Hipotezę o istnieniu ciśnienia świetlnego po raz pierwszy wysunął I. Kepler w XVII wieku, aby wyjaśnić zachowanie ogonów komet, gdy przelatują w pobliżu Słońca. W 1873 roku Maxwell przedstawił teorię ciśnienia światła w ramach swojej klasycznej elektrodynamiki. Ciśnienie lekkie zostało po raz pierwszy zbadane eksperymentalnie przez P. N. Lebiediewa w 1899 r. W jego eksperymentach skalę obrotową zawieszono na cienkiej srebrnej nici w próżniowym naczyniu, do którego wahaczy przymocowano cienkie krążki wykonane z miki i różnych metali. Główną trudnością było wyodrębnienie ciśnienia światła na tle sił radiometrycznych i konwekcyjnych (sił wywołanych różnicą temperatur otaczającego gazu po stronie oświetlonej i nieoświetlonej). Poprzez napromienianie naprzemienne różne strony Lebiediew wyrównał siły radiometryczne i uzyskał zadowalającą (±20%) zgodność z teorią Maxwella. Później, w latach 1907-1910. Lebiediew przeprowadził dokładniejsze eksperymenty, aby zbadać ciśnienie światła w gazach i również uzyskał akceptowalną zgodność z teorią.

Znaczenie fizyczne

Według współczesnych koncepcji światło charakteryzuje się dualizmem falowo-cząsteczkowym, czyli wykazuje właściwości cząstek (fotony) i właściwości fal (promieniowanie elektromagnetyczne).

Jeśli rozpatrzymy światło jako strumień fotonów, to zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej cząstki uderzając w ciało, muszą przekazać mu pęd, czyli wywierać nacisk. To ciśnienie jest czasami nazywane ciśnienie promieniowania.

Aby obliczyć lekkie ciśnienie, możesz skorzystać z następującego wzoru:

gdzie jest ilością energii promieniowania padającej normalnie na 1 m² powierzchni w ciągu 1 s; - prędkość światła, - współczynnik odbicia.

Jeśli światło pada pod kątem do normalnej, ciśnienie można wyrazić wzorem:

gdzie jest objętościową gęstością energii promieniowania, jest współczynnikiem odbicia, jest wektorem jednostkowym kierunku wiązki padającej, jest wektorem jednostkowym kierunku wiązki odbitej.

Na przykład składowa styczna siły nacisku światła na jednostkę powierzchni będzie równa:

Składowa normalna siły nacisku światła na jednostkę powierzchni będzie równa:

Stosunek składowych normalnych i stycznych jest równy:

Aplikacja

Możliwe zastosowania obejmują żagiel słoneczny i separację gazów.

Notatki

• Powietrze
• Chronometr

Zobacz, co oznacza „lekki nacisk” w innych słownikach:

Lekki nacisk- Lekki nacisk. Schemat rozdzielania gazów za pomocą rezonansowego ciśnienia światła (częstotliwość światła lasera jest równa częstotliwości przejścia atomowego). Atomy rezonansowe pod wpływem światła, otrzymawszy ukierunkowany impuls od kwantów świetlnych, trafią w odległe... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

Lekki nacisk- nacisk wywierany przez światło na ciała odbijające lub pochłaniające. D. s. został po raz pierwszy eksperymentalnie odkryty i zmierzony przez P. N. Lebiediewa (1899). Wartość D. s. nawet dla najsilniejszych źródeł światła (Słońce, łuk elektryczny) jest znikomy... ... Wielka encyklopedia radziecka

LEKKI NACISK- Nacisk wywierany przez światło na ciała odbijające lub pochłaniające światło. Ciśnienie światła powstaje w wyniku przekazania pędu ciału przez fotony pochłonięte lub odbite przez nie. Kiedy promieniowanie słoneczne oddziałuje na ciała makroskopowe, jest ono niezwykle małe... ... Wielki słownik encyklopedyczny

LEKKI NACISK- (patrz LEKKIE CIŚNIENIE). Fizyczny słownik encyklopedyczny. M.: Encyklopedia radziecka. Redaktor naczelny A. M. Prochorow. 1983... Encyklopedia fizyczna

lekki nacisk- ciśnienie wywierane przez światło na ciała odbijające lub pochłaniające światło, cząstki, a także pojedyncze cząsteczki i atomy. Hipotezę o ciśnieniu światła po raz pierwszy wysunął (1619) I. Kepler w celu wyjaśnienia odchylenia ogonów komet lecących w pobliżu Słońca... ... słownik encyklopedyczny

lekki nacisk- šviesos slėgis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Slėgis, kurį kuria šviesa veikdama tam tikrą paviršių. atitikmenys: pol. lekki nacisk vok. Lichtdruck, m. rus. lekki nacisk, n; lekki nacisk, n pranc. ciśnienie… Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

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

LEKKI NACISK- ciśnienie wytwarzane przez światło na ciała odbijające lub pochłaniające światło, cząstki i części. cząsteczki i atomy. Hipoteza dotycząca D. s. zostało po raz pierwszy wyrażone (1619) przez I. Keplera w celu wyjaśnienia odchylenia ogonów komet lecących w pobliżu Słońca. W ziemskim... ... Naturalna nauka. słownik encyklopedyczny

Lekki nacisk- nacisk wywierany przez światło na oświetlaną powierzchnię. Odgrywa ważną rolę w procesach kosmicznych (tworzenie ogonów komet, równowaga duże gwiazdy). DS przepowiedział w 1619 roku w Niemczech. astronom I. Kepler. (1571-1630) i eksperymentalnie... ... Słownik astronomiczny

Okazuje się, że ciśnienie mogą wytworzyć nie tylko ciała stałe, ciecze i gazy. Lekkie promieniowanie elektromagnetyczne, opadające na powierzchnię ciała, również wywiera na nie nacisk.

Teoria lekkiego ciśnienia

Johannesa Keplera

Po raz pierwszy przyjęto założenie o istnieniu lekkiego ciśnienia Niemiecki naukowiec Johannes Kepler w XVII wieku. Badając zachowanie komet lecących w pobliżu Słońca, zauważył, że ogon komety zawsze odchyla się w kierunku przeciwnym do Słońca. Kepler wysunął teorię, że w jakiś sposób to odchylenie było spowodowane ekspozycją na światło słoneczne.

Teoretyczne istnienie ciśnienia świetlnego przewidywano już w XIX wieku brytyjski fizyk James Clerk Maxwell, który stworzył teorię elektromagnetyczną i argumentował, że światło to także wibracje elektromagnetyczne i powinno wywierać nacisk na przeszkody.

Jamesa Clerka Maxwella

Światło jest falą elektromagnetyczną. Wytwarza pole elektryczne, pod wpływem którego elektrony w ciele napotykanym na swojej drodze oscylują. W ciele pojawia się prąd elektryczny, kierowany zgodnie z natężeniem pola elektrycznego. Z zewnątrz pole magnetyczne działa na elektrony Siła Lorentza. Jego kierunek pokrywa się z kierunkiem propagacji fali świetlnej. Ta moc jest lekka siła nacisku .

Według obliczeń Maxwella światło słoneczne wytwarza ciśnienie o określonej wartości na czarnej płycie znajdującej się na Ziemi (p = 4 · 10 -6 N/m 2). A jeśli zamiast czarnej płytki weźmiesz odblaskową, wówczas nacisk światła będzie 2 razy większy.

Ale to było tylko teoretyczne założenie. Aby to udowodnić, konieczne było potwierdzenie teorii praktycznym eksperymentem, czyli zmierzeniem wartości ciśnienia świetlnego. Ponieważ jednak jego wartość jest bardzo mała, w praktyce jest to niezwykle trudne.

Piotr Nikołajewicz Lebiediew

W praktyce tak się robiło Rosyjski fizyk eksperymentalny Piotr Nikołajewicz Lebiediew. Eksperyment, który przeprowadził w 1899 r., potwierdził założenie Maxwella, że ​​na ciała stałe istnieje lekki nacisk.

Doświadczenia Lebiediewa

Schematyczne przedstawienie eksperymentu Lebiediewa

Aby przeprowadzić swój eksperyment, Lebiediew stworzył specjalne urządzenie, którym było szklane naczynie. Wewnątrz naczynia umieszczono lekki pręt na cienkiej szklanej nitce. Do krawędzi tego pręta przymocowano cienkie, lekkie skrzydełka wykonane z różnych metali i miki. Ze statku wypompowano powietrze. Za pomocą specjalnych układów optycznych składających się ze źródła światła i luster, wiązka światła kierowana była na skrzydełka znajdujące się po jednej stronie pręta. Pod wpływem lekkiego nacisku pręt obracał się, a nić skręcała pod pewnym kątem. Wielkość nacisku światła została określona przez wielkość tego kąta.

Urządzenie Lebiediewa

Ale ten eksperyment nie dał dokładnych wyników. Przeprowadzenie go wiązało się z pewnymi trudnościami. Ponieważ w tamtych czasach nie było pomp próżniowych, używano zwykłych mechanicznych. I przy ich pomocy niemożliwe było wytworzenie absolutnej próżni w naczyniu. Nawet po wypompowaniu zostało w nim trochę powietrza. Skrzydła i ściany statku były ogrzewane inaczej. Strona skierowana w stronę wiązki światła nagrzewa się szybciej. A to spowodowało ruch cząsteczek powietrza. Strumienie cieplejszego powietrza unosiły się w górę. Ponieważ niemożliwy jest montaż skrzydeł całkowicie pionowo, przepływy te powodowały dodatkowe momenty obrotowe. Poza tym same skrzydła nie nagrzewały się równomiernie. Strona zwrócona w stronę źródła światła stała się gorętsza. W rezultacie wystąpił dodatkowy wpływ na kąt obrotu gwintu.

Aby eksperyment był dokładniejszy, Lebiediew wziął bardzo duże naczynie. Skrzydło wykonał z dwóch par bardzo cienkich krążków platyny. Ponadto grubość okręgów jednej pary różniła się od grubości okręgów drugiej pary. Z jednej strony pręta kółka były obustronnie błyszczące, z drugiej jedna strona została pokryta platynowym niello. Z jednej lub drugiej strony kierowano na nie promienie światła, aby zrównoważyć siły działające na skrzydła. W rezultacie zmierzono lekki nacisk na skrzydła. Wyniki eksperymentów potwierdziły teoretyczne założenia Maxwella o istnieniu ciśnienia świetlnego. A jego wielkość była prawie taka sama, jak przewidywał Maxwell.

W latach 1907-1910 Korzystając z dokładniejszych eksperymentów, Lebiediew zmierzył ciśnienie światła na gazy.

Światło, jak każde promieniowanie elektromagnetyczne, ma energię mi .

Jego pęd p = E w / c 2 ,

Gdzie w - prędkość promieniowania elektromagnetycznego,

C - prędkość światła.

Ponieważ w = Z , To p = E/s .

Wraz z nadejściem teoria kwantowaświatło zaczęto postrzegać jako strumień fotonów - cząstki elementarne, kwanty światła. Uderzając w ciało, fotony przekazują mu swój pęd, czyli wywierają ciśnienie.

Żagiel słoneczny

Fryderyk Arturowicz Zander

Chociaż siła lekkiego nacisku jest bardzo mała, może jednak być korzystna dla danej osoby.

Jeszcze w 1920 roku Radziecki naukowiec i wynalazca Friedrich Arturovich Zander, jeden z twórców pierwszej rakiety na paliwo ciekłe, przedstawił pomysł lotu w przestrzeń kosmiczną za pomocą żagiel słoneczny . Była bardzo prosta. Światło słoneczne składa się z fotonów. I wytwarzają ciśnienie, przenosząc swój impuls na dowolną oświetloną powierzchnię. Dlatego do napędzania statku kosmicznego można wykorzystać ciśnienie generowane przez światło słoneczne lub laser na powierzchni lustra. Taki żagiel nie wymaga paliwa rakietowego, a jego czas trwania jest nieograniczony. A to pozwoli Ci zabrać więcej ładunku niż zwykle statek kosmiczny z silnikiem odrzutowym.

Żagiel słoneczny

Ale na razie są to jedynie projekty stworzenia statków kosmicznych z żaglem słonecznym jako głównym silnikiem.

Jednym z eksperymentalnych potwierdzeń obecności pędu w fotonach jest istnienie ciśnienia świetlnego (eksperymenty Lebiediewa).

Wyjaśnienie fal (wg Maxwella): oddziaływanie prądów indukowanych z polem magnetycznym fali.

Z kwantowego punktu widzenia nacisk światła na powierzchnię wynika z faktu, że każdy foton po zderzeniu z tą powierzchnią przekazuje jej swój pęd. Ponieważ foton może poruszać się z prędkością światła jedynie w próżni, odbicie światła od powierzchni ciała należy rozpatrywać jako proces „reemisji” fotonów – padający foton jest pochłaniany przez powierzchnię, a następnie ponownie wyemitowany przez niego z przeciwnym kierunkiem pędu.

Rozważmy nacisk światła wywierany na powierzchnię ciała przez strumień promieniowania monochromatycznego padający prostopadle do powierzchni.

Niech na jednostkę czasu na jednostkę powierzchni ciała spadnie P fotony. Jeżeli współczynnik odbicia światła od powierzchni ciała jest równy R, To Rn fotony odbijają się i (1 –R) p- zaabsorbowany. Każdy odbity foton przekazuje na ścianę impuls równy 2р f =2hv/c (po odbiciu pęd fotonu zmienia się na – r f). Każdy zaabsorbowany foton przenosi swój pęd na ścianę rf =hv/c .Nacisk światła na powierzchnię jest równy impulsowi, jaki przenoszą wszystkie powierzchnie w ciągu 1 s P fotony:

, (11-12)

Gdzie I=nhv – energia wszystkich fotonów padających na jednostkową powierzchnię w jednostce czasu, tj. natężenie światła, oraz w=I/c – objętościowa gęstość energii padającego promieniowania. Formuła ta została sprawdzona doświadczalnie i potwierdzona w doświadczeniach Lebiediewa.

4. Gaz fotonowy. Bozony. Rozkład Bosego-Einsteina.

Rozważmy światło jako zbiór fotonów znajdujących się w zamkniętej wnęce o lustrzanych ścianach. Nacisk światła na powierzchnię odbijającą zwierciadła powinien być taki sam, jaki byłby, gdyby fotony odbijały się od powierzchni w postaci absolutnie sprężystych kulek.

Znajdźmy ciśnienie wywierane na idealnie odbijające ściany| zamknięta wnęka.

Dla uproszczenia zakładamy, że wnęka ma kształt sześcianu. Ze względu na izotropię promieniowania można założyć, że wszystkie kierunki ruchu fotonów są jednakowo prawdopodobne. Pomiędzy fotonami nie zachodzi interakcja (ich częstotliwość nie zmienia się podczas zderzeń). Dlatego fotony poruszają się jak cząsteczki idealnego gazu jednoatomowego.

Ciśnienie gazu doskonałego na ściankach wnęki znajdujemy z podstawowego równania kinetycznej teorii gazów:

Ale dla fotonów m=hv i /c 2 , υ i=с i dlatego mυ i 2 = hv i.Zatem,

Gdzie W jest całkowitą energią wszystkich fotonów we wnęce i ciśnieniem na jej ściankach

Tutaj w- wolumetryczna gęstość energii promieniowania. Jeśli fotony wewnątrz naszej wnęki mają częstotliwości od 0 do ∞, to w można określić ze wzoru:

(11-14)

Tutaj ρ(ν) - objętościowa gęstość energii promieniowania w zakresie częstotliwości od ν do ν+dν.

Funkcjonować ρ(ν) znajduje się za pomocą specjalnego rozkładu kwantowego fotonów według energii (częstotliwości), - dystrybucja Bose-Einstein (BE).

1. W przeciwieństwie do rozkładu Maxwella, który charakteryzuje rozkład cząstek w przestrzeni prędkości (pędu), rozkład kwantowy opisuje energie cząstek w przestrzeni fazowej utworzonej przez pędy i współrzędne cząstek.

2. Objętość elementarna przestrzeni fazowej jest równa (pomnóżmy wszystkie przyrosty współrzędnych):

3. Objętość na stan jest równa godz. 3 .

4. Liczba stanów dg i promieniowanie zlokalizowane w objętości fazy elementarnej w statystyce kwantowej otrzymuje się dzieląc objętość (11-15) przez godz. 3:

5. Dystrybucja BYĆ przestrzegają układów cząstek o spinie całkowitym. Dostali to imię bozony. Do cząstek tych zaliczają się także fotony. Ich spin przyjmuje wartości całkowite. Moment pędu fotonu nabiera wartości mh/2π, Gdzie M = 1. 2,3… Funkcja rozkładu Bosego-Einsteina dla fotonów ma postać:

, (11-16)

Gdzie. ΔN – liczba fotonów w objętości dV, nie ja - średnia liczba cząstek w jednym stanie energetycznym z energią W ja który jest nazywany k - stała Boltzmanna, T- temperatura absolutna. Współczynnik 2 pojawia się ze względu na obecność dwóch możliwych kierunków polaryzacji światła (obrót płaszczyzny polaryzacji w lewo i w prawo).

Całkowita liczba stanów w wolumenie V(po całkowaniu po objętości i wykorzystaniu zależności pomiędzy pędem fotonu R i jego energia W, νр = hv/c, W= hv ):

gdzie ν jest częstotliwością, Z - prędkość światła w próżni.

Liczba fotonów o energii z W zanim W+dW w objętości V:

Objętościową gęstość energii promieniowania w zakresie częstotliwości od ν do ν +dν wyznaczamy mnożąc (11-16) przez energię jednego fotonu hν :

. (11-18)

Ciśnienie promieniowania wyznaczamy za pomocą wzorów (11-13), (11-14) i (11-18):

Równanie stanu dla promieniowania:

Energia promieniowania z objętości V (prawo Stefana-Boltzmanna):

Zależność jasności energetycznej od objętościowej gęstości energii promieniowania (wynika z porównania wzoru Plancka ze wzorem (11-18):

RE (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).

48. Elementy optyki kwantowej. Energia, masa i pęd fotonu. Wyprowadzenie wzoru na ciśnienie światła w oparciu o kwantowe wyobrażenia o naturze światła.

Zatem propagacji światła nie należy uważać za ciągłą propagację fali

procesu, ale jako strumień dyskretnych cząstek zlokalizowanych w przestrzeni, poruszających się z prędkością propagacji światła w próżni. Następnie (w 1926 r.) cząstki te nazwano fotonami. Fotony mają wszystkie właściwości cząstki (korpuskuły).

Rozwój hipotezy Plancka doprowadził do powstania pomysłów na temat właściwości kwantowe Swieta. Kwanty świetlne nazywane są fotonami. Zgodnie z prawem proporcjonalności masy i energii oraz hipotezą Plancka energię fotonu wyznaczają wzory

.

Zrównując prawe strony tych równań, otrzymujemy wyrażenie na masę fotonu

lub biorąc pod uwagę, że

Pęd fotonu wyznaczają wzory:

Masa spoczynkowa fotonu wynosi zero. Kwant promieniowania elektromagnetycznego istnieje tylko poprzez rozchodzenie się z prędkością światła, mając przy tym skończone wartości energii i pędu. W świetle monochromatycznym o częstotliwości ν wszystkie fotony mają tę samą energię, pęd i masę.

Lekki nacisk

Promieniowanie świetlne może przekazywać swoją energię organizmowi w postaci nacisku mechanicznego.

Udowodnił, że światło całkowicie pochłonięte przez poczerniałą płytkę wywiera na nią siłę. Ciśnienie światła objawia się tym, że na oświetloną powierzchnię ciała działa rozłożona siła w kierunku rozchodzenia się światła, proporcjonalna do gęstości energii świetlnej i zależna od właściwości optycznych powierzchni.

W wyniku zastosowania praw mechaniki do pomiarów optycznych Lebiediewa uzyskano niezwykle ważną zależność, która pokazała, że ​​energia jest zawsze równa masie. Einstein jako pierwszy zauważył, że równanie mc 2 = E jest uniwersalne i powinno obowiązywać dla każdego rodzaju energii.

Zjawisko to można wyjaśnić zarówno z punktu widzenia falowej, jak i korpuskularnej koncepcji natury światła. W pierwszym przypadku jest to wynik interakcji prąd elektryczny indukowane w organizmie pole elektryczne fala świetlna z jej polem magnetycznym zgodnie z prawem Ampera. Pola elektryczne i magnetyczne fali świetlnej, okresowo zmieniające się w przestrzeni i czasie, podczas interakcji z powierzchnią substancji wywierają siłę na elektrony atomów substancji. Pole elektryczne fali powoduje oscylację elektronów. Siła Lorentza z pola magnetycznego fali jest skierowana wzdłuż kierunku propagacji fali i wynosi lekka siła nacisku. Teoria kwantowa wyjaśnia ciśnienie światła faktem, że fotony mają określony pęd i wchodząc w interakcję z materią przekazują część pędu cząstkom substancji, wywierając w ten sposób nacisk na jej powierzchnię (można wyciągnąć analogię z uderzeniami cząsteczek na ściance naczynia, w którym pęd przeniesiony na ścianę decyduje o ciśnieniu gazu w naczyniu).

Pochłonięte fotony przekazują swój pęd ciału, z którym oddziałują. To właśnie powoduje lekki nacisk.

Wyznaczmy ciśnienie światła na powierzchnię, korzystając z kwantowej teorii promieniowania.

Niech promieniowanie o częstotliwości ν pada prostopadle na jakąś powierzchnię (rys. 5). Niech to promieniowanie, składające się z N fotonów, spadnie na powierzchnię mieszkania

zapasowy ∆ S na czas ∆ t. Powierzchnia pochłania fotony N 1 i odbija je

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

	Ciąg dalszy 48
Każdy zaabsorbowany foton (uderzenie niesprężyste) przenosi pęd na powierzchnię				I wszyscy z-
dotknięty foton (uderzenie elastyczne) przekazuje mu pęd			Następnie przesyłane są wszystkie padające fotony
wydmuchać impuls równy
W takim przypadku światło będzie oddziaływać na powierzchnię z siłą
te. wywierania nacisku

Pomnóż i podziel prawą stronę tej równości przez N, otrzymamy

Wreszcie

gdzie to energia wszystkich N fotonów padających na jednostkę powierzchni na jednostkę czasu, size-

ness; - współczynnik odbicia.

Dla czarnej powierzchni ρ = ​​0 i ciśnienie będzie równe .

Reprezentuje wolumetryczną gęstość energii, jej wymiar .

Wtedy stężenie n fotonów w wiązce padającej na powierzchnię będzie wynosić

.

Podstawiając (2.2) do równania ciśnienia lekkiego, otrzymujemy

Ciśnienie wytwarzane przez światło padające na płaską powierzchnię można obliczyć za pomocą wzoru

gdzie E to intensywność napromieniowania powierzchniowego (lub oświetlenia), c to prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni, α, to ułamek padającej energii pochłoniętej przez ciało (współczynnik absorpcji

cja), ρ to część energii padającej odbitej przez ciało (współczynnik odbicia), θ to kąt pomiędzy kierunkiem promieniowania a normalną do napromienianej powierzchni. Jeśli ciało nie jest przezroczyste, to znaczy wszystko

Padające promieniowanie jest odbijane i pochłaniane, wówczas α + ρ =1.

49 Elementy optyki kwantowej. Efekt Comptona. Dualizm cząstkowo-falowy światła (promieniowania).

3) Dualizm korpuskularno-falowy promieniowania elektromagnetycznego

Tak więc badanie promieniowania cieplnego, efektu fotoelektrycznego i efektu Comptona wykazało, że promieniowanie elektromagnetyczne (w szczególności światło) ma wszystkie właściwości cząstki (korpuskuły). Jednakże wskazuje się na dużą grupę zjawisk optycznych - interferencję, dyfrakcję, polaryzację właściwości fal promieniowanie elektromagnetyczne, w szczególności światło.

To, co stanowi światło - ciągłe fale elektromagnetyczne emitowane przez źródło lub strumień dyskretnych fotonów, losowo dla fali elektromagnetycznej, nie wyklucza dyskretnych właściwości charakterystycznych dla fotonów.

Światło (promieniowanie elektromagnetyczne) ma jednocześnie właściwości ciągłych fal elektromagnetycznych i właściwości dyskretnych fotonów. Jest to dualizm cząstkowo-falowy (dwoistość) promieniowania elektromagnetycznego.

2) Efekt Comptona Polega na zwiększaniu długości fali promieniowania rentgenowskiego, gdy jest ono rozproszone przez materię. Zmiana długości fali

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

gdzie k =h/(mc) to długość fali Comptona, m to masa spoczynkowa

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

Wszystkie cechy efektu Comptona wyjaśniono, rozważając rozpraszanie jako proces sprężystego zderzenia fotonów promieniowania rentgenowskiego ze swobodnymi elektronami, w którym przestrzegana jest zasada zachowania energii i zasada zachowania pędu.

Zgodnie z (9) zmiana długości fali zależy wyłącznie od kąta rozproszenia i nie zależy ani od długości fali promieniowania rentgenowskiego, ani od rodzaju substancji.

