Po prvi put, hipotezu o postojanju svetlosnog pritiska izneo je I. Kepler u 17. veku da bi objasnio ponašanje repova kometa kada lete blizu Sunca. Godine 1873. Maxwell je dao teoriju o pritisku svjetlosti u okviru svoje klasične elektrodinamike. Svjetlosni pritisak prvi je eksperimentalno proučavao P. N. Lebedev 1899. U njegovim eksperimentima, rotirajuća vaga je bila okačena na tanku srebrnu nit u evakuiranoj posudi, na čije su klackalice bile pričvršćene tanke diskove od liskuna i raznih metala. Glavna poteškoća je bila izolovati svjetlosni pritisak na pozadini radiometrijskih i konvektivnih sila (sile uzrokovane razlikom u temperaturi okolnog plina na osvijetljenoj i neosvijetljenoj strani). Naizmeničnim zračenjem različite strane Lebedev je izravnao radiometrijske sile i postigao zadovoljavajuće (±20%) slaganje sa Maksvelovom teorijom. Kasnije, 1907-1910. Lebedev je sproveo preciznije eksperimente za proučavanje pritiska svetlosti u gasovima i takođe postigao prihvatljivo slaganje sa teorijom.

Fizičko značenje

Prema današnjim shvatanjima, svetlost ima talasno-čestičnu dualnost, odnosno ispoljava svojstva čestica (fotona) i svojstva talasa (elektromagnetno zračenje).

Ako svjetlost posmatramo kao tok fotona, onda, prema principima klasične mehanike, čestice, kada udare u tijelo, moraju mu prenijeti zamah, drugim riječima, izvršiti pritisak. Ovaj pritisak se ponekad naziva pritisak zračenja.

Da biste izračunali svjetlosni pritisak, možete koristiti sljedeću formulu:

gdje je količina energije zračenja koja normalno pada na 1 m² površine u 1 s; - brzina svjetlosti, - koeficijent refleksije.

Ako svjetlost pada pod uglom u odnosu na normalu, tada se pritisak može izraziti formulom:

gdje je zapreminska gustina energije zračenja, koeficijent refleksije, jedinični vektor smjera upadnog snopa, jedinični vektor smjera reflektiranog snopa.

Na primjer, tangencijalna komponenta sile laganog pritiska na jediničnu površinu bit će jednaka:

Normalna komponenta sile laganog pritiska na jediničnu površinu bit će jednaka:

Omjer normalne i tangencijalne komponente je jednak:

Aplikacija

Moguće primjene uključuju solarno jedro i odvajanje plina.

Bilješke

• Zrak
• Hronometar

Pogledajte šta je "Laki pritisak" u drugim rječnicima:

Lagani pritisak- Lagani pritisak. Šema za odvajanje plinova pomoću rezonantnog svjetlosnog pritiska (frekvencija laserske svjetlosti jednaka je frekvenciji atomskog prijelaza). Rezonantni atomi pod uticajem svetlosti, primivši usmereni impuls od svetlosnih kvanta, otići će u daleku ... ... Ilustrovano enciklopedijski rječnik

Lagani pritisak- pritisak koji vrši svjetlost na tijela koja reflektiraju ili apsorbiraju. D. s. prvi je eksperimentalno otkrio i izmjerio P. N. Lebedev (1899). Vrijednost D. s. čak i za najjače izvore svjetlosti (Sunce, električni luk) je zanemarljivo..... Velika sovjetska enciklopedija

SVJETLOSNI PRITISAK- Pritisak svetlosti na tela koja reflektuju ili apsorbuju svetlost. Svjetlosni pritisak je rezultat prijenosa impulsa na tijelo fotona koje ono apsorbira ili reflektira. Kada sunčevo zračenje djeluje na makroskopska tijela, ono je izuzetno malo... ... Veliki enciklopedijski rječnik

SVJETLOSNI PRITISAK- (vidi SVJETLOSNI PRITISAK). Fizički enciklopedijski rječnik. M.: Sovjetska enciklopedija. Glavni urednik A. M. Prokhorov. 1983 ... Fizička enciklopedija

lagani pritisak- pritisak koji svjetlost vrši na tijela koja reflektiraju ili apsorbiraju svjetlost, čestice, kao i pojedinačne molekule i atome. Hipotezu o pritisku svjetlosti prvi je iznio (1619.) I. Kepler kako bi objasnio otklon repova kometa koje lete u blizini Sunca.... enciklopedijski rječnik

lagani pritisak- šviesos slėgis statusas T sritis Standardizacija ir metrologija apibrėžtis Slėgis, kurį kuria šviesa veikdama tam tikrą paviršių. atitikmenys: engl. lagani pritisak vok. Lichtdruck, m rus. svjetlosni pritisak, n; lagani pritisak, n pranc. pritisak de… Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

lagani pritisak- šviesos slėgis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. lagani pritisak vok. Lichtdruck, m rus. svjetlosni pritisak, n; lagani pritisak, n pranc. pression de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

