Главная » Реферат » Давление света реферат

Давление электромагнитного излучения. Давление света реферат


Реферат Давление света

скачать

Реферат на тему:

План:

Введение

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

1. История

Схематическое изображение опыта Лебедева

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 крутильные 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). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.

Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907—1910 гг. Лебедев провёл более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией[1].

2. Вычисление

2.1. В отсутствие рассеяния

Для вычисления давления света при нормальном падении излучения и отсутствии рассеяния можно воспользоваться следующей формулой:

p = \frac{I}{c} (1 - k + \rho),

где I\,\! — количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м² поверхности за 1 с, т. е. интенсивность падающего излучения; c\,\! — скорость света, k\,\! — коэффициент пропускания, \rho\,\! — коэффициент отражения.

Давление солнечного света на перпендикулярную свету зеркальную поверхность, находящуюся в космосе в районе Земли, легко рассчитать через плотность потока солнечной (электромагнитной) энергии на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (солнечная постоянная). Оно составляет 4,6 мкН/м² = 4,6×10−11 атм (см. солнечная постоянная).

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

\vec p = w ((1-k)\vec i - \rho\, \vec {i'}) \cos \theta,

где w\, — объёмная плотность энергии излучения, k\,\! — коэффициент пропускания, \rho\, — коэффициент отражения, \vec i — единичный вектор в направлении падающего пучка, \vec {i'} — единичный вектор в направлении отражённого пучка.

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

{f_{\tau}}\, = w ((1-k)\sin \theta - \rho \sin \theta) \cos \theta = w (1 - k - \rho) {\sin \theta} {\cos \theta}.

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна: {f{n}}\, = w ((1-k)\cos \theta - \rho (- \cos \theta)) \cos \theta = w (1 - k + \rho) \cos^2 \theta.

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно: \frac{f{n}}{f{\tau}} = \frac{1 - k + \rho}{1 - k - \rho} {\rm ctg\,} \theta.

2.2. При рассеянии

Если рассеяние света поверхностью и при пропускании, и при отражении подчиняется закону Ламберта, то при нормальном падении давление будет равно:

p = \frac{I}{c} (1 + \frac{2}{3}(A - K))

где I\,\! — интенсивность падающего излучения, K\,\! — коэффициент диффузного пропускания, A\,\! — альбедо.

Вывод  

Найдём импульс, уносимый электромагнитной волной от ламбертова источника.

Полная светимость ламбертова источника, как известно, равна:

E = πBn

где Bn — сила света в направлении нормали.

Отсюда сила света под произвольным углом θ к нормали, по закону Ламберта, равна:

B = B_n \cos \theta = \frac{E}{\pi} \cos \theta.

Энергия, излучаемая в элемент телесного угла, имеющий вид сферического кольца, равна:

d E = B d \Omega = (\frac{E}{\pi} \cos \theta) d \Omega = (\frac{E}{\pi} \cos \theta)(2 \pi \sin \theta d \theta) = 2E \cos \theta \sin \theta d \theta

Для определения импульса, уносимого излучением, нужно учитывать только его нормальную составляющую, так как в силу поворотной симметрии все тангенциальные составляющие взаимно компенсируются:

dp = \frac{d E}{c} \cos \theta

Отсюда

p = \int \frac{d E}{c} \cos \theta = \frac{2 E}{c} \int\limits_{0}^{\pi/2} \cos^2 \theta \sin \theta \, d \theta = \frac{2 E}{c} \int\limits_{\pi/2}^{0} \cos^2 \theta \, d \cos \theta = \frac{2 E}{c} \int\limits_{0}^{1} x^2 \, d x = \frac{2}{3}\frac{E}{c}

Для рассеянного обратно излучения E = AI и p = \frac{2}{3} A \frac{I}{c}

Для излучения, прошедшего сквозь пластинку, E = KI и p = - \frac{2}{3} K \frac{I}{c} (минус возникает из-за того, что это излучение направлено вперёд).

Складывая давление, создаваемое падающим и обоими видами рассеянного излучения, получаем искомое выражение.

В случае, когда отражённое и пропущенное излучение является частично направленным и частично рассеянным, справедлива формула:

p = \frac{I}{c} (1 + \rho - k + \frac{2}{3}(A - K))

где I\,\! — интенсивность падающего излучения, k\,\! — коэффициент направленного пропускания, K\,\! — коэффициент диффузного пропускания, \rho\, — коэффициент направленного отражения, A\,\! — альбедо рассеяния.

2.3. Давление фотонного газа

Изотропный фотонный газ, имеющий плотность энергии u, оказывает давление:

p = \frac{1}{3} u

В частности, если фотонный газ является равновесным (излучение абсолютно чёрного тела) с температурой T, то его давление равно:

p = \left(\frac{\pi^2k^4}{45c^3\hbar^3}\right) T^4 = \frac{4}{3c}\sigma T^4

где σ — постоянная Стефана-Больцмана

3. Физический смысл

Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c.

В электродинамике давление электромагнитного излучения описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.

3.1. Корпускулярное описание

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

3.2. Волновое описание

С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.

4. Применение

Возможными областями применения являются солнечный парус и разделение газов[1], а в более отдалённом будущем — фотонный двигатель.

В настоящее время широко обсуждается возможность ускорения световым давлением, создаваемым сверхсильными лазерными импульсами, тонких (толщиной в 5-10 нм) металлических плёнок с целью получения высокоэнергичных протонов[2].

Примечания

  1. ↑ 12Давление света - www.astronet.ru/db/msg/1177637 // Физическая энциклопедия. — М., «Советская энциклопедия», 1988. — Т. 1. — С. 553-554.
  2. T. Esirkepov, M. Borghesi, S. V. Bulanov, G. Mourou, and T. Tajima Highly Efficient Relativistic-Ion Generation in the Laser-Piston Regime - prola.aps.org/abstract/PRL/v92/i17/e175003  (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2004. — Т. 92. — С. 175003.

Литература

wreferat.baza-referat.ru

Давление света - «Энциклопедия»

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/см2) давления света порядка 10-4 г/см2. Широкий по сечению лазерный луч можно сфокусировать, и тогда сила давления света в фокусе луча может удерживать на весу миллиграммовую частичку.

Реклама

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 ≈ λ2 - 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 ≈ 108 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 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 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≈ 106 В/см сила F≈5∙102 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.

knowledge.su

Давление света » Буквы.Ру Научно-популярный портал

081614 2207 1 Давление света Давление света — 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 (J.Kepler) в 17 в. для объяснения отклонения хвостов комет от Солнца. Теория давление света в рамках классической электродинамики дана Дж. Максвеллом (J.Maxwell) в 1873. В ней давление света тесно связано с рассеянием и поглощением электромагнитной волны частицами вещества. В рамках квантовой теории давление света — результат передачи импульса фотонами телу.

В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия. Это давление обусловлено силами, действующими со стороны электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля волны на заряды в освещаемом теле.

 Пусть свет падает на проводящую (металлическую) пластину. Электрическая составляющая поля волны воздействует на свободные электроны с силой

  Fэл =q·E,  

где  q — заряд электрона. E — напряженность электрического поля волны. 

Электроны начинают двигаться  со скоростью  V (рис.1) Так как направление Е в волне периодически меняется на противоположное, то и электроны периодически изменяют направление своего движения на противоположное, т.е. совершают вынужденные колебания вдоль направления электрического поля волны.

 

 

 

 

081614 2207 2 Давление света

Рисунок 1 – Движение электронов

 

Магнитная составляющая В электромагнитного поля световой волны действует с силой Лоренца

Fл = q·V·B,

 направление которой в соответствии с правилом левой руки совпадает с направлением распространения света. Когда направления E и B меняются на противоположные, то изменяется и направление скорости электрона, а направление силы Лоренца остается неизменным. Равнодействующая сил Лоренца, действующих на свободные электроны в поверхностном слое вещества, представляет собой силу, с которой свет давит на поверхность.

081614 2207 3 Давление света

Рисунок 2

1- зеркальное крылышко; 2- зачерненное крылышко; 3-зеркало; 4-шкала для измерения угла поворота; 5-стеклянная нить

Давление света может быть объяснено и на основе квантовых представлений о свете. Как указано выше, фотоны обладают импульсом. При столкновении фотонов с веществом часть фотонов отражается, а часть поглощается. Оба процесса  сопровождаются передачей импульса от фотонов к освещаемой поверхности. Согласно второму закону Ньютона, изменение импульса тела означает, что на тело действует сила светового давления Fдав. Отношение модуля этой силы к площади поверхности тела равно давлению света на поверхность: P = Fдав/S.

Существование давления света было экспериментально подтверждено Лебедевым. Прибор, созданный Лебедевым, представлял очень чувствительные крутильные весы. Подвижной частью весов являлась подвешенная на тонкой кварцевой нити легкая рамка со светлыми и темными крылышками толщиной 0.01 мм. Cвет оказывал разное давление на светлые (отражающие) и темные (поглощающие) крылышки. В результате на рамку действовал вращающий  момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света.

Величина давления зависит от интенсивности света. С ростом интенсивности растет число фотонов, взаимодействующих с поверхностью тела, и, следовательно, импульс, получаемый поверхностью.Мощные лазерные пучки создают давление, превышающее атмосферное.

При нормальном падении света на поверхность твердого тела давление света определяется формулой p = S(1 — R)/c, где S — плотность потока энергии (интенсивность света), R — коэффициент отражения света от поверхности.

Экспериментально давление света на твердые тела было впервые исследовано П.Н.Лебедевым в 1899. 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 (081614 2207 4 Давление света мм рт. ст.) стеклянном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались коромысла крутильных весов с закрепленными на них тонкими дисками-крылышками, которые и облучались. Крылышки изготавливались из различных металлов и слюды с идентичными противоположными поверхностями. Последовательно облучая переднюю и заднюю поверхности крылышек различной толщины, Лебедеву удалось нивелировать остаточное действие радиометрических сил и получить удовлетворительное (с ошибкой 081614 2207 5 Давление света%) согласие с теорией Максвелла. В 1907-10 Лебедев выполнил еще более тонкие эксперименты по исследованию давления света на газы и также получил хорошее согласие с теорией.

Давление света играет большую роль в астрономических и атомных явлениях. В астрофизике давление света наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитации. Действием давления света объясняются некоторые формы кометных хвостов. К атомным эффектам относится т. н. световая отдача, которую испытывает возбужденный атом при испускании фотона.

В конденсированных средах давление света может вызывать ток носителей (смотри Светоэлектрический эффект).

Специфические особенности давления света обнаруживаются в разреженных атомных системах при резонансном рассеянии интенсивного света, когда частота лазерного излучения равна частоте атомного перехода. Поглощая фотон, атом получает импульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбужденное состояние. Далее, спонтанно испуская фотон, атом приобретает импульс (световая отдача) в произвольном направлении. При последующих поглощениях и спонтанных испусканиях фотонов произвольно направленные импульсы световой отдачи взаимно гасятся, и, в конечном итоге, резонансный атом получает импульс, направленный вдоль светового луча резонансное давление света. Сила F резонансного давления света на атом определяется как импульс, переданный потоком фотонов с плотностью N в единицу времени: 081614 2207 6 Давление света, где 081614 2207 7 Давление света— импульс одного фотона, 081614 2207 8 Давление света— сечение поглощения резонансного фотона, 081614 2207 9 Давление света— длина волны света. При относительно малых плотностях излучения резонансное давление света прямо пропорционально интенсивности света. При больших плотностях N в связи с конечным (081614 2207 10 Давление света) временем жизни возбужденного уровня происходит насыщение поглощения и насыщение резонансного давления света (см. Насыщения эффект). В этом случае давление света создают фотоны, снонтанно испускаемые атомами со средней частотой 081614 2207 11 Давление света(обратной времени жизни возбужденного атома) в случайном направлении, определяемом диаграммой испускания атома. Сила светового давления перестаёт зависеть от интенсивности, а определяется скоростью спонтанных актов испускания: 081614 2207 12 Давление света. Для типичных значений 081614 2207 13 Давление светас-1 и 081614 2207 14 Давление светамкм сила давления света 081614 2207 15 Давление светаэВ/см; при насыщении резонансное давление света может создавать ускорение атомов до 105g (g — ускорение свободного падения). Столь большие силы позволяют селективно управлять атомными пучками, варьируя частоту света и по-разному воздействуя на группы атомов, мало отличающиеся частотами резонансного поглощения. В частности, удается 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 наиболее сильное тормозящее действие давления света испытывали наиболее быстрые атомы из-за их большего доплеровского смещения резонансной частоты. Другим возможным применением резонансного давления света является разделение газов: при облучении двухкамерного сосуда, наполненного смесью двух газов, один из которых находится в резонансе с излучением, резонансные атомы под действием давления света перейдут в дальнюю камеру.

Своеобразные черты имеет резонансное давление света на атомы, помещенные 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 наведенный 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 081614 2207 16 Давление света(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 081614 2207 17 Давление светадебай, 081614 2207 18 Давление светамкм и 081614 2207 19 Давление светаВ/см сила 081614 2207 20 Давление светаэВ/см.

Поле стоячей волны расслаивает пучок атомов, проходящий сквозь луч света, так как диполи, колеблющиеся в противофазе, двигаются по различным траекториям подобно атомам в опыте Штерна-Герлаха. В лазерных пучках на атомы, двигающиеся вдоль 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 вследствие того, что акты поглощения и испускания фотонов — чисто квантовые случайные процессы. Коэффициент пространственной диффузии для атома с массой M в бегущей волне равен 081614 2207 21 Давление света.

Подобное рассмотренному резонансное давление света могут испытывать и квазичастицы в твёрдых телах: электроны, экситоны и др.

 

 

 

 

Список литературы

 

  1. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Курс физики. М., 2008.

  2. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика. М., 2006.

     

bukvi.ru

Давление света — реферат

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 мала и маскируется в земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, см. Радиометрический эффект), которые могут превышать в тысячи раз величину Д. с. Для обнаружения Д. с. Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды (рис. 1). Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда G (рис. 2), из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги В. Перемещение зеркал S1, S4 давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить Д. с. на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Д. с. на газы, что было ещё труднее, так как Д. с. на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела.

Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследователей полностью согласуются со значением  Д. с., определённым на основе электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873), что явилось ещё одним важным подтверждением теории электромагнитного поля Фарадея — Максвелла. Согласно электромагнитной теории света, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности и электромагнитной энергии (энергии, заключённой в единице объёма) около поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность электромагнитной волны, падающей на 1 см2поверхности тела, равна S эрг/см2( сек), коэффициент отражения электромагнигной энергии от поверхности тела равен R, то вблизи поверхности плотность энергии u = S• (1+R)/c (с — скорость света). Этой величине и равно Д. с. на поверхность тела: р = S (1 + R)/c (эрг/см3 или дж/м3). Например, мощность солнечного излучения, приходящего на Землю, равна 1,4•106 эрг/(см2(сек) или 1,4•103 вт/м2, следовательно, для абсолютной поглощающей поверхности (когда R = 0) р = 4,3 •10-5lдин/см2 = 4,3•10-6 н/м2. Общее давление солнечного излучения на Землю равно 6•1013 дин (6•108 н), что в 1013 раз меньше силы притяжения Солнца.

Изотропное равновесное излучение  также оказывает давление на систему (тело), с которой оно находится  в термодинамическом равновесии:

р = u/3=1/3•sT4 ,

где s — постоянная Стефана —  Больцмана, Т — температура излучения. Существование Д. с. показывает, что поток излучения обладает не только энергией, но и импульсом, а следовательно, и массой.

С точки зрения квантовой теории, Д. с. — результат передачи телам импульса фотонов (квантов энергии электромагнитного поля) в процессах поглощения или отражения света. Квантовая теория даёт для Д. с. те же формулы.

Особо важную роль Д. с. играет в двух противоположных по масштабам областях явлений — в явлениях астрономических и явлениях атомарных. В астрофизике Д. с. наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитационного сжатия (при температуре ~ 107 градусов в недрах звёзд Д. с. достигает десятков млн. атмосфер). Д. с. существенно для динамики околозвёздного и межзвёздного газа; действием Д. с. объясняются некоторые формы кометных хвостов (см. Кометы). Д. с. вызывает возмущение орбит искусственных спутников Земли (особенно лёгких спутников-баллонов типа "Эхо" с большой отражающей поверхностью). К атомарным эффектам Д. с. относится "световая отдача", которую испытывает возбуждённый атом при испускании фотона. К Д. с. близко явление передачи гамма-квантами части своего импульса электронам, на которых они рассеиваются (см. Комптон-эффект), или ядрам атомов кристалла в процессах излучения и поглощения (см. Мёссбауэра эффект).

 

 

Не вызывает сомнений то, что световая энергия передаётся порциями, или квантами – о чём с очевидностью свидетельствует хотя бы явление фотоэффекта. Но сам процесс передачи кванта энергии допускает различные представления.

Согласно традиционному подходу, световую энергию переносят фотоны – самодостаточные стабильные частицы, существующие независимо от излучателя и поглотителя и движущиеся в пространстве со скоростью света c. Из этих представлений следует, что каждый фотон переносит не только энергию hf, где h – постоянная Планка, f – частота, но и импульс hf/c – т.е. свет должен оказывать давление на вещество.

Согласно же нашему подходу, фотонов  – в традиционном понимании –  не существует, поскольку физической энергией, в самых разнообразных  её формах, обладает только вещество. По логике «цифрового» мира, кванты световой энергии перебрасываются непосредственно с атома на атом, без прохождения по разделяющему атомы пространству – причём, такой переброс осуществляется, практически, мгновенно. Об этой мгновенности свидетельствует эффект, впервые обнаруженный Басовым с сотрудниками (см. обзор [1]): «выпадение» групповой задержки на прохождение лазерного импульса между генератором и нелинейной ячейкой – при совпадении их спектральных линий. Таким образом, передача кванта световой энергии представляет собой цепочку его мгновенных перебросов с атома на атом. Конечность же скорости света обусловлена, на наш взгляд, конечным быстродействием алгоритма, называемого нами «навигатором квантовых перебросов энергии» [2], который осуществляет поиск атомов-получателей, т.е. прокладывает путь кванту световой энергии и, в итоге, отвечает за геометрические и волновые эффекты при распространении света. Согласно этим представлениям, при передаче кванта световой энергии не происходит передача импульса, т.е. свет не должен оказывать давление на вещество.

Данная статья представляет собой  критический обзор ключевых экспериментов, которые, как обычно полагают, доказывают наличие давления света. Мы увидим, что эти «доказательства» основаны либо на недоразумениях, либо на сознательном искажении фактической экспериментальной картины. Между тем, эта фактическая картина допускает более разумную и правдоподобную интерпретацию, основанную на наших представлениях – согласно которым, при передаче кванта световой энергии не происходит передача импульса.  

 

О хвостах комет.

Известно, что чем ближе комета находится к своему перигелию, тем  сильнее её ядро «пылит и газит», и тем сильнее это пыле-газовое  облако (кома) «сметается» в направлении  от Солнца – отчего у кометы формируется  хвост. Считается, что Кеплер первый высказал в 1619 г. гипотезу о том, что «сметающее» действие, формирующее хвосты комет, является давлением светового излучения Солнца. Впоследствии электромагнитная теория света Максвелла привела к выводу о том, что давление света прямо пропорционально световой энергии, ортогонально падающей на площадку в единицу времени. Например, для давления, оказываемого солнечными лучами на радиусе орбиты Земли, на основе величины солнечной постоянной, »1400 Вт/м2, получается величина около 5×10-6 н/м2. Лебедев утверждал [3], что именно давление солнечного света формирует хвосты комет, но соответствующих расчётов он не привёл – для таких расчётов требовалось знать множество параметров пыле-газовых облаков комет, а этими знаниями наука тогда не располагала.

Сегодня, когда наука такими знаниями располагает, всё так же необоснованно  считается, что давление солнечного света является основным фактором, формирующим хвосты комет. Между  тем, сегодня известно о потоке плазмы от Солнца – солнечном ветре – частицы которого, несомненно, переносят импульс. Оценим результирующее давление при ортогональном падении этих частиц на площадку. При средних значениях параметров солнечного ветра на радиусе орбиты Земли, т.е. при концентрации частиц, равной 10 протонам в 1 см3, и их скоростях, равных 500 км/c [4], для искомого давления получаем величину »4.3×10-9 н/м2. Это на три порядка меньше величины светового давления, полученной на основе солнечной постоянной (см. выше) – и, казалось бы, говорить о действии солнечного ветра применительно к хвостам комет неуместно, поскольку здесь световое давление явно доминирует. Однако, такой подход не учитывает одно важное обстоятельство. А именно: солнечная постоянная характеризует излучение в широком сплошном спектре. Молекулы же газов, из которых состоит кома кометы, рассеивают, согласно квантовой теории, лишь то излучение (в видимом диапазоне), которое попадает на узкие линии поглощения. При этом, для грубой оценки можно считать, что результирующая «рабочая» доля световой энергии уменьшена в Vэфф/c раз, где Vэфф – эффективная скорость газовых молекул в коме кометы. Ясно, что Vэфф не может превышать космические скорости, с которыми движутся кометы, иначе кома не могла бы формироваться. И тогда, даже при Vэфф в десяток километров в секунду, поправочный коэффициент Vэфф/c для светового давления имеет порядок 10-4 – и, таким образом, даже если световое давление имеет место, доминирующим оказывается действие солнечного ветра. Это сравнение было сделано для удаления от Солнца, равного радиусу орбиты Земли, но и на меньших удалениях картина принципиально не меняется.

Подчеркнём, что вопрос о том, какое  из двух давлений – солнечного света  или солнечного ветра – является доминирующим при формировании хвостов  комет, без особых проблем мог быть разрешён астрономическими наблюдениями. Известно, что в годы активного Солнца интенсивность солнечного ветра возрастает на порядок, тогда как солнечный световой поток, практически, постоянен. Таким образом, при доминировании давления солнечного света, заметной разницы у хвостов комет при спокойном и активном Солнце не наблюдалось бы, а при доминировании давления солнечного ветра – разница наблюдалась бы. О недостатке объектов для наблюдения говорить не приходится: «Ежегодно наблюдается около десятка комет. Из них… 4-5 наблюдавшихся ранее, причём об их повторном появлении известно заранее. Две кометы – Швассмана-Вахмана и Отерма – наблюдаются ежегодно» [5]. Тем не менее, нам удалось найти лишь одно свидетельство по данному вопросу: «Немецкий астроном Бирманн недавно выдвинул предположение, что солнечное корпускулярное излучение, т.е. частицы, вылетающие из Солнца с большими скоростями, тоже могут играть важную роль; он нашёл подтверждение своей теории в изучении влияния солнечных магнитных бурь на комету Уиппла-Федтке» [6]. Одного этого свидетельства достаточно для вывода о том, что хвосты комет формируются, главным образом, под действием солнечного ветра – и, таким образом, хвосты комет не могут служить доказательством наличия светового давления.

Добавим, что специалисты по космонавтике говорят о влиянии давления солнечного света на движение космических аппаратов. Едва ли можно сомневаться в том, что и в данном случае проявляется, в действительности, давление солнечного ветра.  

 

Опыты Лебедева по исследованию светового давления.

Считается, что первым лабораторным подтверждением наличия светового  давления являются опыты Лебедева [7].

В этих опытах свет от электрической  дуги направлялся на мишени из фольги, прикреплённые к крылышкам лёгких крутильных маятников разных конструкций. Часто встречается неверное изложение процедуры: Лебедев, якобы, направлял световой поток попеременно то на одну поверхность мишени, то на другую – с периодичностью, соответствующей периоду собственных колебаний крутильного маятника – и, таким образом, раскачивал его. Судя по описанию [7], попеременность направления света на ту или иную сторону мишени использовалась не для раскачки маятника, а для смещения его нулевого положения. За время освещения с одной стороны, маятнику давали совершить одно полное колебание, замечая при этом три положения максимальных отклонений – по которым вычисляли нулевое положение. Затем свет направляли с другой стороны, и точно так же находили новое нулевое положение. Половина разности между этими двумя нулевыми положениями, как полагали, соответствовала силовому эффекту от светового давления.

Одним из главных  факторов, маскировавших искомый  эффект, являлись радиометрические силы [7]. Эти силы обусловлены тем, что, в прилегающем к мишени объёме, температура газа с освещённой стороны выше, чем с неосвещённой – что порождает соответствующую разницу давлений на мишень. Радиометрические силы в значительной степени ослаблялись вакуумированием баллона, в котором помещался крутильный маятник; но полностью эти силы, конечно, не устранялись. Вызывает недоумение тот факт, что величину ожидаемого эффекта из-за действия этих сил – для реальных условий опыта – автор не привёл. Тогда не могло ли оказаться, что этими силами был обусловлен весь наблюдаемый эффект?

В пользу этого подозрения мы усматриваем одно важное свидетельство. Согласно теории Максвелла, давление света зависит от коэффициента отражения r поверхности, на которую падает свет: p=(E/c)(1+r), где E – световая энергия, падающая ортогонально на единицу поверхности в единицу времени, r=0 для абсолютно поглощающей поверхности, и r=1 – для абсолютно отражающей. Для проверки этого вывода Лебедев использовал два типа мишеней: сильно поглощающих, покрытых платиновой чернью – и сильно отражающих, имевших зеркальное напыление. По сравнению с первыми, для вторых эффект от светового давления ожидался почти в два раза большим – но этого не обнаружилось. Имело место лишь незначительное превышение наблюдаемого эффекта для зеркальных мишеней по сравнению с чернёными. На основе рядов данных в [7], которые имеет смысл сравнивать, т.е. полученных для одного и того же маятника и одного и того же калориметра, измерявшего падавшую энергию, мы получили следующие средние величины эффекта (в условных единицах):

маятник N2 – (чернь) 1.55±0.07,  (зеркала) 1.89±0.31;

маятник N3 – (чернь) 1.30±0.18,  (зеркала) 1.70±0.24.

Как можно видеть, для маятника N2 отношение средних величин эффектов для чернённых и зеркальных мишеней составило всего-то 1.2, а для маятника N3 – 1.3. Эти цифры говорят о том, что Лебедев имел дело не с «максвелловским давлением», а, по-видимому, с остаточными радиометрическими силами.

Ещё более странное впечатление  производит работа Лебедева [8], в которой  он исследовал «давление света» на газы.  

 

Где же повторения опытов Лебедева?

Спустя десятилетия, опыты Лебедева могли быть повторены  в условиях, гораздо более благоприятных  для устранения радиометрических сил. В баллоне Лебедева давление остаточных газов было несколько ниже, чем 10-4 мм.рт.ст. [7]. Для сравнения: при поточном производстве радиоламп, их колбы откачивали до давления 10-7 мм.рт.ст. [9], а в экспериментальных технических установках достигается давление ещё на несколько порядков ниже. Кроме того, могли быть использованы лазерные источники света, которые не только давали бы гораздо более мощный, чем у Лебедева, поток световой энергии, но и, при подходящем выборе рабочей длины волны, практически исключали бы действие света на остаточные газы. Однако, про сообщения о подобных опытах нам неизвестно. Не связано ли это с тем, что, при избавлении от радиометрических сил, пропадает и наблюдаемый эффект?

referat911.ru

Реферат Световое давление

скачать

Реферат на тему:

План:

Введение

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

1. История

Схематическое изображение опыта Лебедева

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 крутильные 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). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.

Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907—1910 гг. Лебедев провёл более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией[1].

2. Вычисление

2.1. В отсутствие рассеяния

Для вычисления давления света при нормальном падении излучения и отсутствии рассеяния можно воспользоваться следующей формулой:

p = \frac{I}{c} (1 - k + \rho),

где I\,\! — количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м² поверхности за 1 с, т. е. интенсивность падающего излучения; c\,\! — скорость света, k\,\! — коэффициент пропускания, \rho\,\! — коэффициент отражения.

Давление солнечного света на перпендикулярную свету зеркальную поверхность, находящуюся в космосе в районе Земли, легко рассчитать через плотность потока солнечной (электромагнитной) энергии на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (солнечная постоянная). Оно составляет 4,6 мкН/м² = 4,6×10−11 атм (см. солнечная постоянная).

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

\vec p = w ((1-k)\vec i - \rho\, \vec {i'}) \cos \theta,

где w\, — объёмная плотность энергии излучения, k\,\! — коэффициент пропускания, \rho\, — коэффициент отражения, \vec i — единичный вектор в направлении падающего пучка, \vec {i'} — единичный вектор в направлении отражённого пучка.

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

{f_{\tau}}\, = w ((1-k)\sin \theta - \rho \sin \theta) \cos \theta = w (1 - k - \rho) {\sin \theta} {\cos \theta}.

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна: {f{n}}\, = w ((1-k)\cos \theta - \rho (- \cos \theta)) \cos \theta = w (1 - k + \rho) \cos^2 \theta.

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно: \frac{f{n}}{f{\tau}} = \frac{1 - k + \rho}{1 - k - \rho} {\rm ctg\,} \theta.

2.2. При рассеянии

Если рассеяние света поверхностью и при пропускании, и при отражении подчиняется закону Ламберта, то при нормальном падении давление будет равно:

p = \frac{I}{c} (1 + \frac{2}{3}(A - K))

где I\,\! — интенсивность падающего излучения, K\,\! — коэффициент диффузного пропускания, A\,\! — альбедо.

Вывод  

Найдём импульс, уносимый электромагнитной волной от ламбертова источника.

Полная светимость ламбертова источника, как известно, равна:

E = πBn

где Bn — сила света в направлении нормали.

Отсюда сила света под произвольным углом θ к нормали, по закону Ламберта, равна:

B = B_n \cos \theta = \frac{E}{\pi} \cos \theta.

Энергия, излучаемая в элемент телесного угла, имеющий вид сферического кольца, равна:

d E = B d \Omega = (\frac{E}{\pi} \cos \theta) d \Omega = (\frac{E}{\pi} \cos \theta)(2 \pi \sin \theta d \theta) = 2E \cos \theta \sin \theta d \theta

Для определения импульса, уносимого излучением, нужно учитывать только его нормальную составляющую, так как в силу поворотной симметрии все тангенциальные составляющие взаимно компенсируются:

dp = \frac{d E}{c} \cos \theta

Отсюда

p = \int \frac{d E}{c} \cos \theta = \frac{2 E}{c} \int\limits_{0}^{\pi/2} \cos^2 \theta \sin \theta \, d \theta = \frac{2 E}{c} \int\limits_{\pi/2}^{0} \cos^2 \theta \, d \cos \theta = \frac{2 E}{c} \int\limits_{0}^{1} x^2 \, d x = \frac{2}{3}\frac{E}{c}

Для рассеянного обратно излучения E = AI и p = \frac{2}{3} A \frac{I}{c}

Для излучения, прошедшего сквозь пластинку, E = KI и p = - \frac{2}{3} K \frac{I}{c} (минус возникает из-за того, что это излучение направлено вперёд).

Складывая давление, создаваемое падающим и обоими видами рассеянного излучения, получаем искомое выражение.

В случае, когда отражённое и пропущенное излучение является частично направленным и частично рассеянным, справедлива формула:

p = \frac{I}{c} (1 + \rho - k + \frac{2}{3}(A - K))

где I\,\! — интенсивность падающего излучения, k\,\! — коэффициент направленного пропускания, K\,\! — коэффициент диффузного пропускания, \rho\, — коэффициент направленного отражения, A\,\! — альбедо рассеяния.

2.3. Давление фотонного газа

Изотропный фотонный газ, имеющий плотность энергии u, оказывает давление:

p = \frac{1}{3} u

В частности, если фотонный газ является равновесным (излучение абсолютно чёрного тела) с температурой T, то его давление равно:

p = \left(\frac{\pi^2k^4}{45c^3\hbar^3}\right) T^4 = \frac{4}{3c}\sigma T^4

где σ — постоянная Стефана-Больцмана

3. Физический смысл

Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c.

В электродинамике давление электромагнитного излучения описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.

3.1. Корпускулярное описание

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

3.2. Волновое описание

С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.

4. Применение

Возможными областями применения являются солнечный парус и разделение газов[1], а в более отдалённом будущем — фотонный двигатель.

В настоящее время широко обсуждается возможность ускорения световым давлением, создаваемым сверхсильными лазерными импульсами, тонких (толщиной в 5-10 нм) металлических плёнок с целью получения высокоэнергичных протонов[2].

Примечания

  1. ↑ 12Давление света - www.astronet.ru/db/msg/1177637 // Физическая энциклопедия. — М., «Советская энциклопедия», 1988. — Т. 1. — С. 553-554.
  2. T. Esirkepov, M. Borghesi, S. V. Bulanov, G. Mourou, and T. Tajima Highly Efficient Relativistic-Ion Generation in the Laser-Piston Regime - prola.aps.org/abstract/PRL/v92/i17/e175003  (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2004. — Т. 92. — С. 175003.

Литература

wreferat.baza-referat.ru

Давление света

      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 = 3·108 м/с, масса и энергия покоя любого фотона равны нулю, энергия фотона E связана с частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ формулой

  (2.7.1) 

      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

  (2.7.2) 

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) 
  . (2.7.4) 

      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).

Рис. 2.10

      Вычислим величину светового давления.

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

Рис. 2.11

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

      Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс:

  . (2.7.5) 

      Каждый отраженный фотон передаст телу импульс:

  , (2.7.6) 

т.к. .

      В единицу времени все N квантов сообщают телу импульс р:

  . (2.7.7) 

      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:

  , (2.7.8) 

·     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).

Рис. 2.12        Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:        Красная граница фотоэффекта.      Фотоэффект.      Распределение энергии в сплошном спектре.

ens.tpu.ru

Давление света — реферат

Впрочем, нам  известна одна статья [10], посвящённая  демонстрациям давления лазерного  света. В первом из описанных там  экспериментов, лазерный луч слабо  фокусировался в кювете с жидкостью, в которой были взвешены мелкодисперсные полупрозрачные диэлектрические шарики. В створе светового луча наблюдались два типа движений шариков: вдоль луча – сонаправленно с потоком световой энергии – и поперёк луча. Едва ли можно сомневаться в том, что движение шариков вдоль луча не вызывалось световым давлением, а представляло собой фотофорез, обусловленный более высокой температурой жидкости с освещённой стороны шарика – автор [10] и не оспаривает этот тезис. Поперечные же движения шариков считались следствием светового давления, согласно следующей модели. Рассматривался случай, когда шарик находится в створе светового гауссова пучка, на некотором удалении от его центральной оси. Испытывая преломление на поверхностях шарика, лучи света изменяют свои направления, отчего шарику, якобы, передаются импульсы отдачи. Ввиду радиального уменьшения интенсивности в гауссовом пучке, на половину освещённой полусферы шарика, находящейся ближе к центральной оси пучка, падает больший световой поток, чем на другую половину – отчего суммарная отдача в радиальном направлении не равна нулю. Странным образом, в этой модели не учитывается отражение падающих на шарик лучей – а ведь тогда, при тех же исходных предпосылках, суммарная отдача имела бы прямо противоположное направление. Вновь, ни о каком подтверждении наличия светового давления говорить не приходится.

Второй эксперимент, описанный в [10], это «оптическая  левитация»: удержание на весу в  воздухе крупинки вещества, подсвечиваемой лазерным лучом снизу. Опять же: где доказательства, что крупинка удерживается световым давлением, а не радиометрическими силами? Второй из этих вариантов, на наш взгляд, гораздо правдоподобнее. Плохи дела с экспериментальным подтверждением наличия светового давления, если журнал УФН перепечатывает подобные бездоказательные статьи.

Добавим, что  УФН напечатал ещё статью [11] –  «Резонансное световое давление». Это  многообещающее название обманчиво, т.к. статья [11] имеет чисто теоретический  характер.  

 

Об эффекте Комптона.

Эффект Комптона, как полагают, является первым экспериментальным  свидетельством о том, что отдельные  фотоны переносят импульс.

Этот эффект заключается в увеличении длины волны рентгеновских лучей, рассеянных на мишенях из лёгких химических элементов. Комптоновский сдвиг не зависит от атомного номера элемента рассеивателя, он зависит лишь от угла, на который происходит рассеяние, причём в выражение для комптоновского сдвига входит, в качестве константы, комптоновская длина волны электрона. Ввиду этого последнего обстоятельства считается, что комптоновское рассеяние происходит при неупругом соударении рентгеновского фотона со «слабо связанным» атомарным электроном – отчего фотон передаёт часть своей энергии этому электрону, выбивая его из атома и превращая в «электрон отдачи». Законы сохранения энергии-импульса, применённые к подобному неупругому соударению, дают подтверждаемое опытом выражение для комптоновского сдвига длины волны.

Однако, такой подход объясняет  отнюдь не все главные особенности рассеяния рентгеновских лучей. Так, в рассеянном на любой угол излучении присутствует компонента с не изменённой длиной волны. Полагают, что эта компонента порождается при таком рассеянии фотона на атомарном электроне, при котором электрон из атома не выбивается – т.е. фотон соударяется, фактически, с атомом, импульс отдачи которого ничтожен. Но до сих пор нет разумного объяснения тому, что фотон с энергией, на три порядка большей энергии связи атомарного электрона, в одних случаях выбивает электрон из атома, а в других случаях не выбивает его – рассеиваясь при этом на один и тот же угол. Уничтожающим же доводом против квантовой теории комптоновского рассеяния является наличие, в рассеянном на любой угол излучении, анти-комптоновской компоненты, длина волны которой уменьшена на величину комптоновского сдвига.

Между тем, названные и некоторые  другие особенности феномена, малопонятные с позиций комптоновского подхода, находят естественное объяснение [12]. Мы полагаем, что комптоновская и  анти-комптоновская компоненты порождаются в результате обработки навигатором (см. выше) задачи рассеяния не на атомарном электроне, а на комплексе «нейтрон-протон-нейтрон» в ядре, причём в таком комплексе рассеивающий центр совершает циклические «скачки» в пространстве – на расстояние, равное как раз комптоновской длине волны электрона. Результирующие комптоновский и анти-комптоновский сдвиги длины волны оказываются тривиальным геометрическим эффектом работы навигатора – без «соударения» рентгеновского кванта с рассеивающим центром и, соответственно, без выбивания электрона отдачи. Эти представления отнюдь не противоречат результатам экспериментов, призванных проиллюстрировать разлёт продуктов комптоновского рассеяния – а именно, доказать, что рассеянный фотон и электрон отдачи вылетают одновременно, и что направления их разлёта находятся в согласии с законами сохранения энергии-импульса. В [12] дан критический обзор экспериментов подобного рода, и показана их полная бездоказательность.

В итоге, более адекватное объяснение особенностей рассеяния рентгеновских лучей даёт наша модель [12], согласно которой рентгеновские кванты не переносят импульс.  

 

Об эффекте Мёссбауэра.

Эффект Мёссбауэра считается свидетельством о переносе импульса g-квантами. До открытия Мёссбауэра, наблюдение резонансного ядерного поглощения было затруднено – как считалось, из-за эффекта отдачи: g-квант, якобы, передаёт часть своего импульса как излучающему его ядру, так и поглощающему, отчего их совпадающие невозмущённые линии «разъезжаются» на величину, превышающую их ширины. Доказательством справедливости такого подхода считалось увеличение вероятности резонансного поглощения при допплеровской компенсации рассогласования линий излучателя и поглотителя. И, когда Мёссбауэр обнаружил резонансное поглощение при отсутствии допплеровской компенсации, а при условиях, когда ядра-излучатели и ядра-поглотители входили в состав кристаллических структур, находившихся при достаточно низкой температуре – был сделан вывод о том, что здесь отдача от g-кванта воспринимается не одиночным ядром, а всем кристаллом в целом, становясь при этом, практически, нулевой.

Однако, наш анализ [13] показал, что  в не-мёссбауэровских случаях  резонансного ядерного поглощения имела  место селекция опытных данных: та их часть, которая не согласовывалась с концепцией отдачи от g-кванта – несомненно, замалчивалась. В лучшем согласии с опытными данными оказывается наша модель [13] – согласно которой, резонансному ядерному поглощению в обычных условиях препятствует не «эффект отдачи», а допплеровские смещения, обусловленные тепловыми колебаниями ядер в твёрдых телах. При достаточно низких температурах, когда размах тепловых колебаний ядер становится меньше длины волны g-излучения, допплеровские смещения становятся нулевыми из-за эффекта Лэмба-Дика – и имеет место мёссбауэровский режим. Из нашего подхода следует, что, у конкретного кристалла, переход в мёссбауэровский режим для различных длин волн g-излучения происходит при различных температурах – а не при одной и той же, дебаевской, как это следует из традиционного подхода. Именно наш подход лучше согласуется с опытом: чего стоит один лишь факт мёссбауэровского поглощения для перехода 14.4 кэВ у железа при температурах вплоть до 1046оК, хотя дебаевская температура у железа равна 467оК. Кроме того, из нашего подхода следует, что мёссбауэровские ширины определяются не естественными ширинами ядерных линий, а параметрами кристаллической решётки, которая в мёссбауэровском режиме является высокодобротным интерференционным фильтром. Следствием этого вывода является предсказание об анизотропии эффекта Мёссбауэра для монокристаллических образцов – что действительно имеет место. Любое объяснение этой анизотропии с позиций традиционного подхода является противоречивым, поскольку здесь для кристаллической решётки подразумевается абсолютная жёсткость, при которой отдача от g-кванта воспринимается «всем кристаллом» одинаково во всех направлениях.

В итоге, резонансное ядерное поглощение гораздо адекватнее объясняется  на основе нашей модели [13], в которой g-кванты не переносят импульс, так что никакой «отдачи» у излучающих и поглощающих их ядер не происходит.  

 

О лазерном охлаждении ионов  и оптических ловушках.

После создания сверхузкополосных  перестраиваемых лазеров, бурно  развивается спектроскопия атомов и ионов, охлаждённых и удерживаемых лазерным излучением (см., например, обзор [14]). Лазерное охлаждение атомов и ионов, а также их удержание в оптических ловушках, считаются несомненными свидетельствами передачи этим атомам и ионам импульсов фотонов, которых они резонансно поглощают. Но, на наш взгляд, здесь происходят совсем иные процессы.

Так, техника лазерного охлаждения ионов «на боковой полосе»  заключается в следующем. Ионы, удерживаемые как в радиочастотной, так и  в пеннинговской ловушке (см. обзор [14]), совершают колебания в области устойчивого движения. Облачко ионов подсвечивается лазерным лучом, частота которого ниже частоты «охлаждающего» оптического перехода у ионов на частоту их колебательных движений – с таким расчётом, что ионы, движущиеся навстречу лазерным фотонам, воспринимают их допплеровски увеличенную частоту как резонансную, и эффективно их поглощают. Переизлучение же поглощённых фотонов, как полагают, происходит спонтанно, в произвольном направлении. Таким образом, при поглощении фотонов, у колеблющегося иона накапливается тормозящий импульс, а, при их переизлучении, усреднённый импульс отдачи стремится к нулю – так что колебательные движения ионов гасятся.

Мы же полагаем, что гашение колебаний  здесь происходит иначе. Бесспорно, что при поглощении ионом порции световой энергии hf, масса иона увеличивается на величину hf/c2, а при излучении такой же порции энергии, масса иона уменьшается до прежнего значения. К чему могут привести повторяющиеся увеличения-уменьшения массы колеблющегося иона? Напрашивается ответ: они могут привести – без какой бы то ни было передачи импульса – либо к параметрическому гашению колебаний иона, либо, наоборот, к их параметрической раскачке. Поскольку нет гарантий, что циклы увеличения-уменьшения массы иона синхронизированы с циклами его колебаний, то ясно, что параметрическое гашение колебаний будет происходить с меньшей вероятностью, чем их параметрическая раскачка. Из практики хорошо известно, что лишь ничтожный процент ионов из облачка испытывает «лазерное охлаждение» - а остальные, наоборот, покидают зону устойчивого движения. Заметим, что параметрическое гашение колебаний ионов происходило бы с неменьшим успехом в случае, когда частота лазера выше частоты оптического перехода на колебательную частоту, т.е. когда резонансно поглощают ионы, движущиеся попутно с фотонами – хотя, согласно традиционной логике, в такой ситуации должен иметь место «лазерный разогрев» ионов.

Ещё один важный экспериментальный  результат – это удержание  атомов лазерными лучами. Так, в стандарте частоты, называемом «цезиевый фонтан» (см., например, [15]), облачко атомов цезия удерживается в «холодном», т.е., практически, в неподвижном состоянии благодаря подсветке, с шести сторон, лазерными лучами, частота которых на ~5 МГц ниже невозмущённой частоты оптического перехода (l=852 нм) в цезии. Считается, что при движении атома, уводящем его из области перекрестья лучей, он резонансно поглощает фотоны встречного луча и, таким образом, тормозится из-за эффекта отдачи.

Мы же полагаем, что и в данном случае дело заключается не в эффекте отдачи. Находящийся в движении атом воспринимает, из-за эффекта Допплера, частоту встречного луча увеличенной, а частоту попутного луча – уменьшенной. При этом, поразительным образом, искусственно имитируется пребывание атома в условиях градиента частот [16], который порождает безотдачное силовое воздействие, направленное в сторону понижения частот. В результате атом приобретает тормозящее безопорное ускорение, энергетически обеспеченное превращением части его собственной энергии (т.е. массы) в кинетическую энергию – как это происходит согласно нашей модели действия тяготения на вещество [17].

Добавим, что на том же самом  принципе – имитации градиента частот – производится подброс облачка  атомов в «цезиевом фонтане». Для этого частоты лазеров, подсвечивающих облачко сверху и снизу, на время порядка одной миллисекунды сдвигают на несколько МГц – частоту подсветки сверху уменьшают, а частоту подсветки снизу увеличивают. В результате этой процедуры облачко атомов, испытавших кратковременную имитацию вертикального градиента частот, начинает свой свободный полёт вверх. Разумеется, традиционный подход объясняет такой подброс облачка атомов иначе – как результат накопления импульсов поглощённых фотонов из подсветки снизу. Для того, чтобы таким способом атому цезия была сообщена скорость в несколько метров в секунду, он должен накопить импульс от ~1000 оптических фотонов – что, за время «подбрасывающего режима», вполне возможно. Но обратим внимание на одно важное обстоятельство. Из опыта достоверно известно, что начальная скорость свободного полёта облачка ионов вверх – по окончании «подбрасывающего режима» - прямо пропорциональна применённой разности частот подсветок снизу и сверху. Между тем, увеличение этой разности частот, вообще говоря, не должно приводить к прямо пропорциональному увеличению числа поглощённых фотонов за время «подбрасывающего режима» - при том, что энергия этих фотонов остаётся, практически, неизменной. Отчего же усиливается подброс при увеличении разности частот подсветок снизу и сверху? Наше объяснение, через имитацию градиента частот, выглядит предпочтительнее.

Похоже, мы имеем дело с парадоксальной ситуацией: экспериментаторы научились  искусственно создавать условия, при  которых возникает безопорное движение атомов – но, не веря глазам своим, пытаются втиснуть эти результаты в рамки традиционных понятий.  

 

Крах концепции фотона.

Приведём краткую сводку особенностей, ставящих под сомнение существование  фотонов – как их традиционно  представляют.

Порции световой энергии перебрасываются непосредственно с атома на атом – причём, практически, мгновенно [1]. При этом не происходит передача импульса: как мы постарались показать в данной и в предшествующих статьях [18,12,13], результаты ключевых экспериментов находят более адекватное объяснение (по сравнению с традиционным) на основе нашей модели – согласно которой, никакой «отдачи» при квантовом перебросе световой энергии не происходит (поэтому фотонные ракеты – это утопия). Сюда следует добавить вывод о том, что фотоны не испытывают гравитационных сдвигов частоты [19,20]: этим сдвигам подвержены лишь уровни энергии в веществе. Совершенно аналогично, фотоны не испытывают квадратично-допплеровских сдвигов частоты [21,20]: этим сдвигам также подвержены лишь уровни энергии в веществе. Кроме того, фотоны не испытывают и линейно-допплеровских сдвигов частоты [2]: с этими сдвигами имеет дело навигатор квантовых перебросов энергии [2], но сама перебрасываемая порция энергии не изменяется от того, что отдающий и принимающий атомы каким-то образом движутся. Наконец, традиционные представления об аннигиляции и рождении электрон-позитронных пар, в которых подразумевается полноценность фотона как частицы, основаны на недоразумениях. Наш анализ [22] экспериментов показал, что электрон и позитрон при аннигиляции не исчезают полностью: излучая, при таком событии, один g-квант с энергией 511 кэВ, они образуют «предельно связанную пару» [22] – которая, при сообщении ей достаточной энергии возбуждения, способна диссоциировать на пару электрон-позитрон. К тому же, не наблюдалось прямого превращения g-кванта в электрон-позитронную пару: эта пара вылетает из ядра, в которое попадает g-квант с достаточной энергией [22]. Таким образом, о взаимопревращениях между веществом и фотонами говорить не приходится.

Что же остаётся от традиционной концепции  фотона? Эта концепция совершенно излишняя с позиций нашей модели «цифрового» физического мира, процессы в котором происходят в результате работы программных предписаний, обеспечивающих выполнение физических законов. Так, распространение света управляется навигатором квантовых перебросов энергии [2]. Такой подход избавляет от необходимости приписывать фотону необъяснимые свойства, прикрываемые термином «корпускулярно-волновой дуализм», поскольку за особенности распространения света, в том числе и за волновые свойства, отвечает навигатор. При таком подходе немедленно устраняются парадоксы, связанные с «редукцией волнового пакета» для фотона в явлениях интерференции и дифракции, с «интерференцией» фотонов, летящих поодиночке, с «интерференцией» фотона с самим собой, и т.п.  

referat911.ru

Смотрите также