Luuletused lastele

Kerge surve. Näiteid lahendatud ülesannetest füüsikas teemal “valguse rõhk” Kuidas mõõdetakse valguse rõhku?

Allpool on toodud probleemide tingimused ja skannitud lahendused. Kui teil on vaja selleteemaline probleem lahendada, leiate siit sarnase tingimuse ja lahendage analoogia põhjal enda oma. Lehe laadimine võib piltide suure arvu tõttu veidi aega võtta. Kui vajad füüsika alast probleemilahendust või veebiabi, võta meiega ühendust, aitame meeleldi.

Füüsikalist nähtust – valguse survet pinnale – võib vaadelda kahest positsioonist – valguse korpuskulaar- ja laineteooriast. Valguse korpuskulaarse (kvant)teooria järgi on footon osake ja sellel on impulss, mis footoni pinnale sattudes kandub täielikult või osaliselt pinnale. Laineteooria järgi on valgus elektromagnetlaine, mis materjali läbides avaldab mõju laetud osakestele (Lorentzi jõud), mis seletab valguse rõhku antud teoorias.

Valgus lainepikkusega 620 nm langeb tavaliselt mustale pinnale ja avaldab rõhku 0,1 μPa. Mitu footonit langeb 10 sekundi jooksul pinnale, mille pindala on 5 cm 2?

Valgus langeb tavaliselt peegelpinnale ja avaldab sellele survet 40 μPa. Mis on pinna kiirgustihedus?

Valgus lainepikkusega 600 nm langeb tavaliselt peegelpinnale ja avaldab rõhku 4 μPa. Mitu footonit tabab pinda pindalaga 1 mm 2 10 sekundi jooksul?

Valgus lainepikkusega 590 nm langeb peegli pinnale 60 kraadise nurga all. Valgusvoo tihedus 1 kW/m2. Määrake pinnale avaldatav kerge rõhk.

Allikas asub pinnast 10 cm kaugusel. Kerge rõhk pinnale on 1 mPa. Leidke allika võimsus.

0,8 W valgusvoog langeb tavaliselt 6 cm2 suurusele peegelpinnale. Leidke kerge surve rõhk ja jõud.

Tavaliselt langeb peegelpinnale valgusvoog 0,9 W. Leidke sellele pinnale mõjuva kerge surve jõud.

Valgus langeb tavaliselt pinnale, mille peegeldusvõime on 0,8. Sellele pinnale avaldatav kerge rõhk on 5,4 μPa. Millist energiat toovad footonid, mis langevad pinnale, mille pindala on 1 m2, 1 sekundi jooksul?

Leidke hõõglambi pirni mustaks muutunud pinnale seestpoolt mõjuv valgusrõhk. Vaatleme kolbi 10 cm raadiusega keraks ja lambispiraali punktvalgusallikaks võimsusega 1 kW.

Valgusvoog 120 W/m2 langeb tavaliselt pinnale ja avaldab rõhku 0,5 μPa. Leidke pinna peegeldusvõime.

Valgus langeb tavaliselt ideaalselt peegeldavale pinnale pindalaga 5 cm2. 3 minuti jooksul on langeva valguse energia 9 J. Leidke valguse rõhk.

Valgus langeb peegelpinnale, mille pindala on 4,5 cm2. Pinna energiavalgustus 20 W/cm2. Millise impulsi edastavad footonid pinnale 5 sekundiga?

Valgus langeb tavaliselt mustale pinnale ja toob 10 minutiga energiat 20 J. Pindala on 3 cm2. Leia pinna kiirgustihedus ja valgusrõhk.

Valgus voovõimsusega 0,1 W/cm2 langeb peegelpinnale 30-kraadise langemisnurgaga. Määrake pinnale avaldatav kerge rõhk.

Üheks katseliseks kinnituseks impulsi olemasolu kohta footonites on valgusrõhu olemasolu (Lebedevi katsed).

Laine selgitus (Maxwelli järgi): indutseeritud voolude vastastikmõju laine magnetväljaga.

Kvanti vaatenurgast on valguse rõhk pinnale tingitud sellest, et selle pinnaga kokkupõrkel kannab iga footon sellele oma impulsi. Kuna footon saab liikuda valguse kiirusel ainult vaakumis, tuleks valguse peegeldumist keha pinnalt käsitleda footonite “taasemissiooni” protsessina – langev footon neeldub pinnale ja seejärel selle poolt vastupidise impulsi suunaga uuesti välja kiirgab.

Vaatleme valgusrõhku, mida keha pinnale avaldab pinnaga risti langev monokromaatilise kiirguse voog.

Laske langeda ajaühiku kohta keha pindalaühiku kohta P footonid. Kui valguse peegelduse koefitsient keha pinnalt on võrdne R, See Rn footonid peegelduvad ja (1 –R) p- imendunud. Iga peegeldunud footon kannab seinale impulsi, mis on võrdne 2р f =2hv/c (peegeldumisel muutub footoni impulss – r f). Iga neeldunud footon kannab oma hoo üle seinale r f =hv/c .Valgusrõhk pinnale on võrdne impulsiga, mille kõik pinnad 1 s jooksul edasi annavad P footonid:

, (11-12)

Kus I=nhv – kõigi ühikulisele pinnale langevate footonite energia ajaühikus, st valguse intensiivsus ja w=I/c – langeva kiirguse mahuline energiatihedus. Seda valemit testiti eksperimentaalselt ja see leidis kinnitust Lebedevi katsetes.

4. Footongaas. Bosonid. Bose-Einsteini jaotus.

Vaatleme valgust kui footonite kogumit, mis on suletud peegelseintega õõnsuse sees. Valguse rõhk peegeldavale pinnale peaks olema sama, mis oleks siis, kui footonid peegelduksid pinnalt peegeldavalt nagu absoluutselt elastsed kuulid.

Leiame ideaalis peegeldavatele seintele avaldatava surve| suletud õõnsus.

Lihtsuse huvides eeldame, et õõnsus on kuubikujuline. Kiirguse isotroopsuse tõttu võime eeldada, et kõik footoni liikumise suunad on võrdselt tõenäolised. Footonite vahel puudub interaktsioon (nende sagedus kokkupõrgete käigus ei muutu). Seetõttu liiguvad footonid nagu ideaalse üheaatomilise gaasi molekulid.

Ideaalse gaasi rõhu õõnsuse seintele leiame gaaside kineetilise teooria põhivõrrandist:

Aga footonite jaoks m=hvi/c2, υi=с ja seega mυ i 2 = hv i.Seega,

Kus W on kõigi õõnsuses olevate footonite koguenergia ja rõhk selle seintele

Siin w- mahuline kiirguse energiatihedus. Kui meie õõnsuses olevate footonite sagedused on vahemikus 0 kuni ∞, siis w saab määrata järgmise valemiga:

(11-14)

Siin ρ(ν) - mahuline kiirgusenergia tihedus sagedusvahemikus ν kuni ν+dν.

Funktsioon ρ(ν) leitakse, kasutades footonite spetsiaalset kvantjaotust energia (sageduse) järgi, - levitamine Bose-Einstein (B-E).

1. Erinevalt Maxwelli jaotusest, mis iseloomustab osakeste jaotust kiirus- (impulss)ruumis, kirjeldab kvantjaotus osakeste energiaid. osakeste momentide ja koordinaatide poolt moodustatud faasiruumis.

2. Faasiruumi elementaarruumala on võrdne (korrutame kõik koordinaatide sammud):

3. Maht oleku kohta on võrdne h 3 .

4. Olekute arv dg i kvantstatistikas elementaarfaasi mahus paiknev kiirgus saadakse ruumala (11-15) jagamisel h 3:

5. Levitamine B-E täisarvuliste spinniga osakeste süsteemid järgivad. Nad said nime bosonid. Nende osakeste hulka kuuluvad ka footonid. Nende spinn võtab täisarvulisi väärtusi. Footoni nurkimpulss omandab väärtuse mh/2π, Kus m = 1. 2,3… Footonite Bose-Einsteini jaotusfunktsioon on järgmisel kujul:

, (11-16)

Kus. ΔN – footonite arv ruumalas dV, n i - osakeste keskmine arv ühes energiaseisundis koos energiaga W i mida nimetatakse k - Boltzmanni konstant, T- absoluutne temperatuur. Koefitsient 2 ilmneb valguse kahe võimaliku polarisatsioonisuuna olemasolu tõttu (polarisatsioonitasandi pöörlemine vasakule ja paremale).

Osariikide koguarv mahus V(pärast ruumala integreerimist ja footoni impulsi vaheliste suhete kasutamist R ja tema energiat W,νр = hv/c, W= hv ):

kus ν on sagedus, Koos - valguse kiirus vaakumis.

Fotonite arv energiaga alates W enne W+dW mahus V:

Leiame mahulise kiirguse energiatiheduse sagedusvahemikus ν kuni ν +dν, korrutades (11-16) ühe footoni energiaga hν :

. (11-18)

Kiirgusrõhu leiame valemite (11-13), (11-14) ja (11-18) abil:

Kiirguse olekuvõrrand:

Ruumi V kiirgusenergia (Stefan-Boltzmanni seadus):

Energeetilise heleduse ja mahulise kiirguse energiatiheduse vaheline seos (tuleneb Plancki valemi võrdlusest valemiga (11-18):

RE (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).

- rõhk, mida valgus avaldab peegeldavatele ja neelavatele kehadele, osakestele, samuti üksikutele molekulidele ja aatomitele; üks neist valguse ponderomotiveeriv toime edastamisega seotud elektromagnetvälja impulss aine. Esmalt väljendati hüpotees kerge rõhu olemasolu kohta I. Kepler (J.Kepler) 17. sajandil. kõrvalekalde selgitamiseks komeedi sabad päikese käest. Antakse valgusrõhu teooria klassikalise elektrodünaamika raames J. Maxwell (J. Maxwell) aastal 1873. Selles on valguse rõhk tihedalt seotud hajumise ja neeldumisega. elektromagnetlaine aineosakesed. Sees kvantteooria kerge rõhk on impulsi ülekande tulemus footonid kehasse.

1873. aastal ennustas Maxwell valguse elektromagnetilise olemuse ideedele tuginedes, et valgus peaks avaldama survet takistustele. Seda rõhku põhjustavad jõud, mis mõjuvad valgustatud kehas olevatele laengutele laine elektromagnetvälja elektri- ja magnetkomponentidest.

Laske valgusel langeda juhtivale (metall)plaadile. Lainevälja elektriline komponent mõjub vabadele elektronidele jõuga

F el =q E,

kus q on elektronide laeng. E on laine elektrivälja tugevus.

Elektronid hakkavad kiirusega liikuma V(Joon.1) Alates suunast E laines muutub perioodiliselt vastupidiseks, siis elektronid muudavad perioodiliselt oma liikumise suunda vastupidiseks, s.t. sooritada sundvõnkumisi laine elektrivälja suunas.

Joonis 1 – Elektronide liikumine

Magnetiline komponent IN Valguslaine elektromagnetväli toimib Lorentzi jõuga

F l = q V B,

Mille suund vasaku käe reegli kohaselt langeb kokku valguse levimissuunaga. Kui juhised E Ja B muuta vastupidiseks, siis muutub ka elektroni kiiruse suund, kuid Lorentzi jõu suund jääb muutumatuks. Aine pinnakihis vabadele elektronidele mõjuvate Lorentzi jõudude resultant on jõud, millega valgus pinnale surub.

Joonis 2

1- peegli tiib; 2- mustaks muutunud tiib; 3-peegel; 4-skaala pöördenurga mõõtmiseks; 5 klaasniit

Kerge survet saab seletada ka alusel kvant ideid valguse kohta. Nagu eespool öeldud, on footonitel hoog. Kui footonid põrkuvad ainega, siis osa footonitest peegeldub ja osa neeldub. Mõlema protsessiga kaasneb impulsi ülekandumine footonitelt valgustatud pinnale. Newtoni teise seaduse järgi tähendab keha impulsi muutus seda, et kehale mõjub valguse survejõud. F anna. Selle jõu mooduli ja keha pindala suhe on võrdne pinnale avaldatava kerge rõhuga: P = F rõhk /S.

Kerge rõhu olemasolu kinnitas katseliselt Lebedev. Lebedevi loodud seade oli väga tundlik väändekaal. Kaalu liikuv osa oli hele raam, mille 0,01 mm paksused heledad ja tumedad tiivad riputati õhukesele kvartsniidile. Valgus avaldas erinevat survet heledatele (peegeldavatele) ja tumedatele (neelavatele) tiibadele. Selle tulemusena mõjus raamile pöördemoment, mis väänas vedrustuse keerme. Kerge rõhu määramiseks kasutati niidi keerdnurka.

Surve suurus sõltub valguse intensiivsusest. Intensiivsuse kasvades suureneb keha pinnaga interakteeruvate footonite arv ja sellest tulenevalt suureneb pinnale vastuvõetav impulss.
Võimsad laserkiired loovad atmosfäärirõhu ületava rõhu.

Tavalise valguse langemise korral tahke keha pinnale määratakse valguse rõhk valemiga lk = S(1 — R)/c, Kus S — energiavoo tihedus (valguse intensiivsus), R- peegelduskoefitsient valgust pinnalt.

Valguse rõhku tahketele ainetele uuriti eksperimentaalselt esimest korda P.N.Lebedev 1899. Peamised raskused valgusrõhu eksperimentaalsel tuvastamisel olid selle isoleerimine taustast radiomeetrilised ja konvektiivjõud , mille suurus sõltub keha ümbritseva gaasi rõhust ja ebapiisava korral vaakum võib valguse rõhku mitme suurusjärgu võrra ületada. IN Lebedevi katsed evakueeritud (mm Hg) klaasanumas riputati nookurid õhukesele hõbedasele niidile torsioonkaalud mille külge olid kinnitatud õhukesed ketastiivad, mida kiiritati. Tiivad valmistati erinevatest metallidest ja vilgukivi identsete vastaspindadega. Erineva paksusega tiibade esi- ja tagapindade järjestikuse kiiritamise teel õnnestus Lebedevil neutraliseerida radiomeetriliste jõudude jääkmõju ja saavutada rahuldav (veaga) nõustumine Maxwelli teooriaga. Aastatel 1907–1910 tegi Lebedev uurimiseks veelgi peenemaid katseid kerge surve gaasidele ja leidis ka teooriaga hea kooskõla.

Valgusrõhk mängib astronoomilistes ja aatominähtustes suurt rolli. Astrofüüsikas tagab valgusrõhk koos gaasirõhuga tähtede stabiilsuse, toimides vastu gravitatsioonijõud . Kerge rõhu toime selgitab mõningaid komeedisabade kujusid. Aatomiefektid hõlmavad nn. valgusväljund, mida kogeb ergastatud aatom footoni kiirgamisel.

Tihendatud keskkonnas kerge surve võib põhjustada kandja vool (vt Fotoelektriline efekt).