SVJETLOSNI PRITISAK- pritisak koji proizvodi svjetlost na tijela koja reflektiraju ili apsorbuju svjetlost, čestice, kao i dijelove. molekula i atoma. Hipoteza o D. s. je prvi izrazio (1619.) I. Kepler da objasni otklon repova kometa koje lete blizu Sunca. U zemaljskom...... Prirodna nauka. enciklopedijski rječnik

Lagani pritisak- pritisak koji svjetlost vrši na osvijetljenu površinu. Igra važnu ulogu u kosmičkim procesima (formiranje repova kometa, ravnoteža velike zvezde). D.S. predviđao je 1619. godine u Njemačkoj. astronom I. Kepler. (1571 1630) i eksperimentalno ... ... Astronomski rječnik

Ispostavilo se da pritisak ne mogu stvarati samo čvrste materije, tečnosti i gasovi. Padajući na površinu tijela, svjetlosno elektromagnetno zračenje također vrši pritisak na njega.

Teorija laganog pritiska

Johannes Kepler

Po prvi put je napravljena pretpostavka da postoji lagani pritisak njemački naučnik Johannes Kepler u 17. veku. Proučavajući ponašanje kometa koje lete u blizini Sunca, primijetio je da rep komete uvijek odstupa u smjeru suprotnom od Sunca. Kepler je teoretizirao da je na neki način ovo odstupanje uzrokovano izlaganjem sunčevoj svjetlosti.

Teorijsko postojanje svjetlosnog pritiska predviđeno je u 19. vijeku Britanski fizičar James Clerk Maxwell, koji je stvorio elektromagnetnu teoriju i tvrdio da je svjetlost također elektromagnetne vibracije, te da treba vršiti pritisak na prepreke.

James Clerk Maxwell

Svetlost je elektromagnetski talas. Stvara električno polje, pod čijim uticajem osciliraju elektroni u telu koje naiđe na svom putu. U tijelu se pojavljuje električna struja usmjerena duž jakosti električnog polja. Izvana magnetsko polje deluje na elektrone Lorentzova sila. Njegov smjer se poklapa sa smjerom širenja svjetlosnog vala. Ova moć je sila laganog pritiska .

Prema Maksvelovim proračunima, sunčeva svetlost proizvodi pritisak određene vrednosti na crnu ploču koja se nalazi na Zemlji (p = 4 · 10 -6 N/m 2). A ako umjesto crne ploče uzmete reflektirajuću, tada će svjetlosni pritisak biti 2 puta veći.

Ali ovo je bila samo teoretska pretpostavka. Da bi se to dokazalo, bilo je potrebno potvrditi teoriju praktičnim eksperimentom, odnosno izmjeriti vrijednost svjetlosnog pritiska. Ali s obzirom da je njegova vrijednost vrlo mala, izuzetno je teško to učiniti u praksi.

Pjotr ​​Nikolajevič Lebedev

U praksi je to i učinjeno Ruski eksperimentalni fizičar Pjotr ​​Nikolajevič Lebedev. Eksperiment koji je izveo 1899. godine potvrdio je Maxwellovu pretpostavku da svjetlosni pritisak postoji na čvrstim tvarima.

Iskustvo Lebedeva

Šematski prikaz Lebedevovog eksperimenta

Da bi sproveo svoj eksperiment, Lebedev je stvorio poseban uređaj, koji je bio staklena posuda. Unutar posude postavljen je svjetlosni štap na tankoj staklenoj niti. Za rubove ovog štapa bila su pričvršćena tanka, lagana krila od raznih metala i liskuna. Vazduh je ispumpan iz plovila. Koristeći posebne optičke sisteme koji se sastoje od izvora svjetlosti i ogledala, svjetlosni snop je usmjeren na krila koja se nalaze na jednoj strani štapa. Pod utjecajem laganog pritiska, šipka se rotirala, a nit se uvijala pod određenim kutom. Veličina svjetlosnog pritiska određena je veličinom ovog ugla.

Lebedev uređaj

Ali ovaj eksperiment nije dao tačne rezultate. Izvođenje je imalo svojih poteškoća. Kako u to vrijeme nisu postojale vakuum pumpe, koristile su se obične mehaničke. I uz njihovu pomoć bilo je nemoguće stvoriti apsolutni vakuum u posudi. Čak i nakon ispumpavanja, u njemu je ostalo nešto zraka. Krila i zidovi posude različito su grijani. Strana okrenuta prema svjetlosnom snopu brže se zagrijava. I to je izazvalo kretanje molekula zraka. Mlazovi toplijeg vazduha dizali su se uvis. Budući da je nemoguće postaviti krila apsolutno okomito, ovi tokovi su stvorili dodatne momente. Osim toga, ni sama krila se nisu jednako zagrijavala. Strana okrenuta prema izvoru svjetlosti postala je toplija. Kao rezultat toga, došlo je do dodatnog efekta na kut rotacije niti.