1) Elementy optyki kwantowej. Fotony, energia, masa i pęd fotonu

Aby wyjaśnić rozkład energii w widmie promieniowania cieplnego, Planck założył, że fale elektromagnetyczne emitowane są porcjami (kwantami). Einstein w 1905 roku doszedł do wniosku, że promieniowanie nie tylko jest emitowane, ale także rozchodzi się i jest pochłaniane w postaci kwantów. Wniosek ten pozwolił wyjaśnić wszystkie fakty eksperymentalne (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona itp.), których nie można wyjaśnić klasyczną elektrodynamiką, opartą na falowych koncepcjach właściwości promieniowania. Zatem propagację światła należy rozpatrywać nie jako ciągły proces falowy, ale jako przepływ dyskretnych cząstek zlokalizowanych w przestrzeni, poruszających się z tą samą prędkością, co propagacja światła w próżni. Następnie (w 1926 r.) cząstki te nazwano fotonami. Fotony mają wszystkie właściwości cząstki (korpuskuły).

1. Energia fotonu

Dlatego stałą Plancka nazywa się czasem kwantem działania. Wymiar pokrywa się np. z wymiarem momentu pędu (L=r mv).

Jak wynika z (1), energia fotonu rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości (lub malejącą długością fali),

2. Masę fotonu wyznacza się na podstawie prawa zależności masy i energii (E=mc 2)

3.Impuls fotonowy. Dla każdej cząstki relatywistycznej jej energia Ponieważ foton ma m 0 = 0, to pęd fotonu

te. długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do pędu

50. Jądrowy model atomu według Rutherforda. Widmo atomu wodoru. Uogólniona formuła Balmera. Szereg widmowy atomu wodoru. Pojęcie termy.

1) Rutherford zaproponował jądrowy model atomu. Zgodnie z tym modelem atom składa się z dodatniego jądra posiadającego ładunek Ze (Z - numer seryjny pierwiastek układu okresowego, e - ładunek elementarny), rozmiar 10 -5 -10 -4 A (1A = 10 -10 m) i masę prawie równą masie atomu. Elektrony poruszają się wokół jądra po zamkniętych orbitach, tworząc powłoka elektronowa atom. Ponieważ atomy są obojętne, elektrony Z powinny obracać się wokół jądra, którego całkowity ładunek wynosi Zе. Wymiary atomu są określone przez wymiary zewnętrznych orbit elektronów i są rzędu jednostek A.

Masa elektronów stanowi bardzo mały ułamek masy jądra (0,054% dla wodoru, mniej niż 0,03% dla pozostałych pierwiastków). Pojęcia „wielkości elektronu” nie można sformułować w sposób spójny, chociaż ro 10-3 A nazywa się klasycznym promieniem elektronu. Zatem jądro atomu zajmuje niewielką część objętości atomu i koncentruje się w nim prawie cała (99,95%) masa atomu. Gdyby jądra atomów znajdowały się blisko siebie, wówczas kula miałaby promień 200 m, a nie 6400 km (gęstość materii

jądra atomowe 1.8

2) Widmo liniowe atomu wodoru

Widmo emisyjne wodoru atomowego składa się z poszczególnych linii widmowych, które są ułożone w określonej kolejności. W 1885 roku Balmer odkrył, że długości fal (lub częstotliwości) tych linii można przedstawić za pomocą wzoru.

, (9)

gdzie R =1,0974 · 7 m -1 nazywa się także stałą Rydberga.

Na ryc. Rysunek 1 przedstawia diagram poziomów energetycznych atomu wodoru, obliczonych według (6) przy z=1.

Kiedy elektron przemieszcza się z wyższych poziomów energii na poziom n = 1, następuje promieniowanie ultrafioletowe, czyli promieniowanie szeregu Lymana (SL).

Kiedy elektrony przemieszczają się do poziomu n = 2, pojawia się promieniowanie widzialne lub promieniowanie szeregu Balmera (SB).

Kiedy elektrony poruszają się od więcej wysoki poziom na poziom n =

3 Występuje promieniowanie podczerwone lub promieniowanie szeregu Paschena (SP) itp.

Częstotliwości lub długości fal powstałego promieniowania wyznaczają wzory (8) lub (9), gdzie m=1 dla szeregu Lymana, m=2 dla szeregu Balmera i m=3 dla szeregu Paschena. Energię fotonów wyznacza wzór (7), który biorąc pod uwagę (6) można dla atomów wodoru sprowadzić do postaci:

eV (10)

50 kontynuowane

4) Szereg widmowy wodoru- zbiór szeregów widmowych tworzących widmo atomu wodoru. Ponieważ wodór jest najprostszym atomem, najczęściej badane są jego szeregi widmowe. Dobrze przestrzegają wzoru Rydberga:

,

gdzie R = 109,677 cm-1 jest stałą Rydberga dla wodoru, n′ jest głównym poziomem szeregu. Linie widmowe powstające podczas przejść do głównego poziom energii,

nazywane są rezonansowymi, wszystkie inne nazywane są podrzędnymi.

Seria Lymana

Odkryty przez T. Lymana w 1906 roku. Wszystkie linie w tej serii działają w zakresie ultrafioletu. Szereg odpowiada formule Rydberga z n′ = 1 i n = 2, 3, 4,

Seria Balmera

Odkryty przez I. Ya Balmera w 1885 roku. Pierwsze cztery linie serii znajdują się w zakresie widzialnym. Szereg odpowiada formule Rydberga z n′ = 2 i n = 3, 4, 5

5) Termin widmowy lub termin elektronicznyatom, cząsteczka lub jon - konfiguracja

radio (stan) podukładu elektronicznego, który określa poziom energii. Czasem pod pojęciem terminu rozumie się rzeczywistą energię danego poziomu. Przejścia między terminami określają widma emisji i absorpcji promieniowania elektromagnetycznego.

Terminy atomu są zwykle oznaczane wielkimi literami S, P, D, F itp., Odpowiadającymi wartości liczby kwantowej orbitalny moment pędu L =0, 1, 2, 3 itd. Liczba kwantowa całkowitego momentu pędu J jest dana przez indeks w prawym dolnym rogu. Mała liczba w lewym górnym rogu wskazuje krotność ( wielość) terma. Na przykład ²P 3/2 jest dubletem P. Czasami (z reguły dla atomów i jonów jednoelektronowych) termin symbol oznacza się główna liczba kwantowa(na przykład 2²S 1/2).

CIŚNIENIE CBETA, ciśnienie wywierane przez światło na odbijające i pochłaniające ciała, cząstki oraz pojedyncze cząsteczki i atomy; jedno z rozważnych działań światła związanych z przekazywaniem impulsu pole elektromagnetyczne substancja. Hipotezę o istnieniu ciśnienia świetlnego po raz pierwszy wysunął I. Kepler w XVII wieku w celu wyjaśnienia odchylenia ogonów komet od Słońca. Teorię ciśnienia świetlnego w ramach elektrodynamiki klasycznej podał J. C. Maxwell w 1873 r. Wyjaśnia ona w niej ciśnienie świetlne poprzez rozpraszanie i pochłanianie fal elektromagnetycznych przez cząstki materii. W teorii kwantowej ciśnienie światła jest wynikiem przeniesienia pędu przez fotony na ciało.

Przy normalnym padaniu światła na powierzchnię ciała stałego ciśnienie światła p określa się ze wzoru:

р = S(1 + R)/с, gdzie

S to gęstość strumienia energii (natężenie światła), R to współczynnik odbicia światła od powierzchni, c to prędkość światła. W normalnych warunkach lekki nacisk jest ledwo zauważalny. Nawet przy mocnej wiązce lasera (1 W/cm 2 ) ciśnienie światła wynosi około 10 -4 g/cm 2 . Wiązkę lasera o szerokim przekroju można skupić, a następnie siła nacisku światła w ognisku wiązki może utrzymać w zawieszeniu miligramową cząstkę.

Ciśnienie światła na ciała stałe zostało po raz pierwszy zbadane eksperymentalnie przez P. N. Lebiediewa w 1899 roku. Główne trudności w doświadczalnym wykrywaniu ciśnienia świetlnego polegały na wyodrębnieniu go na tle sił radiometrycznych i konwekcyjnych, których wielkość zależy od ciśnienia gazu otaczającego ciało i w przypadku niewystarczającej próżni może przekroczyć ciśnienie światła o kilka rzędów wielkości. W doświadczeniach Lebiediewa, w próżniowym (ciśnienie rzędu 10 -4 mm Hg) szklanym naczyniu, wahacze wagi skrętnej z przymocowanymi do nich cienkimi skrzydełkami tarczowymi zawieszono na cienkiej srebrnej nitce, która została napromieniowana. Skrzydła zostały wykonane z różnych metali i miki o identycznych przeciwległych powierzchniach. Naświetlając sekwencyjnie przednią i tylną powierzchnię skrzydeł o różnej grubości, Lebedev był w stanie zneutralizować resztkowy efekt sił radiometrycznych i uzyskać zadowalającą (z błędem ± 20%) zgodność z teorią Maxwella. W latach 1907-10 Lebiediew badał ciśnienie światła na gazy.

Ciśnienie światła odgrywa dużą rolę w zjawiskach astronomicznych i atomowych. Ciśnienie światła w gwiazdach wraz z ciśnieniem gazu zapewnia ich stabilność, przeciwdziałając siłom grawitacji. Działanie ciśnienia światła wyjaśnia niektóre kształty ogonów komet. Kiedy foton jest emitowany przez atomy, następuje tzw. Odrzut świetlny, a atomy otrzymują pęd fotonu. W materii skondensowanej lekkie ciśnienie może powodować przepływ nośników ładunku (patrz Porywanie elektronów przez fotony). Próbują wykorzystać ciśnienie promieniowania słonecznego do stworzenia czegoś w rodzaju kosmicznego urządzenia napędowego – tzw. żagla słonecznego.

