Давление света

При падении электромагнитных волн на какую-нибудь поверхность они оказывают давление. Давление света может быть объяснено как с электромагнитной точки зрения, так и в рамках квантовой теории.

Пусть на поверхность металла падает нормально плоская электромагнитная волна, тогда векторы электрического и магнитного поля такой волны параллельны поверхности. Под действием электрического поля Е электроны начинают двигаться параллельно поверхности. При этом на каждый электрон, движущийся со скоростью v, со стороны магнитного поля световой волны с индукцией В действует сила Лоренца

направленная внутрь металла перпендикулярно его поверхности. Таким образом, световая волна должна производить давление на поверхность металла.

В рамках квантовой фотонной теории световое давление обусловлено тем, что каждый фотон не только несет энергию hw, но и обладает импульсом р=hw/c. Каждый поглощенный фотон передает поверхности свой импульс

(2.18)

а каждый отраженный - удвоенный импульс

(2.19)

Пусть на поверхность прозрачного тела падает по нормали поток фотонов N_ф (N_ф - число фотонов, падающих на единичную площадку в единицу времени). Если поверхность тела имеет коэффициент отражения r, то в единицу времени rN_ф фотонов отразится от нее, а (1-r)N_ф фотонов поглотится поверхностью. Импульс, получаемый единицей площади поверхности тела за единицу времени, равен

(2.20)

Согласно второму закону Ньютона, Dр/Dt есть сила F (в данном случае это сила давления), а величина F/Ds - давление. Таким образом, световое давление равно

(2.21)

Величина, равная произведению энергии фотона hw на число фотонов N_ф, падающих на единицу площади тела в единицу времени, есть плотность потока световой энергии (энергетическая светимость) R. Эту же величину можно получить, умножая среднюю плотность энергии <w> в волне на скорость света:

(2.22)

Поэтому

(2.23)

Эту формулу при r=0 и r=1 мы уже обсуждали ранее, когда рассматривали давление электромагнитных волн.

Пример. Определим давление Р солнечного света на зачерненную пластинку, расположенную перпендикулярно солнечным лучам и находящуюся вне земной атмосферы вблизи Земли.

Солнечная постоянная С=1.4 кВт/м². По определению этой величины С совпадает с энергетической светимостью R. Зачерненная пластинка поглощает излучение, то есть r=0. Поэтому давление равно

Давление света играет огромную роль в ориентации кометных хвостов относительно Солнца. Пылевидные частицы и молекулы газов, имеющиеся в кометах, испытывают световое давление со стороны солнечных лучей, в результате которого и образуются своеобразные формы кометных хвостов, ориентированных в противоположную сторону от Солнца. (В настоящее время предполагается, что явление образования хвостов комет частично определяется «протонным» ветром, исходящим от Солнца.)

Таким образом, и электромагнитная (волновая), и фотонная (квантовая) теории с одинаковым успехом решают вопрос о механизме и закономерностях светового давления.

Подведем итоги:

Поэтому приходится признать за фотоном двойственную природу. Пока в нашем курсе это необычное свойство - корпускулярно-волновой дуализм - установлено только для света.

Поиск по сайту: