Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Тиск світла. Дослід Лебедєва

Тиск світла. Дослід Лебедєва

ФІЗИКА

Частина 4

ОПТИКА. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

Розділ 10 ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ТЕОРІЯ СВІТЛА

10.3. Тиск світла. Дослід Лебедєва

З електромагнітної теорії світла Максвелла випливає, що електромагнітній хвилі крім енергії властивий ще й імпульс. Тому світлові хвилі, що падають на будь-яке тіло, передаючи йому свій імпульс, мають чинити на нього тиск. У разі повного поглинання світла тілом світлові хвилі просто віддають йому свій імпульс. При повному відбиванні світла від тіла, як у випадку пружного удару кулі, світлові хвилі

надають тілу подвійного імпульсу.

Ще з часів Й. Кеплера за допомогою уявлень про світловий тиск пояснювали форми хвостів комет. Проте ньютонівська теорія витікання, що панувала у той час, давала неправильне значення для світлового тиску. У хвильовій теорії світла ефект тиску стає менш наочним і характерно, що цей ефект до появи електромагнітної теорії взагалі не обговорювався з хвильової точки зору. Дж. Максвелл на основі електромагнітної теорії обчислив значення світлового тиску. Однак його підрахунки мали абстрактний і не зовсім строгий характер, а тому не відразу набули загального визнання.

Розглянемо

дію електромагнітної (світлової) хвилі на поверхню тіла. Для спрощення вважатимемо, що світлові промені перпендикулярні до поверхні (а фронт хвилі паралельний їй). Дія електричного поля хвилі виявиться у тому, що в тілі виникнуть струми, паралельні поверхні. Взаємодія цих струмів із магнітним полем світлової хвилі приведе до виникнення сили, що діє на поверхню тіла в напрямі руху фронту хвилі, тобто перпендикулярно до поверхні. Виходячи з таких міркувань, можна дістати формулу для визначення світлового тиску:

Де Е – енергетична освітленість поверхні, тобто густина потоку світлової енергії, що падає на дану поверхню; с – швидкість світла; ρ – коефіцієнт відбивання. Числове значення світлового тиску дуже мале. Так, тиск сонячного проміння, що падає перпендикулярно на чорну поверхню, становить близько 4,7 ∙ 10-6 Па.

Експериментально існування світлового тиску вперше встановив 1900 р. російський фізик П. М. Лебедев (1866-1912). Досліди П. М. Лебедева повністю підтвердили формулу (10.18). Для вимірювання світлового тиску він спрямував інтенсивний світловий потік на легкі металеві пластинки, підвішені на тонкій нитці в балоні, з якого було викачано повітря. Пластинки лівого ряду підвісу були чорними, а пластинки правого – блискучими. Тому тиск світла на пластинки лівого ряду р = Е/с був меншим, ніж на пластинки правого ряду, де р= Е/с (1 + ρ). Унаслідок цього під впливом падаючого світла підвіс повертався на певний кут, за значенням якого можна було визначити силу закручування і, отже, світловий тиск. На рис. 10.4 зображено рухому частину приладу Лебедева. Для здійснення експерименту треба було врахувати та максимально послабити побічні ефекти. До таких ефектів насамперед належить радіометричний ефект і конвекційні потоки. Радіометричний ефект зумовлений рухом молекул. При освітленні пластинки нагріватимуться неоднаково. З того боку, де на пластинку падатиме світло, вона нагріватиметься більше, ніж з протилежного. Тому молекули, вдаряючись об освітлену поверхню, відскакуватимуть від неї з більшою енергією і надаватимуть їй більшого імпульсу, ніж молекули, що падають на протилежний, неосвітлений бік пластинки. Тому тиск буде більший з того боку, де пластинка тепліша, оскільки там і газ нагрітий сильніше (з освітленого боку). Цей ефект пропорційний товщині пластинки і для товстих пластинок значно більший за світловий тиск. П. М. Лебедев, застосовуючи пластинки різної товщини, виключив радіометричний ефект і дістав надійні результати.

Рис. 10.4

Для зменшення радіометричного ефекту та уникнення конвекційних потоків П. М. Лебедев максимально зменшував густину газу в балоні, в якому містилася рухома частина приладу. П. М. Лебедеву вдалося досягти високого вакууму в балоні, що на той час було дуже складно. У 1908 р. він здійснив ще більш точні досліди і встановив та виміряв світловий тиск на гази. Ці досліди підтвердили справедливість гіпотези Ф. О. Бредихіна про утворення кометних хвостів унаслідок світлового тиску на частинки, що їх утворюють. Ці сили відштовхування зумовлені тиском на частинки з боку сонячних променів.

Значення дослідів П. М. Лебедева дуже велике і не вичерпується просто підтвердженням електромагнітної теорії світла. В цих дослідах встановлено наявність механічного імпульсу світла, що є істотним для розв’язання питання про інертну масу світла та більш загальної проблеми пропорційності маси і енергії.

Результати дослідів П. М. Лебедева спростували думку, яка панувала в XIX ст., про те, що світлу не властива маса, а це породжувало твердження про нематеріальність світла. Відкриття світлового тиску доводило, що світловий потік має не тільки енергію, а й масу і, отже, становить нерозривну єдність матерії і руху. П. М. Лебедев уперше експериментально встановив тиск світла і показав, що він незначний. Нині за допомогою оптичних квантових генераторів можна дістати практично досить великі світлові тиски. Наприклад, вихідна потужність квантового генератора на рожевому рубіні за час короткого спалаху досягає 10 000 Вт у пучку з поперечним перерізом, меншим ніж 1 см2. Хоча спалах випромінювання і короткий, його потужність у тисячу разів більша за ту, яку можна дістати фокусуванням сонячного світла. Теоретичне пояснення досліду П. М. Лебедева з визначення тиску світла можна дістати також, виходячи з корпускулярних уявлень про природу світла.