Specyficzne cechy ciśnienia świetlnego wykrywa się w rozrzedzonych układach atomowych podczas rezonansowego rozpraszania intensywnego światła, gdy częstotliwość promieniowania laserowego jest równa częstotliwości przejścia atomowego. Po zaabsorbowaniu fotonu atom otrzymuje impuls w kierunku wiązki lasera i przechodzi w stan wzbudzony. Ponadto, spontanicznie emitując foton, atom nabiera pędu (promienia świetlnego) w dowolnym kierunku. Przy późniejszej absorpcji i spontanicznej emisji fotonów atom stale otrzymuje impulsy skierowane wzdłuż wiązki światła, co wytwarza ciśnienie świetlne.

Siłę F rezonansowego ciśnienia światła na atom definiuje się jako pęd przenoszony przez strumień fotonów o gęstości N w jednostce czasu: F = Nћkσ, gdzie ћk = 2πћ/λ to pęd jednego fotonu, σ ≈ λ 2 to przekrój absorpcji fotonu rezonansowego, λ to długość fali światła, k - liczba falowa, ћ - stała Plancka. Przy stosunkowo niskich gęstościach promieniowania ciśnienie rezonansowe światła jest wprost proporcjonalne do natężenia światła. Przy dużych gęstościach strumienia fotonów N następuje nasycenie absorpcji i nasycenie ciśnienia rezonansowego światła (patrz Efekt nasycenia). W tym przypadku ciśnienie świetlne wytwarzane jest przez fotony emitowane spontanicznie przez atomy ze średnią częstotliwością γ (odwrotną do czasu życia wzbudzonego atomu) w przypadkowym kierunku. Siła nacisku światła przestaje zależeć od natężenia, lecz jest wyznaczana przez prędkość zdarzeń emisji spontanicznej: F≈ћkγ. Dla typowych wartości γ ≈ 10 8 s -1 i λ ≈0,6 μm siła nacisku światła wynosi F≈5·10 -3 eV/cm; po nasyceniu rezonansowe ciśnienie światła może wytworzyć przyspieszenie atomów do 10,5 g (g to przyspieszenie swobodny spadek). Tak duże siły pozwalają na selektywne sterowanie wiązkami atomowymi, zmieniając częstotliwość światła i odmiennie oddziałując na atomy z nieco innymi rezonansowymi częstotliwościami absorpcji. W szczególności możliwa jest kompresja rozkładu prędkości Maxwella poprzez usunięcie z wiązki atomów o dużej prędkości. Światło lasera kierowane jest w stronę wiązki atomowej, dobierając częstotliwość i kształt widma promieniowania tak, aby ciśnienie światła spowalniało szybkie atomy przy dużym przesunięciu częstotliwości rezonansowej (patrz efekt Dopplera). Rezonansowe ciśnienie światła można wykorzystać do rozdzielenia gazów: gdy napromieniuje się dwukomorowe naczynie wypełnione mieszaniną dwóch gazów, z których atomy jednego z nich rezonansują z promieniowaniem, atomy rezonansowe pod wpływem lekki nacisk, przesunie się do dalszej komory.

Rezonansowe ciśnienie światła na atomy umieszczone w intensywnym polu ma pewne cechy. stojąca fala. Z kwantowego punktu widzenia fala stojąca utworzona przez przeciwprąd fotonów powoduje wstrząsy atomu w wyniku absorpcji fotonów i ich wymuszonej emisji. Średnia siła działająca na atom nie jest równa zeru ze względu na niejednorodność pola na tej długości fali. Z klasycznego punktu widzenia siła ciśnienia świetlnego wynika z działania przestrzennie niejednorodnego pola na indukowany przez niego dipol atomowy. Siła ta jest minimalna w węzłach, w których nie jest indukowany moment dipolowy, oraz w antywęzłach, w których gradient pola zanika. Maksymalna siła nacisku światła jest równa rząd wielkości F≈ ±Ekd (znaki odnoszą się do ruchu dipoli w fazie i przeciwfazie z momentem d względem pola o natężeniu E). Siła ta może osiągać gigantyczne wartości: d≈ 1 debye, λ≈0,6 μm i E≈ 10 6 V/cm siła F≈5∙10 2 eV/cm. Pole fali stojącej rozwarstwia wiązkę atomów przechodzących przez wiązkę światła, ponieważ dipole oscylujące w przeciwfazie poruszają się po różnych trajektoriach, podobnie jak atomy w doświadczeniu Sterna-Gerlacha. Atomy poruszające się wzdłuż wiązki lasera poddawane są działaniu promieniowej siły nacisku światła, spowodowanej promieniową niejednorodnością gęstości pola świetlnego. Zarówno w fali stojącej, jak i fali biegnącej zachodzi nie tylko deterministyczny ruch atomów, ale także ich dyfuzja w przestrzeni fazowej, gdyż absorpcja i emisja fotonów są procesami losowymi kwantowymi. Kwazicząstki w ciała stałe: elektrony, ekscytony itp.

Dosł.: Kolekcja Lebiediewa P. N. op. M., 1963; Ashkin A. Ciśnienie promieniowania laserowego // Postępy w naukach fizycznych. 1973. T. 110. Wydanie. 1; Kazantsev A.P. Rezonansowe ciśnienie świetlne // Tamże. 1978. T. 124. Wydanie. 1; Letokhov V. S., Minogin V. G. Ciśnienie promieniowania laserowego na atomy. M., 1986.

S. G. Przhibelsky.