теорией Максвелла. В 1907-10 Лебедев исследовал давление света на газы.
Давление света играет большую роль в астрономических и атомных явлениях. Давление света в звёздах наряду с давлением газа обеспечивает их стабильность, противодействуя силам гравитации. Действием давления света объясняются некоторые формы кометных хвостов. При испускании фотона атомами происходит так называемая световая отдача, и атомы получают импульс фотона. В конденсированных средах давление света может вызывать ток носителей заряда (смотри Увлечение электронов фотонами). Давление солнечного излучения пытаются использовать для создания разновидности космического движителя - так называемого солнечного паруса.
Специфические особенности давления света 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 давления света на атом определяется как импульс, переданный потоком фотонов с плотностью N в единицу времени: F = Nћkσ, где ћk = 2πћ/λ - импульс одного фотона, σ ≈ λ 2 - сечение поглощения резонансного фотона, λ - длина волны света, k - волновое число, ћ - постоянная Планка. При относительно малых плотностях излучения резонансное давление света прямо пропорционально интенсивности света. При больших плотностях потока фотонов N происходит насыщение поглощения и насыщение резонансного давления света (смотри Насыщения эффект). В этом случае давление света создают фотоны, спонтанно испускаемые атомами со средней частотой γ (обратной времени жизни возбуждённого атома) в случайном направлении. Сила светового давления перестаёт зависеть от интенсивности, а определяется скоростью спонтанных актов испускания: F≈ћkγ. Для типичных значений γ ≈ 10 8 с -1 и λ ≈0,6 мкм сила давления света.F≈5·10 -3 эВ/см; при насыщении резонансное давление света может создавать ускорение атомов до 10 5 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 давление света тормозило быстрые атомы с большим смещением резонансной частоты (смотри Доплера эффект). Резонансное давление света 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 давления света перейдут в дальнюю камеру.
Некоторые особенности имеет резонансное давление света 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. Средняя сила, действующая на атом, при этом не равна нулю вследствие неоднородности поля на длине волны. С классической точки зрения сила давления света 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. Максимальная сила давления света по порядку величины равна F≈ ±Ekd (знаки относятся к синфазному и противофазному движению диполей с моментом d по отношению к полю с напряжённостью Е). Эта сила может достигать гигантских значений: d≈ 1 дебай, λ≈0,6 мкм и Е≈ 10 6 В/см сила F≈5∙10 2 эВ/см. Поле стоячей волны расслаивает пучок атомов, проходящий сквозь луч света, так как диполи, колеблющиеся в противофазе, двигаются по различным траекториям, подобно атомам в Штерна-Герлаха опыте. На атомы, двигающиеся вдоль лазерного луча, действует радиальная сила давления света, 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, так как поглощение и испускание фотонов - квантовые случайные процессы. Резонансное давления света могут испытывать и квазичастицы в твёрдых телах: электроны, экситоны и др.
Лит.: Лебедев П. Н. Собр. соч. М., 1963; Эшкин А. Давление лазерного излучения // Успехи физических наук. 1973. Т. 110. Вып. 1; Казанцев А. П. Резонансное световое давление // Там же. 1978. Т. 124. Вып. 1; Летохов В. С., Миногин В. Г. Давление лазерного излучения на атомы. М., 1986.
С. Г. Пржибельский.
Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики . Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались поворотные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907-1910 гг. Лебедев провел более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией .
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
Возможными областями применения являются солнечный парус и разделение газов .
Примечания
- Air
- Хронометр
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
13.2. Свет и микрочастицы как объекты квантовой теории
13.2.3. Давление света
Свет оказывает на поверхность давление.
Давление света равно импульсу, который передают фотоны единице площади поверхности, расположенной перпендикулярно пучку фотонов, в единицу времени:
p = (1 + ρ) p γ (N / t) S ,
где ρ - коэффициент отражения поверхности; N /t - число фотонов, падающих на поверхность ежесекундно (в единицу времени); p γ - импульс фотона, p γ = h ν/c или p γ = h λ ; S - площадь поверхности, расположенной перпендикулярно падающему пучку фотонов.
Коэффициент отражения - доля отраженных от поверхности фотонов; коэффициент отражения определяется отношением
ρ = N отр N ,
где N - число фотонов, падающих на поверхность; N отр - число фотонов, отраженных от поверхности.
Для поверхностей с различными свойствами коэффициент отражения имеет различные значения:
- для зеркальной поверхности ρ = 1;
- зачерненной поверхности ρ = 0.
Коэффициент поглощения - доля поглощенных поверхностью фотонов; коэффициент поглощения определяется отношением
ρ * = N погл N ,
где N погл - число фотонов, поглощенных поверхностью.
Для поверхностей с различными свойствами коэффициент поглощения имеет различные значения:
- для зеркальной поверхности ρ * = 0;
- зачерненной поверхности ρ * = 1.
Сила давления света на поверхность
F = pS ,
где p - давление света; S - площадь поверхности, расположенной перпендикулярно падающему пучку фотонов.
Сила давления связана с мощностью пучка фотонов формулой
F = (1 + ρ) P c ,
где ρ - коэффициент отражения; P - мощность пучка фотонов, P = Nh ν/t = Nhc /λt ; ν - частота фотона; λ - длина волны фотона; c - скорость света в вакууме; h - постоянная Планка, h = 6,626 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; N /t - число фотонов, падающих на поверхность ежесекундно.
Сила давления света на поверхность не зависит от площади поверхности , а определяется только мощностью падающего пучка и отражающими свойствами поверхности.
Пример 6. На некоторую поверхность ежесекундно падает 1,0 ⋅ 10 19 фотонов с длиной волны 560 нм. При нормальном падении на площадку 10 см 2 свет оказывает давление 20 мкПа. Найти коэффициент поглощения этой поверхности.
Решение . Давление света равно импульсу, который передают все фотоны единице площади поверхности, расположенной перпендикулярно пучку фотонов, в единицу времени:
p = (1 + ρ) p γ (N / t) S = (1 + ρ) h N λ S t ,
где ρ - коэффициент отражения; p γ - импульс одного фотона, p γ = h /λ; λ - длина волны света, падающего на поверхность, λ = 560 нм; h - постоянная Планка, h = 6,63 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с; N /t - число фотонов, падающих на поверхность ежесекундно, N /t = 1,0 ⋅ 10 19 c −1 ; S - площадь поверхности, расположенной перпендикулярно падающему пучку фотонов, S = 10 см 2 .
Выразим отсюда коэффициент отражения поверхности:
ρ = p λ S h (N / t) − 1 ,
где p - давление света на поверхность, p = 20 мкПа.
Коэффициенты поглощения и отражения одной и той же поверхности связаны между собой формулой
где ρ - коэффициент отражения поверхности; ρ * - коэффициент поглощения той же поверхности.
Отсюда следует
ρ * = 1 − ρ,
или с учетом явного вида выражения для коэффициента отражения
ρ * = 1 − (p λ S h (N / t) − 1) = 2 − p λ S h (N / t) .
Вычислим:
ρ * = 2 − 20 ⋅ 10 − 6 ⋅ 560 ⋅ 10 − 9 ⋅ 10 ⋅ 10 − 4 6,63 ⋅ 10 − 34 ⋅ 1,0 ⋅ 10 19 = 0,31 .
Коэффициент поглощения данной поверхности равен 0,31.
Коэффициент поглощения представляет собой долю поглощенных поверхностью фотонов; следовательно, можно утверждать, что 31 % падающих на поверхность фотонов поглощается этой поверхностью.