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 Nчисло 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.