Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
вып 2, 1950.
** Позднее (в 1909 г.) П. Н. Лебедевым же было измерено давление света на
газы.
350
*41
ложенные симметрично относительно оси подвеса, являются составной частью
чувствительных крутильных весов, с помощью которых определяется сила
давления света. Перемещая вправо систему зеркал 32, можно направить луч
света в баллон с левой стороны. Термоэлемент Т служит для измерения
энергии падающего света. Под действием света малоинертные пощзески
поворачиваются на определенный угол вокруг нити подвеса. Зная модуль
кручения нити, можно определить силу действия света на подвески, а
следовательно и давление света.
Ввиду очень малой величины давления света, как уже отмечено, перед
экспериментаторами возникли определенные трудности. Казалось, что
побочные эффекты могут вызвать более сильное вращение подвески, чем свет.
К таким побочным эффектам относятся газокинетический и "С
радиометрический эффекты. ^
Освещенная поверхность крыльев нагревается сильнее, чем неосвещенная.
Поэтому атомы и молекулы, находящиеся внутри стеклянного баллона,
отражаясь от более нагретой поверхности, обладают большей скоростью и,
следовательно, сообщают нагретой поверхности соответственно больший
импульс. Давление, создаваемое таким избыточным импульсом, гораздо
больше, чем световое (радиометрический эффект).
Для исключения радиометрического эффекта Лебедевым были подобраны такие
тонкие крылья, чтобы температура обеих поверх- Рис. 15.10
ностей была практически одинаковой.
Радиометрический эффект можно уменьшить также увеличением разрежения газа
внутри баллона.
Вследствие конвекции находящихся внутри баллона атомов и молекул
(газокинетический эффект) возникает давление на несколько порядков больше
светового. Чтобы исключить конвекционный эффект, Лебедев сконструировал
подвижную систему зеркал Зх - 32, позволяющую направить свет на обе
поверхности крыльев.
Результаты эксперимента позволили сделать следующие выводы:
1. Давление света на зеркальную поверхность в два раза больше, чем
давление на поверхность, полностью поглощающую свет.
2. Величина давления света с точностью до 20% соответствует значению,
полученному теоретически Максвеллом *.
Первый вывод полностью соответствует теоретическому выводу Максвелла. В
самом деле, для идеально зеркальной поверхности
•Тг-
о
* Во времена Лебедева не удавалось получить высокое разрежение внутри
баллона, что сказалось на величине давления. В 1923 г. Герлах, добившись
относительно высокого вакуума, получил значение светового давления,
совпадающее с теорией с точностью до 2%.
351
R - 1, следовательно,
Р3ерк = 2шС08Г.
В случае полностью поглощающей поверхности J? "О и, следовательно,
Рпогл = W COS i.
Таким образом, рзерк = 2рптл.
Классические опыты П. Н. Лебедева явились фундаментальным доказательством
электромагнитной природы света.
Давление света с точки зрения квантовой теории света. Величину давления
света можно вычислить, исходя также из квантовых представлений. С точки
зрения теории фотонов давление света на поверхность происходит в
результате передачи светом импульса при поглощении и отражении
поверхностью.
Направим нормально на плоскую поверхность монохроматический световой
поток с частотой v. Энергию светового потока, содержащего N фотонов,
приходящихся на 1 см2 поверхности за 1 с (плотности потока), обозначим
через Ф. Очевидно, что
N = <b/hv. (15.30)
Ввиду того что каждый падающий на данную поверхность фотон обладает
импульсом hv/c, импульсы, сообщаемые в единицу времени абсолютно
поглощающей и абсолютно отражающей единичным поверхностям, равны
соответственно:
Рпогл = N -hv/с^Ф/с, (15.31)
ротр = 2N ¦ hv/c = 2Ф/с. (15.32)
Так как импульс, сообщаемый в единицу времени единичной поверхности, есть
давление на эту поверхность, то формулы (15.31) и (15.32) представляют
собой давление света соответственно на полностью поглощающую и полностью
отражающую поверхности.
В общем случае можно определить величину давления света на поверхность,
характеризуемую некоторым коэффициентом отражения R. В этом случае из
общего числа N падающих фотонов поглощается (1 - R) N, отражается RN
фотонов. Давление, оказываемое на поверхность, в этом случае равно
p = (l-R)N^+RN-2^ = N^(l+R) = ^-(l+R). (15.33)
Из формулы (15.33), совпадающей с формулой Максвелла, можно как частный
случай (при R = 0 и R = 1) получить формулы (15.31) и (15.32).
Из выражения для энергии
W = тс2, (15.34)
следует, что масса светового кванта определяется следующим выражением:
т = W/c* = hv/c2. (15.35)
352
Из выражения (15.34) следует также, что масса покоя светового кванта
равна нулю (т0 = 0).
Действительно, так как для светового кванта v - с и W - величина
конечная, то масса покоя
m0=~V 1-у2/с2 = -~0 = 0, (15.36)
т. е. фотон можно принять за частицу с нулевой массой покоя, с массой
ftv/c2, энергией hv и импульсом hv/c.
Особые свойства лазерного излучения - высокая спектральная чистота и
пространственная когерентность - позволяют, сильно увеличивая давление