Da bi eksperiment bio precizniji, Lebedev je uzeo veoma veliki brod. Napravio je krilo od dva para vrlo tankih krugova platine. Štaviše, debljina krugova jednog para razlikovala se od debljine krugova drugog para. S jedne strane štapa, krugovi su bili sjajni s obje strane, s druge strane je jedna strana bila prekrivena platinastim niellom. Zrakovi svjetlosti bili su usmjereni na njih s jedne ili druge strane kako bi se uravnotežile sile koje djeluju na krila. Kao rezultat toga, izmjeren je lagani pritisak na krila. Eksperimentalni rezultati potvrdili su Maxwellove teorijske pretpostavke o postojanju svjetlosnog pritiska. I njegova veličina je bila skoro ista kao što je Maxwell predvidio.

Godine 1907 - 1910 Koristeći preciznije eksperimente, Lebedev je izmjerio pritisak svjetlosti na plinove.

Svjetlost, kao i svako elektromagnetno zračenje, ima energiju E .

Njegov zamah p = E v / c 2 ,

Gdje v - brzina elektromagnetnog zračenja,

c - brzina svetlosti.

Jer v = With , To p = E/s .

Sa dolaskom kvantna teorija svetlost je počela da se posmatra kao tok fotona - elementarne čestice, kvanti svetlosti. Kada udare u tijelo, fotoni prenose svoj impuls na tijelo, odnosno vrše pritisak.

Solarno jedro

Friedrich Arturovich Zander

Iako je količina laganog pritiska vrlo mala, ipak može biti korisna za osobu.

Davne 1920 Sovjetski naučnik i pronalazač Friedrich Arturovich Zander, jedan od kreatora prve rakete na tečno gorivo, iznio je ideju o letu u svemir koristeći solarno jedro . Bila je vrlo jednostavna. Sunčeva svetlost se sastoji od fotona. I stvaraju pritisak, prenoseći svoj impuls na bilo koju osvijetljenu površinu. Stoga se pritisak koji stvara sunčeva svjetlost ili laser na površini ogledala može koristiti za pokretanje svemirske letjelice. Za takvo jedro nije potrebno raketno gorivo, a njegovo trajanje je neograničeno. A to će vam omogućiti da preuzmete više tereta u odnosu na uobičajeno svemirski brod sa mlaznim motorom.

Solarno jedro

Ali za sada su to samo projekti za stvaranje zvjezdanih brodova sa solarnim jedrom kao glavnim motorom.

Jedna od eksperimentalnih potvrda prisustva impulsa u fotonima je postojanje svjetlosnog pritiska (Lebedevovi eksperimenti).

Objašnjenje talasa (prema Maksvelu): interakcija indukovanih struja sa magnetnim poljem talasa.

Sa kvantnog gledišta, pritisak svjetlosti na površinu nastaje zbog činjenice da pri sudaru s tom površinom svaki foton prenosi svoj impuls na nju. Budući da se foton može kretati samo brzinom svjetlosti u vakuumu, refleksiju svjetlosti od površine tijela treba smatrati procesom “ponovne emisije” fotona – upadni foton apsorbira površina, a zatim ponovo emituje sa suprotnim smerom zamaha.

Razmotrimo svjetlosni pritisak koji na površinu tijela vrši fluks monokromatskog zračenja koji pada okomito na površinu.

Neka po jedinici vremena pada jedinica površine tijela P fotoni. Ako je koeficijent refleksije svjetlosti od površine tijela jednak R, To Rn fotoni se reflektuju i (1 –R) p- apsorbuje. Svaki reflektovani foton prenosi na zid impuls jednak 2r f =2hv/c (nakon refleksije, impuls fotona se mijenja u – r f). Svaki apsorbovani foton prenosi svoj zamah na zid r f =hv/c .Pritisak svjetlosti na površinu jednak je impulsu koji sve površine prenose za 1 s P fotoni:

, (11-12)

Gdje I=nhv – energija svih fotona koji upadaju na jediničnu površinu u jedinici vremena, tj. intenzitet svjetlosti, i w=I/c – zapreminska gustina energije upadnog zračenja. Ova formula je eksperimentalno ispitana i potvrđena u Lebedevim eksperimentima.

4. Fotonski gas. Bozoni. Bose–Einstein raspodjela.

Razmotrimo svjetlost kao skup fotona koji se nalaze unutar zatvorene šupljine sa zrcalnim zidovima. Pritisak svjetlosti na reflektirajuću površinu trebao bi biti isti kao što bi bio da se fotoni reflektiraju od površine kao apsolutno elastične kuglice.

Nađimo pritisak koji se vrši na idealno reflektirajućim zidovima| zatvorena šupljina.

Radi jednostavnosti, pretpostavljamo da je šupljina u obliku kocke. Zbog izotropije zračenja, možemo pretpostaviti da su svi pravci kretanja fotona jednako vjerovatni. Nema interakcije između fotona (njihova frekvencija se ne mijenja tokom sudara). Stoga se fotoni kreću poput molekula idealnog jednoatomnog plina.

