Тиск світла

Вперше думку про тиск світла висловив Кеплер при спостереженні польоту комети. Він вважав причиною зміщення кометних хвостів у напрямі від сонця тиск світла, проте пояснити цього явища не зміг. Чимало вчених робили спробу спостереження тиску світла, та марно.

Тиск світла настільки малий, що для його надійного вимірювання необхідно було виключити вплив на тонкі пластинки всіх інших факторів. Вплив конвекційних потоків повітря був виключений Лебедєвим шляхом створення в балоні досить високого вакууму. Однак і в цьому випадку залишався не виключеним так званий радіометричний ефект.

Причина його полягає в тому, що темна пластинка нагрівається в результаті поглинання падаючого на нього світла, причому температури освітленої і неосвітленої (задньої) поверхонь пластинок не однакові. Це розходження пов'язане з передачею енергії всередині пластинки шляхом теплопровідності й залежить від товщини й матеріалу пластинки. Молекули розрідженого повітря у балоні, ударяючись об поверхні пластинок і відбиваючись від них, створюють тиск на пластинки. При ударі об більш нагріту світлом передню поверхню пластинки молекули збільшують свою енергію й відскакують із більшими швидкостями, ніж молекули, що відбиваються від задньої поверхні. Тому молекули повітря створюють результуючий тиск на темну поверхню пластинки, що додається до тиску світла. Радіометричний ефект може привести до того, що в досліді тиск на темну пластинку виявиться більшим від тиску на дзеркальну пластинку тих же розмірів.

Лебедєв виключив вплив радіометричного ефекту, використавши у своїх дослідах дуже тонкі пластинки різної товщини від 0,01 до 0,1 мм. Тиск світла на дзеркальну пластинку (з коефіцієнтом відбиття R = l) виявився вдвічі більшим, ніж тиск на темну пластинку (R = 0), що відповідає теоретичній формулі Максвелла.

З квантових уявлень виведемо формулу для тиску світла. Нехай на одиницю площі за одиницю часу падає n фотонів, частина з яких відбивається, частина − поглинається.

ρ − коефіцієнт відбиття;

ρ n − кількість фотонів, що відбилися;

(1 - ρ) n − кількість фотонів, що поглинулися.

При відбиванні передається подвійний імпульс:

− імпульс відбитих фотонів;

− імпульс поглинутих фотонів;

− тиск світла.

Остаточно отримаємо рівняння

,

де − енергія, що передається одиниці площі за одиницю часу.

Дослід Лебедєва

Якщо будь-яке тіло, що має масу та імпульс, падає на поверхню, воно чинить тиск Р, який визначається за формулою:

,

де F – сила тиску; S – площа поверхні.

Тоді, якщо світло падає на поверхню, то й фотон має діяти на неї так само, тобто чинити тиск. Вперше було експериментально встановлений і виміряний світловий тиск у 1900 році П. М. Лебедєвим (рис. 1.14). Прилад складався з легкого каркаса із закріпленими на ньому тонкими пластинками. Деякі тонкі пластинки 1 були чорними, а поверхня інших 2 була дзеркальною. Вони підвішувалися на тонкій пружній нитці 3 всередині скляного балона, з якого було відкачено повітря. Світловий тиск на пластинки визначався розміром кута, на який закручувалася нитка. З квантового погляду тиск світла на поверхню будь-якого тіла зумовлений тим, що під час зіткнення з цією поверхнею кожен фотон передає їй свій імпульс. Тиск світла можна визначити за формулою:

,

де n – кількість фотонів в одиниці об’єму випромінювання, що падає на поверхню; ρ – коефіцієнт відбиття фотонів.

Для чорної поверхні , для дзеркальної – . Таким чином, тиск світла на дзеркальну поверхню вдвічі більший, ніж на чорну. Цей висновок збігається з результатами дослідів Лебедєва. Світловий тиск дуже малий. Наприклад, сила тиску сонячних променів на 1м² чорної поверхні становить .

Поиск по сайту: