Давление света с точки зрения электромагнитной теории

Давление света

Энергия фотона:.

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда — масса фотона.

Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Давление света

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие(благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v — направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).

Это давление оказалось

4 . 10 -6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н.Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.

Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом

Эффект Комптона (1923)

А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения, что опытом не подтверждается.

При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А. Комптона можно объяснить следующим образом.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон — электрон:

где mc 2 — энергия неподвижного электрона; hv — энергия фотона до столкновения; hv‘ — энергия фотона после столкноВЕНИЯ, P и p’ — импульсы фотона до и после столкновения; mv — импульс электрона после столкновения с фотоном.

Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах:

где — так называемая комптоновская длина волны.

Корпускулярно-волновой дуализм

Конец XIX в.: фотоэффект и эффект Комптона подтвердили теорию Ньютона, а явления дифракции, интерференции света подтвердили теорию Гюйгенса.

Таким образом, многие физики в начале XX в. пришли к выводу, что свет обладает двумя свойствами:

Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства света и менее — волновые.

Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон — как волна или как частица,—зависит от характера проводимого над ним исследования.

Давление света с точки зрения электромагнитной теории света

Давление света

Экспериментально световое давление было впервые обнаружено и измерено Лебедевым в 1899 году. Лебедев показал, что свет, падая на тела, оказывает на них давление, зависящее, с одной стороны, от интенсивности света, а с другой стороны – от отражающей способности поверхности этого тела. Давление света на вещество очень мало (

). Однако, оно позволяет объяснить ряд явлений, например, образование кометных хвостов, направленных от Солнца. Теоретически световое давление может быть объяснено как с точки зрения электромагнитной (волновой) теории Максвелла, так и с точки зрения квантовой теории – теории фотонов.

Давление света с точки зрения электромагнитной теории света

Поскольку свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, то, падая на поверхность тела, он производит следующие действия. Под действием силы, действующей со стороны электрического поля световой волны на заряды вещества, в проводниках возникает ток проводимости , в диэлектриках смещение положительных и отрицательных зарядов, которое можно рассматривать как поляризационный ток смещения. Направление тока совпадает с направлением вектора Магнитное поле световой волны, характеризуемое вектором индукции магнитного поля , действует на этот ток по закону Ампера (правило левой руки) так, что направление действующей силы совпадает с направлением распространения света. Т.е. заряды, расположенные на поверхности проводника и связанные с его атомами, «вдавливаются» в тело.

Давление света.. Максвелл теоретически показал, что электромагнитные волны должны производить давление на встречающиеся на их пути тела

Максвелл теоретически показал, что электромагнитные волны должны производить давление на встречающиеся на их пути тела.

Опр. 26.1. Давление света –механическое действие, производимое электромагнитными волнами при падении на какую-либо поверхность.

где объемная плотность энергии электромагнитного поля волны, коэффициент отражения, угол между направлением распространения волны и внутренней нормалью к поверхности тела (угол падения)

Согласно электромагнитной теории света, давление света объясняется возникновением механических сил, действующих на электроны, находящиеся на поверхности освещаемого тела, со стороны электрической и магнитной компонент поля световой волны. Электрическое поле световой волны вызывает колебания заряда в поверхностном слое тела. Магнитное поле действует на эти заряды с лоренцовой силой, направление которой совпадает с направлением вектора Пойнтинга световой волны. Величина давления света, оказываемого на некоторую поверхность нормально падающим на нее параллельным пучком света, определяется абсолютной величиной вектора Пойнтинга.

, (5.5)

гдеэнергия электромагнитного излучения, коэффициент отражения света от поверхности.

Для абсолютно поглощающего (абсолютно черного) тела и . Для абсолютно отражающего тела и .

Экспериментальное доказательство существования светового давления на твердые тела и газы дано в опытах П.Н.Лебедева, сыгравших большую роль в утверждении теории Максвелла.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Давление света. Опыты Лебедева

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Рис. 1. Опыт Максвелла

Для доказательства теории Максвелла необходимо было измерить давление света. Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 году (Рис. 2).

Рис. 2. Петр Николаевич Лебедев

Рис. 3. Прибор Лебедева

Прибор Лебедева (Рис. 3) состоит из легкого стержня на тонкой стеклянной нити, по краям которой прикреплены легкие крылышки. Весь прибор помещался в стеклянный сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падает на крылышки, расположенные по одну сторону стерженька. О значении давления можно судить по углу закручивания нити. Трудность точного измерения давления света была связана с тем, что из сосуда невозможно было выкачать весь воздух. При проведении эксперимента начиналось движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда. Крылышки невозможно повесить абсолютно вертикально. Нагретые потоки воздуха поднимаются наверх, действуют на крылышки, что приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов. Также на закручивание нити влияет неоднородный нагрев сторон крылышек. Сторона, обращенная к источнику света, нагревается больше, чем противоположная. Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс.

Рис. 4. Прибор Лебедева

Рис. 5. Прибор Лебедева

Лебедев сумел преодолеть все трудности, несмотря на низкий уровень экспериментальной техники в те времена. Он взял очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. Крылышко состояло из двух пар тонких платиновых кружочков. Один из кружочков каждой пары был блестящим с обеих сторон. У других сторон одна сторона была покрыта платиновой чернью. При этом обе пары кружочков различались толщиной.

Для исключения конвекционных потоков, Лебедев направлял пучки света на крылышки то с одной, то с другой стороны. Таким образом, силы, действующие на крылышки, уравновешивались (Рис. 4–5).

Рис. 6. Прибор Лебедева

Рис. 7. Прибор Лебедева

Так давление света на твердые тела было доказано и измерено (Рис. 6–7). Значение этого давление совпало с предсказанным давлением Максвелла.

Через три года Лебедеву удалось совершить еще один эксперимент – измерить давление света на газы (Рис. 8).

Рис. 8. Установка для измерения давления света на газы

Лорд Кельвин: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину давления света.

Фотоны обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Такое взаимодействие можно рассматривать как абсолютно неупругий удар.

На поверхность со стороны каждого фотона действует сила:

Давление света на поверхность:

Взаимодействие фотона с зеркальной поверхностью

В случае данного взаимодействия получается абсолютно упругое взаимодействие. При падении фотона на поверхность он отражается от нее с той же скоростью и импульсом, с которыми упал на эту поверхность. Изменение импульса будет в два раза больше, чем при падении фотона на черную поверхность, давление света увеличится в два раза.

В природе не существует веществ, поверхность которых полностью бы поглощала или отражала фотоны. Поэтому для расчета давления света на реальные тела необходимо учитывать, что часть фотонов поглотится этим телом, а часть отразится.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом. Хотя в обычных условиях световое давление очень мало, его действие может оказаться существенным. На основе давления Солнца был разработан парус для космических кораблей, который позволит перемещаться в космосе под давлением света (Рис. 11).

Рис. 11. Парус космического корабля

Давление света, согласно теории Максвелла, возникает в результате действия силы Лоренца на электроны, совершающие колебательные движения под действием электрического поля электромагнитной волны.

С точки зрения квантовой теории давление света возникает в результате взаимодействия фотонов с поверхностью, на которую они падают.

Вычисления, которые были проведены Максвеллом, совпали с теми результатами, которые произвел Лебедев. Это ярко доказывает квантово-волновой дуализм света.

Опыты Крукса

Лебедев впервые обнаружил давление света экспериментально и смог его измерить. Опыт был невероятно сложным, но существует научная игрушка – опыт Крукса (Рис. 12).

Рис. 12. Опыт Крукса

Маленький пропеллер, состоящий из четырех лепестков, расположен на игле, которая накрыта стеклянным колпаком. Если осветить этот пропеллер светом, то он начинает вращаться. Если посмотреть на этот пропеллер в открытом воздухе, когда на него дует ветер, его вращение никого бы не удивило, но в данном случае стеклянный колпак не позволяет потокам воздуха действовать на пропеллер. Поэтому причиной его движения является свет.

Английский физик Уильям Крукс случайно создал первую световую вертушку.

В 1873 году Крукс решил определить атомный вес элемента Таллия и взвесить его на очень точных весах. Чтобы случайные воздушные потоки не исказили картины взвешивания, Крукс решил подвесить коромысла в вакууме. Сделал и поразился, так как его тончайшие весы были чувствительны к теплу. Если источник тепла находился под предметом, он уменьшал его вес, если над – увеличивал.

Усовершенствовав этот свой нечаянный опыт, Крукс придумал игрушку – радиометр (световая мельничка). Радиометр Крукса – это четырехлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разряжением. При попадании на лопасть светового луча, крыльчатка начинает вращаться, что иногда неправильно объясняют давлением света. На самом деле причиной кручения служит радиометрический эффект. Возникновение силы отталкивания за счет разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освященную (нагретую) сторону лопасти и на противоположную неосвещенную (более холодную).

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Давление света и давление обстоятельств (Источник).
Пётр Николаевич Лебедев (Источник).
Радиометр Крукса (Источник).

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Давление света с точки зрения электромагнитной теории

Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия. Замерил давление света П. Н. Лебедев.

Под действием электрического поля волны электроны в телах совершают колебания. Образуется электрический ток. Этот ток направлен вдоль напряженности электрического поля (рис. 162). На упорядоченно движущиеся электроны действует сила Лоренца F со стороны магнитного ноля, направленная в сторону распространения волны. Это и есть сила светового давления.

Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало. В яркий солнечный день на поверхность площадью 1 м2 действует сила, равная всего лишь 4×10 -8 Н. Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г.

Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки (рис. 163). Весь прибор помещался в сосуд, из которого был выкачан воздух. Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька. О значении давления можно было судить но углу закручивания нити. Трудности точного измерения давления света были связаны с невозможностью выкачать из сосуда весь воздух (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов). Кроме того, на закручивание нити влияет неодинаковый нагрев сторон крылышек (сторона, обращенная к источнику света, нагревается больше, чем противоположная сторона). Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.

Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, несмотря на низкий уровень тогдашней экспериментальной техники, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. В конце концов существование светового давления на твердые тела было доказано и оно было измерено. Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом. Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить, причину светового давлении. Фотоны подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела равен импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие тем не менее может оказаться существенным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль во внутризвездных процессах.

Давление света согласно электродинамике Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется благодаря передаче телу импульсов фотонов при их поглощении.

Давление света с точки зрения электромагнитной теории

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

(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).

Вычислим величину светового давления.

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

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

Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс:

(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).

Объясните световое давление на основе электромагнитной теории света?

Вопрос понятен для тех кто уже впервые на своих руках держал индукционную катушку с сердечником, но так как у световой волны нет сердечника, то уже сам по себе вопрос отпадает, но за исключением одного из обстоятельств — свет проходит мимо различных сред и тел с различными изломами отражениями и взаимодействованиями и т.д.

И вот например попав на поверхность любого тела — а тело имеет всегда какие-то извилины и свет это волны и получается какая то связь между телом и световой волной — индукция.

Т.е световые волны вокруг этого тела создают электромагнитное поле и соответственно какое-то электромагнитное поле которое либо положительно и либо отрицательно воздействуют на окружение свое в зависимости от полярности своего окружения и светом созданной полярности во взаимодействии с окружающей его средой и материалами.

Строго говоря, давление света есть чисто квантовый эффект, связанный с тем, что свет переносится частицами (фотонами), обдадающими конечным, то есть отличным от нуля, импульсом. И при отражении света, поскольку скорость фотонов меняется на противоположную при полном отражении или «падает до 0» при полном поглощении, их импульс передаётся поверхности, а стало быть — и телу, в эту поверхность заключённому. Чисто по закону сохранения импульса.

Но штука в том, что электромагнитная волна, согласно классической теории, не переносит импульса! А значит, «в чистом виде» не может оказывать никакого давления. И тем не менее Максвелл дал оценку такого давления — правда, исходя из предположения, что поверхность проводящая.

Электромагнитная волна — поперечная волна. Направления векторов напряжённости и электрической, и магнитной компонент волны перпендикулярны направлению её распространения. Поэтому при падении ЭМ волны на плоскую проводящую поверхность электрическая компонента будет заставлять электроны двигаться вдоль поверхности. А вот магнитная компонента будет вызывать их отклонение из-за возникающей силы Лоренца поперёк поверхности. Именно силой Лоренца, которая получается как результат наличия двух компонент электромагнитной волны и наличия свободных зарядов, теория Максвелла и объясняет возникновение давления света.

Что любопытно — что полученная Максвеллом формула в точности соответствует формуле, выведенной из квантово-механического рассмотрения явления. Но вместе с тем вполне очевидно, что теория Максвелла не может объяснить давление света на непроводящую поверхность, — а это уже расходится с реальностью. Экспериментально доказано, что давление не зависит от свойств поверхности, и на поверхности непроводящие (полимерные плёнки) свет давит ровно так же, как и на поверхности проводящие.

Фотон и его свойства. Давление света. Эффект Комптона.

Фотон и его свойства

Фотон — материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона

Является частицей электромагнитного поля.
Движется со скоростью света.
Существует только в движении.
Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

При распространении он проявляет волновые свойства.
При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Его свойства не сводятся ни к волнам, ни к частицам.

Давление света

(2.7.1)

(2.7.2)

(2.7.3)

(2.7.4)

Обратимся теперь к явлению светового давления.

Вычислим величину светового давления.

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

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

Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс:

(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)

Тогда давление , или

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

(2.7.8)

· если тело зеркально отражает, то K = 1 и

Источники:

http://www.bolshoyvopros.ru/questions/2202286-kak-na-osnove-elektromagnitnoj-teorii-objasnjajut-davlenie-sveta.html
http://www.eduspb.com/node/1998
http://mydocx.ru/5-52977.html
http://studopedia.ru/2_95919_davlenie-sveta.html
http://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/davlenie-sveta/davlenie-sveta-opyty-lebedeva-2
http://forkettle.ru/vidioteka/estestvoznanie/fizika-dlya-chajnikov/41-optika/48-opyt-lebedeva
http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0.%20%D0%90%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%B8%20%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0.%20%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%20%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86/02-7.htm