Pritisak idealnog gasa na zidove šupljine nalazimo iz osnovne jednadžbe kinetičke teorije gasova:

Ali za fotone m=hv i /c 2 , υ i=s i stoga mυ i 2 = hv i.Dakle,

Gdje W je ukupna energija svih fotona u šupljini i pritisak na njene zidove

Evo w- volumetrijska gustina energije zračenja. Ako fotoni unutar naše šupljine imaju frekvencije od 0 do ∞, onda w može se odrediti formulom:

(11-14)

Evo ρ(ν) - zapreminska gustina energije zračenja u opsegu frekvencija od ν do ν+dν.

Funkcija ρ(ν) se nalazi pomoću posebne kvantne distribucije fotona po energiji (frekvenciji), - distribucija Bose-Einstein (B-E).

1. Za razliku od Maxwellove raspodjele, koja karakterizira distribuciju čestica u prostoru brzina (impulsa), kvantna raspodjela opisuje energije čestica u faznom prostoru formiranom impulsima i koordinatama čestica.

2. Elementarni volumen faznog prostora je jednak (pomnožimo sve priraštaje koordinata):

3. Volumen po stanju je jednak h 3 .

4. Broj država dg i zračenje koje se nalazi u volumenu elementarne faze u kvantnoj statistici se dobija dijeljenjem zapremine (11-15) sa h 3:

5. Distribucija B-E sistemi čestica sa cjelobrojnim spinom se pokoravaju. Dobili su ime bozoni. Ove čestice takođe uključuju fotone. Njihov spin uzima cjelobrojne vrijednosti. Ugaoni moment fotona poprima vrijednost mh/2π, Gdje m = 1. 2,3… Bose-Einstein funkcija raspodjele za fotone ima oblik:

, (11-16)

Gdje. ΔN – broj fotona u zapremini dV, n i - prosječan broj čestica u jednom energetskom stanju sa energijom W i koji se zove k - Boltzmannova konstanta, T– apsolutna temperatura. Koeficijent 2 nastaje zbog prisustva dva moguća pravca polarizacije svetlosti (leva i desna rotacija ravni polarizacije).

Ukupan broj država u volumenu V(nakon integracije po volumenu i korištenja odnosa između impulsa fotona R i njegovu energiju W,νr =hv/c, W= hv ):

gdje je ν frekvencija, sa - brzina svetlosti u vakuumu.

Broj fotona sa energijom od W prije W+dW u zapremini V:

Zapreminsku gustinu energije zračenja nalazimo u frekvencijskom području od ν do ν +dν množenjem (11-16) sa energijom jednog fotona hν :

. (11-18)

Tlak zračenja nalazimo pomoću formula (11-13), (11-14) i (11-18):

Jednačina stanja za zračenje:

Energija zračenja iz zapremine V (Stefan-Boltzmann zakon):

Odnos između energetske svjetlosti i volumetrijske gustine energije zračenja (slijedi iz poređenja Planckove formule sa formulom (11-18):

R E (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).

48. Elementi kvantne optike. Energija, masa i impuls fotona. Izvođenje formule za svjetlosni pritisak na osnovu kvantnih ideja o prirodi svjetlosti.

Dakle, širenje svjetlosti ne treba smatrati kontinuiranim širenjem valova

proces, već kao tok diskretnih čestica lokaliziranih u prostoru, koji se kreću brzinom širenja svjetlosti u vakuumu. Kasnije (1926. godine) ove čestice su nazvane fotoni. Fotoni imaju sva svojstva čestice (korpuskule).

Razvoj Planckove hipoteze doveo je do stvaranja ideja o kvantna svojstva Sveta. Kvanti svjetlosti se nazivaju fotoni. Prema zakonu proporcionalnosti mase i energije i Planckovoj hipotezi, energija fotona je određena formulama

.

Izjednačavajući desnu stranu ovih jednačina, dobijamo izraz za masu fotona

ili uzimajući u obzir to,

Impuls fotona je određen formulama:

Masa mirovanja fotona je nula. Kvant elektromagnetnog zračenja postoji samo tako što se širi brzinom svjetlosti, dok posjeduje konačne vrijednosti energije i momenta. U monohromatskoj svjetlosti frekvencije ν, svi fotoni imaju istu energiju, impuls i masu.

Lagani pritisak

Svjetlosno zračenje može prenijeti svoju energiju na tijelo u obliku mehaničkog pritiska.

On je dokazao da svjetlost koju potpuno apsorbira pocrnjela ploča djeluje na nju silom. Svjetlosni pritisak se očituje u činjenici da na osvijetljenu površinu tijela djeluje raspoređena sila u smjeru prostiranja svjetlosti, proporcionalna gustoći svjetlosne energije i ovisno o optičkim svojstvima površine.

Kao rezultat primjene zakona mehanike na Lebedeva optička mjerenja, dobijen je izuzetno važan odnos koji je pokazao da je energija uvijek ekvivalentna masi. Ajnštajn je prvi istakao da je jednadžba mc 2 = E univerzalna i da treba da važi za bilo koju vrstu energije.

Ovaj fenomen se može objasniti i sa stanovišta talasnog i korpuskularnog koncepta prirode svetlosti. U prvom slučaju, to je rezultat interakcije električna struja indukovane u telu električno polje svjetlosni val, sa svojim magnetnim poljem prema Amperovom zakonu. Električna i magnetska polja svjetlosnog vala, koji se periodično mijenjaju u prostoru i vremenu, pri interakciji s površinom tvari djeluju silom na elektrone atoma tvari. Električno polje vala uzrokuje oscilaciju elektrona. Lorentzova sila iz magnetnog polja vala usmjerena je duž smjera širenja vala i iznosi sila laganog pritiska. Kvantna teorija objašnjava pritisak svjetlosti činjenicom da fotoni imaju određeni zamah i, u interakciji s materijom, prenose dio zamaha na čestice tvari, vršeći na taj način pritisak na njenu površinu (može se povući analogija sa udarima molekula na zidu posude, u kojoj impuls prenet na zid određuje pritisak gasa u posudi).

Kada se apsorbiraju, fotoni prenose svoj zamah tijelu s kojim stupaju u interakciju. To je ono što uzrokuje lagani pritisak.

Odredimo pritisak svjetlosti na površinu pomoću kvantne teorije zračenja.

Neka zračenje frekvencije ν pada okomito na neku površinu (slika 5). Neka ovo zračenje, koje se sastoji od N fotona, padne na površinu stana

rezervni ∆ S za vrijeme ∆ t. Površina apsorbuje N 1 fotona i reflektuje

Xia N 2, tj. N = N 1 + N 2.

	Nastavak 48
Svaki apsorbovani foton (neelastičan udar) prenosi zamah na površinu				I svi iz-
pogođeni foton (elastični udar) prenosi mu zamah			Tada se prenose svi upadni fotoni
puhati impuls jednak
U tom slučaju, svjetlost će djelovati na površinu sa silom
one. vršiti pritisak

Pomnožimo i podijelimo desnu stranu ove jednakosti sa N, dobićemo

Konačno

gdje je energija svih N fotona koji upadaju po jedinici površine u jedinici vremena, veličina-

ness; - koeficijent refleksije.

Za crnu površinu ρ = 0 i pritisak će biti jednak .

Predstavlja volumetrijsku gustinu energije, njenu dimenziju .

Tada će koncentracija n fotona u zraku koji upada na površinu biti

.

Zamjenom (2.2) u jednačinu za svjetlosni pritisak dobijamo

Pritisak koji proizvodi svjetlost prilikom pada na ravnu površinu može se izračunati pomoću formule

gdje je E intenzitet površinskog zračenja (ili osvjetljenja), c je brzina prostiranja elektromagnetnih valova u vakuumu, α, udio upadne energije koju tijelo apsorbira (koeficijent apsorpcije

cija), ρ je udio upadne energije koju odbija tijelo (koeficijent refleksije), θ je ugao između smjera zračenja i normale na ozračenu površinu. Ako tijelo nije providno, odnosno sve

upadno zračenje se reflektuje i apsorbuje, tada je α +ρ =1.

49 Elementi kvantne optike. Comptonov efekat. Čestica-talasni dualizam svjetlosti (zračenje).

3) Talasno-telešnički dualizam elektromagnetnog zračenja

Dakle, proučavanje toplotnog zračenja, fotoelektričnog efekta i Comptonovog efekta pokazalo je da elektromagnetno zračenje (posebno svjetlost) ima sva svojstva čestice (korpuskule). Međutim, velika grupa optičkih fenomena - interferencija, difrakcija, polarizacija ukazuje valna svojstva elektromagnetnog zračenja, posebno svjetlosti.

Ono što čini svjetlost – kontinuirani elektromagnetski valovi koje emituje izvor ili tok diskretnih fotona, nasumično za elektromagnetski val, ne isključuje diskretna svojstva karakteristična za fotone.

Svjetlost (elektromagnetno zračenje) istovremeno ima svojstva kontinuiranih elektromagnetnih valova i svojstva diskretnih fotona. Ovo je dualizam čestica-val (dualnost) elektromagnetnog zračenja.

2) Comptonov efekat Sastoji se od povećanja talasne dužine rendgenskog zračenja kada se ono raspršuje materijom. Promjena talasne dužine

K (1-cos)=2 k sin2 (/2), (9) "

gdje je k =h/(mc) Comptonova talasna dužina, m je masa mirovanja

tron. k =2,43*10 -12 m=0,0243 A (1 A=10-10 m).

Sve karakteristike Comptonovog efekta objašnjene su razmatranjem raspršenja kao procesa elastičnog sudara rendgenskih fotona sa slobodnim elektronima, u kojem se poštuju zakon održanja energije i zakon održanja količine gibanja.

Prema (9), promjena talasne dužine zavisi samo od ugla raspršenja i ne zavisi ni od talasne dužine rendgenskih zraka ni od vrste supstance.

1) Elementi kvantne optike. Fotoni, energija, masa i impuls fotona

Da bi objasnio distribuciju energije u spektru toplotnog zračenja, Planck je pretpostavio da se elektromagnetski talasi emituju u delovima (kvantima). Einstein je 1905. godine došao do zaključka da se zračenje ne samo emituje, već se i širi i apsorbira u obliku kvanta. Ovaj zaključak je omogućio da se objasne sve eksperimentalne činjenice (fotoelektrični efekat, Comptonov efekat, itd.) koje se ne mogu objasniti klasičnom elektrodinamikom, na osnovu talasnih koncepata svojstava zračenja. Dakle, širenje svjetlosti ne treba posmatrati kao kontinuirani valni proces, već kao tok diskretnih čestica lokaliziranih u prostoru, koje se kreću istom brzinom kao i širenje svjetlosti u vakuumu. Kasnije (1926. godine) ove čestice su nazvane fotoni. Fotoni imaju sva svojstva čestice (korpuskule).

1. Energija fotona

Stoga se Plankova konstanta ponekad naziva kvantom akcije. Dimenzija se poklapa, na primjer, sa dimenzijom ugaonog momenta (L=r mv).

Kao što slijedi iz (1), energija fotona raste sa povećanjem frekvencije (ili smanjenjem talasne dužine),

2. Masa fotona se određuje na osnovu zakona o odnosu mase i energije (E=mc 2)

3. Fotonski impuls. Za svaku relativističku česticu njena energija Pošto foton ima m 0 =0, tada je i impuls fotona

one. talasna dužina je obrnuto proporcionalna impulsu

50. Nuklearni model atoma prema Rutherfordu. Spektar atoma vodika. Generalizirana Balmerova formula. Spektralni niz atoma vodika. Koncept terme.

1) Rutherford je predložio nuklearni model atoma. Prema ovom modelu, atom se sastoji od pozitivnog jezgra sa nabojem Ze (Z - serijski broj element u periodnom sistemu, e - elementarni naboj), veličina 10 -5 -10 -4 A (1A = 10 -10 m) i masa skoro jednaka masi atoma. Elektroni se kreću oko jezgra u zatvorenim orbitama, formirajući se elektronska školjka atom. Budući da su atomi neutralni, Z elektroni bi trebali rotirati oko jezgra, čiji je ukupni naboj Ze. Dimenzije atoma određene su dimenzijama vanjskih orbita elektrona i reda su jedinica A.

Masa elektrona čini vrlo mali dio mase jezgra (0,054% za vodonik, manje od 0,03% za ostale elemente). Koncept “veličine elektrona” ne može se konzistentno formulirati, iako se ro 10-3 A naziva klasičnim radijusom elektrona. Dakle, jezgro atoma zauzima neznatan dio volumena atoma i u njemu je koncentrirana gotovo cijela (99,95%) masa atoma. Kada bi jezgra atoma bila locirana blizu jedno drugom, tada bi globus imao radijus od 200 m, a ne 6400 km (gustina materije

atomska jezgra 1.8

2) Linijski spektar atoma vodonika

Emisioni spektar atomskog vodonika sastoji se od pojedinačnih spektralnih linija, koje su raspoređene određenim redoslijedom. 1885. Balmer je otkrio da se talasne dužine (ili frekvencije) ovih linija mogu predstaviti formulom.

, (9)

gdje R =1,0974 7 m -1 se također naziva Rydbergova konstanta.

Na sl. Na slici 1 prikazan je dijagram energetskih nivoa atoma vodonika, izračunatih prema (6) pri z=1.

Kada se elektron kreće sa viših energetskih nivoa na nivo n = 1, javlja se ultraljubičasto zračenje ili zračenje Lyman serije (SL).

Kada se elektroni pomaknu na nivo n = 2, pojavljuje se vidljivo zračenje ili zračenje Balmerove serije (SB).

Kada se elektroni kreću od više visoki nivoi po nivou n =

3 javlja se infracrveno zračenje ili zračenje serije Paschen (SP) itd.

Frekvencije ili talasne dužine rezultirajućeg zračenja određene su formulama (8) ili (9) sa m=1 za Lymanovu seriju, sa m=2 za Balmerovu seriju i sa m = 3 za Paschenovu seriju. Energija fotona određena je formulom (7), koja se, uzimajući u obzir (6), može svesti za atome slične vodiku na oblik:

eV (10)

50 nastavak

4) Spektralni niz vodonika- skup spektralnih serija koje čine spektar atoma vodika. Budući da je vodonik najjednostavniji atom, njegove spektralne serije su najviše proučavane. Oni se dobro pridržavaju Rydbergove formule:

,

gdje je R = 109,677 cm−1 Rydbergova konstanta za vodonik, n′ je glavni nivo serije. Spektralne linije koje nastaju tokom prijelaza na glavnu nivo energije,

nazivaju se rezonantnim, svi ostali se nazivaju podređenim.

Lyman serija

Otkrio ga je T. Lyman 1906. godine. Sve linije u seriji su u ultraljubičastom opsegu. Serija odgovara Rydbergovoj formuli sa n′ = 1 i n = 2, 3, 4,

Balmer serija

Otkrio I. Ya. Balmer 1885. godine. Prve četiri linije serije su u vidljivom opsegu. Serija odgovara Rydbergovoj formuli sa n′ = 2 i n = 3, 4, 5

5) Spektralni termin ili elektronski terminatom, molekula ili ion - konfiguracija

radio (stanje) elektronskog podsistema, koji određuje nivo energije. Ponekad se riječ termin razumije kao stvarna energija datog nivoa. Prijelazi između pojmova određuju spektre emisije i apsorpcije elektromagnetnog zračenja.

Termini atoma se obično označavaju velikim slovima S, P, D, F, itd., što odgovara vrijednosti kvantnog broja orbitalni ugaoni moment L =0, 1, 2, 3, itd. Kvantni broj ukupnog ugaonog momenta J je dat indeksom u donjem desnom uglu. Mali broj u gornjem lijevom kutu označava višestrukost ( višestrukost) terma. Na primjer, ²P 3/2 je dublet P. Ponekad (u pravilu, za atome i jone s jednim elektronom) simbol pojma je označen sa glavni kvantni broj(na primjer, 2²S 1/2).

CBETA PRITISAK, pritisak svetlosti na reflektujuća i apsorbujuća tela, čestice i pojedinačne molekule i atome; jedna od ponderomotivnih radnji svjetlosti povezana s prijenosom impulsa elektromagnetno polje supstance. Hipotezu o postojanju svetlosnog pritiska prvi je izneo I. Kepler u 17. veku da bi objasnio odstupanje repova kometa od Sunca. Teoriju svjetlosnog pritiska u okviru klasične elektrodinamike dao je J. C. Maxwell 1873. U njoj se svjetlosni pritisak objašnjava raspršivanjem i apsorpcijom elektromagnetnih valova česticama materije. U okviru kvantne teorije, svjetlosni pritisak je rezultat prijenosa impulsa fotonima na tijelo.

Kod normalnog upada svjetlosti na površinu čvrstog tijela, svjetlosni pritisak p određuje se formulom:

r = S(1 + R)/s, gdje je

S je gustina toka energije (intenzitet svjetlosti), R je koeficijent refleksije svjetlosti od površine, c je brzina svjetlosti. U normalnim uslovima, lagani pritisak je jedva primetan. Čak i u snažnom laserskom snopu (1 W/cm 2 ), svjetlosni pritisak je oko 10 -4 g/cm 2 . Laserski snop širokog poprečnog presjeka može se fokusirati, a onda sila svjetlosnog pritiska u fokusu zraka može zadržati miligramsku česticu suspendovanu.

Pritisak svjetlosti na čvrsta tijela prvi je eksperimentalno proučavao P. N. Lebedev 1899. godine. Glavne poteškoće u eksperimentalnoj detekciji svjetlosnog tlaka bile su u izolaciji od pozadine radiometrijskih i konvektivnih sila, čija veličina ovisi o pritisku plina koji okružuje tijelo i, u slučaju nedovoljnog vakuuma, može premašiti svjetlosni pritisak. za nekoliko redova veličine. U Lebedevovim eksperimentima, u evakuiranoj (pritisak reda 10-4 mm Hg) staklenoj posudi, klackalice torzijske vage sa pričvršćenim tankim disk-krilcima bile su okačene na tanku srebrnu nit, koje su ozračene. Krila su bila napravljena od raznih metala i liskuna sa identičnim suprotnim površinama. Uzastopnim zračenjem prednje i stražnje površine krila različitih debljina, Lebedev je uspio neutralizirati zaostali efekat radiometrijskih sila i postići zadovoljavajuće (sa greškom od ± 20%) slaganje s Maxwellovom teorijom. U 1907-10 Lebedev je istraživao pritisak svetlosti na gasove.

Svjetlosni pritisak igra veliku ulogu u astronomskim i atomskim fenomenima. Pritisak svjetlosti u zvijezdama, zajedno sa pritiskom plina, osigurava njihovu stabilnost, suprotstavljajući se silama gravitacije. Djelovanje svjetlosnog pritiska objašnjava neke od oblika repova komete. Kada atomi emituju foton, dolazi do takozvanog svjetlosnog trzaja, a atomi primaju impuls fotona. U kondenzovanoj materiji, svetlosni pritisak može izazvati struju nosilaca naboja (pogledajte Uvlačenje elektrona fotonima). Pokušavaju da iskoriste pritisak sunčeve radijacije za stvaranje tipa svemirskog pogonskog uređaja - takozvanog solarnog jedra.

Specifičnosti svetlosnog pritiska detektuju se u razređenim atomskim sistemima tokom rezonantnog rasejanja intenzivne svetlosti, kada je frekvencija laserskog zračenja jednaka frekvenciji atomskog prelaza. Nakon što je apsorbirao foton, atom prima impuls u smjeru laserskog snopa i prelazi u pobuđeno stanje. Nadalje, spontano emitujući foton, atom dobiva zamah (svjetlosni izlaz) u proizvoljnom smjeru. Uz naknadnu apsorpciju i spontanu emisiju fotona, atom neprestano prima impulse usmjerene duž svjetlosnog snopa, što stvara svjetlosni pritisak.

Sila F rezonantnog pritiska svetlosti na atom je definisana kao impuls prenet fluksom fotona sa gustinom N u jedinici vremena: F = Nćkσ, gde je ćk = 2πć/λ impuls jednog fotona, σ ≈ λ 2 je presjek apsorpcije rezonantnog fotona, λ je talasna dužina svjetlosti, k - talasni broj, ć - Planckova konstanta. Pri relativno malim gustinama zračenja, rezonantni pritisak svetlosti je direktno proporcionalan intenzitetu svetlosti. Pri visokim gustinama fluksa fotona N, dolazi do zasićenja apsorpcije i zasićenja rezonantnog pritiska svjetlosti (vidi Efekat zasićenja). U ovom slučaju, svjetlosni pritisak stvaraju fotoni koje atomi spontano emituju sa prosječnom frekvencijom γ (obrnuto u odnosu na vijek trajanja pobuđenog atoma) u slučajnom smjeru. Jačina pritiska svetlosti prestaje da zavisi od intenziteta, već je određena brzinom događaja spontane emisije: F≈ćkγ. Za tipične vrijednosti γ ≈ 10 8 s -1 i λ ≈0,6 μm, sila svjetlosnog pritiska je F≈5·10 -3 eV/cm; kada je zasićen, rezonantni pritisak svjetlosti može stvoriti ubrzanje atoma do 10 5 g (g je ubrzanje slobodan pad). Takve velike sile omogućavaju selektivnu kontrolu atomskih zraka, mijenjajući frekvenciju svjetlosti i različito utječući na atome s nešto drugačijim rezonantnim frekvencijama apsorpcije. Konkretno, moguće je komprimirati Maxwellovu raspodjelu brzina uklanjanjem brzih atoma iz zraka. Lasersko svjetlo usmjerava se prema atomskom snopu, pri čemu se bira frekvencija i oblik spektra zračenja tako da svjetlosni pritisak usporava brze atome sa velikim pomakom u rezonantnoj frekvenciji (vidi Doplerov efekat). Rezonantni pritisak svjetlosti može se koristiti za odvajanje plinova: kada se dvokomorna posuda napunjena mješavinom dva plina, od kojih su atomi jednog u rezonanciji sa zračenjem, ozrači, rezonantni atomi, pod utjecajem lagani pritisak, pomeriće se u dalju komoru.

Rezonantni pritisak svjetlosti na atome smještene u intenzivnom polju ima neke karakteristike. stojeći talas. Sa kvantne tačke gledišta, stajaći talas formiran od kontra tokova fotona izaziva šokove u atomu usled apsorpcije fotona i njihove stimulisane emisije. Prosječna sila koja djeluje na atom nije jednaka nuli zbog nehomogenosti polja na talasnoj dužini. Sa klasične tačke gledišta, sila svjetlosnog pritiska nastaje zbog djelovanja prostorno nehomogenog polja na atomski dipol izazvan njime. Ova sila je minimalna u čvorovima u kojima se dipolni moment ne indukuje i u antičvorovima gdje gradijent polja nestaje. Maksimalna sila svetlosnog pritiska jednaka je po redu veličine F≈ ±Ekd (znaci se odnose na infazno i ​​antifazno kretanje dipola sa momentom d u odnosu na polje jačine E). Ova sila može dostići gigantske vrijednosti: d≈ 1 debye, λ≈0,6 μm i E≈ 10 6 V/cm sila F≈5∙10 2 eV/cm. Polje stojećeg vala stratificira snop atoma koji prolazi kroz snop svjetlosti, budući da se dipoli, oscilirajući u antifazi, kreću različitim putanjama, poput atoma u Stern-Gerlachovom eksperimentu. Atomi koji se kreću duž laserskog snopa podložni su radijalnoj sili pritiska svjetlosti uzrokovanoj radijalnom nehomogenošću gustine svjetlosnog polja. I kod stajaćeg i kod putujućeg talasa ne dolazi samo do determinističkog kretanja atoma, već i do njihove difuzije u faznom prostoru, budući da su apsorpcija i emisija fotona kvantni slučajni procesi. Kvazičestice u čvrste materije: elektroni, eksitoni, itd.

Lit.: Zbirka Lebedev P.N. op. M., 1963; Ashkin A. Pritisak laserskog zračenja // Advances in Physical Sciences. 1973. T. 110. Br. 1; Kazantsev A.P. Rezonantni svjetlosni pritisak // Ibid. 1978. T. 124. Br. 1; Letohov V. S., Minogin V. G. Pritisak laserskog zračenja na atome. M., 1986.

S. G. Przhibelsky.