| 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 = 3·10 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
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
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:
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:
Каждый отраженный фотон передаст телу импульс:
т.к. . В единицу времени все N квантов сообщают телу импульс р:
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:
· 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). Фотон и его свойства Фотон — материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия). Основные свойства фотона
| ||||||||||||||||
|
). 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.
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.
— энергия фотона, 
— импульс фотона.
Связь между корпускулярными(энергия и импульс фотона) и волновыми свойствами(частота и длина волны)
Если в единицу времени на единицу площади перпендикулярно падает N фотонов, то при коэффициенте отражения ρ света от поверхности ρN фотонов отразится, а (1–ρ)N – поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс p= ћω/c , а каждый отраженный – p=2ћω/c.
— интенсивность падающего излучения
— объемная плотность энергии излучения
| 6842 — 
или читать все. Одним из экспериментальных подтверждений наличия у фотонов импульса является существование светового давления (опыты Лебедева).
Волновое объяснение (по Максвеллу): взаимодействие индуцированных токов с магнитным полем волны.
С квантовой точки зрения давление света на поверхность обусловлено тем, что при соударении с этой поверхностью каждый фотон передает ей свой импульс. Так как фотон может двигаться только со скоростью света в вакууме, то отражение света от поверхности тела следует рассматривать как процесс «переизлучения» фотонов — падающий фотон поглощается поверхностью, а затем вновь излучается ею с противоположным направлением импульса.
Рассмотрим световое давление, которое оказывает на поверхность тела поток монохроматического излучения, падающего перпендикулярно поверхности.
Пусть в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает п фотонов. Если коэффициент отражения света от поверхности тела равен R, то Rnфотонов отражается, а (1–R) п- поглощается. Каждый отраженный фотон передает стенке импульс, равный 2рф =2hv/c(при отражении импульс фотона изменяется на – рф). Каждый поглощенный фотон передает стенке свой импульс рф =hv/c.Давление света на поверхность, равно импульсу, который передают поверхности за 1 с все п фотонов:
, (11-12)
где I=nhv – энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности за единицу времени, т. е. интенсивность света, а w=I/c– объемная плотность энергии падающего излучения. Эта формула проверялась экспериментально и была подтверждена в опытах Лебедева.
4. Фотонный газ. Бозоны. Распределение Бозе − Эйнштейна.
Рассмотрим свет как совокупность фотонов, которые находятся внутри замкнутой полости с зеркальными стенками. Давление света на зеркально отражающую поверхность должно быть таким же, каким оно было бы если фотоны зеркально отражались от поверхности подобно абсолютно упругим шарикам.
Найдем давление, производимое на идеально отражающие стенки| замкнутой полости.
Для простоты предположим, что полость имеет форму куба. Ввиду изотропности излучения можно считать, что все направления движения фотонов равновероятны. Взаимодействие между фотонами отсутствует (частота их при столкновениях не меняется). Поэтому фотоны движутся подобно молекулам идеального одноатомного газа.
Давление идеального газа на стенки полости найдем из основного уравнения кинетической теории газов:
Но для фотонов m=hvi/c 2 , υi=с и поэтому mυi 2 = hvi.Таким образом,
где W — полная энергия всех фотонов в полости, а давление на ее стенки
(11-13)
Здесь w — объемная плотность энергии излучения. Если фотоны внутри нашей полости имеют частоты от 0 до ∞, то w можно определить по формуле:
(11-14)
Здесь ρ(ν) — объемная плотность энергии излучения в интервале частот от ν до ν+dν.
Функция ρ(ν) находится с помощью специального квантового распределения фотонов по энергиям (частотам), — распределения Бозе —Эйнштейна (Б-Э).
1. В отличие от распределения Максвелла, которое характеризует распределение частиц в пространстве скоростей (импульсов), квантовое распределение описывает энергии частиц в фазовом пространстве, образованном импульсами и координатами частиц.
2. Элементарный объем фазового пространства равен (перемножим все приращения координат):
(11-15)
3. Объем, приходящийся на одно состояние равен h 3 .
4. Число состояний dgiизлучения, находящегося в элементарном фазовом объеме в квантовой статистике получается путем деления объема (11-15) на h 3 :
5. Распределению Б—Э подчиняются системы частиц с целым спином. Они получили название бозоны. К этим частицам относятся и фотоны. Их спин принимает целочисленные значения. Момент импульса фотона принимает значение mh/2π, где m = 1. 2,3… Функция распределения Бозе — Эйнштейна для фотонов имеет вид:
, (11-16)
где. ΔN –число фотонов в объеме dV, ni — среднее число частиц в одном энергетическом состоянии с энергией Wi, которое называется, k — постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. Коэффициент 2 появляется в связи с наличием двух возможных направлений поляризации света (левое и правое вращение плоскости поляризации).
Полное число состояний в объеме V(после интегрирования по объему и использования соотношений между импульсом фотона р и его энергией W,ν р =hv/c, W= hv):
где ν — частота, с — скорость света в вакууме.
Число фотонов с энергией от W до W + d W в объеме V:
(11-17)
Объемную плотность энергии излучения в интервале частот от ν до ν +dν найдем умножив (11-16) на энергию одного фотона hν:
. (11-18)
Давление излучения найдем по формулам (11-13), (11-14) и (11-18):
Уравнение состояния для излучения:
.
Энергия излучения из объема V (закон Стефана-Больцмана):
Связь между энергетической светимостью и объемной плотностью энергии излучения (следует из сопоставления формулы Планка с формулой (11-18):
Дата добавления: 2014-01-15 ; Просмотров: 5534 ; Нарушение авторских прав? ;
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Объяснение светового давления с точки зрения волновой теории
Объяснение светового давления с точки зрения волновой теории. Электрическое поле волны действует на свободные заряды в пластине с переменной силой, под действием которой заряды начинают совершать колебания. На такие заряды магнитное поле действует с силой Лоренца, направление которой находят по правилу левой руки. Эта сила направлена в сторону распространения волны. Таким образом, свет оказывает давление на тела.
Слайд 8 из презентации «Давление света»
Размеры: 720 х 540 пикселей, формат: .jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как. ». Скачать всю презентацию «Давление света.ppt» можно в zip-архиве размером 325 КБ.
Похожие презентации
«Давление 7 класс» — Актуализация знаний учащихся. Способы увеличения и уменьшения давление. Посмотрите в окно вдаль 1 минуту. Пора садиться на диету! Закладка фундамента здания. Увеличение давления в природе. Вес тела. Зубы у крокодила. Железная дорога. Повторите 5 раз. Что ответит зайчик лошадке? Сила упругости. Прежде, чем приступить к решению задач, проведем «Гимнастику для глаз».
«Задачи по теме давление» — Объясните, почему зубную пасту легко выдавить из тюбика? 1. Актуализация опорных знаний. Тема: Решение задач по теме: «Давление твердых тел , жидкостей и газов». Содействовать воспитанию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира. Дать определение давления в твердых телах.
«Световые явления» — Лунное затмение. Как распространяется свет в однородной среде? Как называется линия, по которой движется тело? Почему понятия «покой» и «движение» относительны? На сколько цветов разлагается белый свет? А – полное солнечное затмение. Рассвет и закат – световые явления. Что такое отражение? Назовите световые явления.
«Световое давление» — , Действующие на ток. – Коэффициент отражения от данной поверхности. Конец лекции по данной теме. Импульс, сообщаемый 1 м2 абсолютно поглощающей поверхности за 1 с, равен. Векторы. Под действием силы. Начало XVII в. Ряды приходят в направленное движение вдоль поверхности, образуя поверхностный ток I.
«Объяснение электрических явлений» — Эбонит. Мини – конференцию по защите проектов. Атомов. Если заряжен, какой знак имеет шарик? Тела состоят. Диэлектрики. Ответ обоснуйте. Основная задача урока. Электрон. Почему электроны переходят с шерсти на эбонит, а не наоборот? Объяснение электрических явлений. Итоги урока. Протон. Т е л о. Шерсть.
«Световые явления в физике» — Полное солнечное затмение собирает множество учёных и туристов. 1704 год: «Оптика». Свет – поток частиц. Затмение можно наблюдать только в определённых точках земной поверхности. Спектр можно увидеть и на обычном лазерном диске. В презентации использованы личные фотографии. Источники света могут быть естественными и искусственными.
Школьная энциклопедия. Портал знаний
Давление света с точки зрения волновой теории. Примеры решенных задач по физике на тему «давление света»
Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного излучения звучит так : э лектромагнитное излучение (и в частности свет) – это поток час тиц , 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
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.
Поток фотонов (свет), который при соударении с поверхностью оказывает давление.
Поток фотонов, падающие на поглощающую поверхность :
Поток фотонов, падающие на зеркальную поверхность :
Поток фотонов, падающие на поверхность :
Физический смысл Давления света:
Свет — это поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление
Прибор, измерения давления света , представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Создал данный прибор Лебедев. Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками — светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги. Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух. Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити и определяли давление света.
В Формуле мы использовали.
Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона ε0=hv. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии (см. (m=E/c2)):
Фотон — элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света c и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.
Импульс фотона получим, если в общей формуле () теории относительности положим массу покоя фотона :
Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. Согласно квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.
Давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность,
Дифракция электронов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет свойства, аналогичные свойствам волны. При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала.
Процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях кристаллических структур металлов, сплавов, полупроводниковых материалов.Дифракция электронов на двух щелях — процесс возникновения на экране или фотопластинке картины аномального распределения освещённости, аналогичной дифракционной картине при дифракции света.
Дифракционная картина — картина возникающая на экране или фотопластинке при размещении между электронной пушкой и экраном препятствия с двумя щелями.
В случае, когда открыта только одна щель, почернение пластинки наблюдается только прямо напротив щели. Когда же открыты обе щели, картина выглядит так, как показано на рисунке, в правой его части.Твёрдо установленным является тот факт, что каждый электрон проходит только через одну щель. Также не подлежит сомнению, что дифракция электронов наблюдается только при обеих открытых щелях и, является не зависимой от частоты пролёта электронов сквозь щели.
Дифракция электронов представляет собой сочетание результатов трёх физических процессов.
1. Попадание электронов в экран строго за щелями, и соответствующее потемнение экрана..
2. Возникновение волн Де Бройля при пролёте сквозь щели электронов.
3. Дифракция возникающих из-за пролёта электронов волн Де Бройля и появление соответствующей этому картины потемнения фотопластинки (подробности на странице электромагнитные волны — определения, описания и свойства).
Квантовая механика объясняла дифракцию электронов возниковением неопределённости в угле отклонения электрона, при пролёте им сквозь щель. Ранее мы показали, что никакой неопределённости здесь нет. Если Вы поняли объяснения даваемые на страницах дифракция и интерференция, то и в понимании процесса дифракции электронов у Вас не должно возникнуть затруднений.
Волны де Бройля – волны, связанные с любой движущейся материальной частицей. Любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект — корпускула, но и как волна, причём длина этой волны даётся формулой = h/р, где h = 6.6.10-34 Дж.сек – постоянная Планка, а р – импульс частицы. Эта волна и получила название волны де Бройля (в честь французского физика-теоретика Луи де Бройля, впервые высказавшего гипотезу о таких волнах в 1923 г.). Если частица имеет массу m и скорость v =Ф. По установившейся терминологии, Ф. в конденсир. среде наз. фотоэлектронной эмиссией, а переход электрона из одного из связанных состояний в атоме или молекуле в непрерывный спектр наз. Фотоионизацией .
Законы фотоэффекта . Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.
Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0(или максимальная длина волны y0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v
Давление света с точки зрения волновой теории света
| 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 = 3·10 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
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
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:
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:
Каждый отраженный фотон передаст телу импульс:
т.к. . В единицу времени все N квантов сообщают телу импульс р:
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:
· 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). |
- http://www.eduspb.com/node/1998
- http://mydocx.ru/5-52977.html
- http://studopedia.ru/20_60873_fotoni-opit-bote-korpuskulyarnie-i-volnovie-harakteristiki-fotonov-svyaz-mezhdu-nimi-davlenie-sveta-s-tochki-zreniya-korpuskulyarnoy-teorii.html
- http://studfiles.net/preview/5441293/page:4/
- http://studopedia.su/10_109498_davlenie-sveta-kvantovoe-i-volnovoe-ob-yasnenie-davleniya-sveta.html
- http://900igr.net/prezentacija/fizika/davlenie-sveta-77013/objasnenie-svetovogo-davlenija-s-tochki-zrenija-volnovoj-teorii-8.html
- http://crazylike.ru/the-pressure-of-light-from-the-point-of-view-of-the-wave-theory-examples-of-solved-problems-in-physics-on-the-theme-pressure-of-light.html
- 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