Valgusrõhu spetsiifilisi tunnuseid leidub haruldaste aatomisüsteemides, kui resonantshajumine intensiivne valgus, kui laserkiirguse sagedus on võrdne sagedusega aatomi üleminek . Neelates footoni, saab aatom impulsi laserkiire suunas ja läheb sisse põnevil olek . Järgmiseks, kiirgades spontaanselt footoni, omandab aatom hoo ( valgusefektiivsus) mis tahes suunas. Järgnevate omandamistega ja spontaansed heitmed footonid, suvaliselt suunatud valguse impulsid tühistavad üksteist ja lõpuks saab resonantsaatom impulsi, mis on suunatud piki valguskiirt valguse resonantsrõhk . Jõud F valguse resonantsrõhk aatomile on defineeritud kui impulss, mille edastab tihedusega footonivoo N ajaühiku kohta: , kus —ühe footoni impulss, - neeldumise ristlõige resonantsfooton, - valguse lainepikkus . Suhteliselt madala kiirgustiheduse korral on valguse resonantsrõhk otseselt võrdeline valguse intensiivsusega. Suure tiheduse korral N final() tõttu Ergastatud taseme eluea jooksul neeldumine küllastub ja valguse resonantsrõhu küllastumine (vt. Küllastusefekt ). Sel juhul tekitavad valgusrõhu footonid, mida aatomid iseeneslikult kiirgavad keskmise sagedusega (ergastatud aatomi elueale vastupidiselt) juhuslikus määratud suunas. aatomiheite diagramm . Valgusrõhu tugevus ei sõltu enam intensiivsusest, vaid selle määrab spontaansete emissiooniaktide kiirus: . Tüüpiliste väärtuste c -1 ja μm korral on kerge survejõud eV/cm; küllastudes võib valguse resonantsrõhk tekitada aatomite kiirenduse kuni 10 5
g (g — gravitatsiooni kiirendus ). Sellised suured jõud võimaldavad selektiivset juhtimist aatomikiired , muutes valguse sagedust ja mõjutades erinevalt aatomirühmi, mille resonantsneeldumise sagedused erinevad vähe. Eelkõige on võimalik kokku suruda Maxwelli jaotus kiirusega, eemaldades kiirelt kiireid aatomeid. Laservalgus on suunatud aatomikiire poole, valides samal ajal kiirgusspektri sageduse ja kuju nii, et kiireimad aatomid kogevad valgusrõhu tugevaimat pidurdusefekti tänu oma suuremale rõhule. Doppleri nihe resonantssagedus. Valguse resonantsrõhu teine võimalik rakendus on gaaside eraldamine: kui kiiritatakse kahekambrilist anumat, mis on täidetud kahe gaasi seguga, millest üks on kiirgusega resonantsis, mõjuvad resonantsaatomid. kerge surve, liigub kaugemasse kambrisse.

Valguse resonantsrõhul intensiivsesse välja paigutatud aatomitele on omapärased tunnused. seisulaine . Kvanti vaatenurgast põhjustab footonite vastuvooludest moodustunud seisulaine aatomile lööke footonite neeldumise ja nende stimuleeritud emissiooni tõttu. Aatomile mõjuv keskmine jõud ei ole võrdne nulliga välja ebahomogeensuse tõttu lainepikkusel. Klassikalisest vaatenurgast on valguse rõhu jõud tingitud ruumiliselt ebahomogeense välja toimest indutseeritud aatomi dipool . See jõud on minimaalne sõlmedes, kus dipoolmoment ei indutseerita ja antisõlmedes, kus väljagradient muutub nulliks. Valguse rõhu maksimaalne jõud on suurusjärgus võrdne (märgid viitavad dipoolide sama- ja vastasfaasilisele liikumisele hetkega d välja suhtes intensiivsusega E). See jõud võib ulatuda hiiglaslike väärtusteni: debye, µm ja V/cm puhul on jõud eV/cm.

Seisulaine väli kihistab valguskiirt läbiva aatomikiire, kuna antifaasis võnkuvad dipoolid liiguvad mööda erinevaid trajektoore nagu Stern-Gerlachi eksperimendi aatomid. Laserkiirtes mõjuvad piki kiirt liikuvad aatomid valgusvälja tiheduse radiaalsest ebahomogeensusest põhjustatud radiaalse valguse survejõule.

Nii seistes kui ka sees rändlaine ei toimu mitte ainult aatomite deterministlik liikumine, vaid ka nende difusioon faasiruumis tingitud asjaolust, et footonite neeldumis- ja emissiooniaktid on puhtalt kvantjuhuslikud protsessid. Massiga aatomi ruumiline difusioonikoefitsient M rändlaines on võrdne .

Samuti võib kogeda valguse resonantsrõhku, mis on sarnane vaadeldavaga kvaasiosakesed tahketes ainetes: elektronid, eksitonid jne.

Bibliograafia

Mustafaev R.A., Krivtsov V.G. Füüsika. M., 2006.

See videotund on pühendatud teemale „Kerge surve. Lebedevi katsed. Lebedevi katsed avaldasid teadusmaailmale tohutut muljet, kuna tänu neile mõõdeti esimest korda valguse rõhku ja tõestati Maxwelli teooria paikapidavust. Kuidas ta seda tegi? Vastuse sellele ja paljudele teistele huvitavatele valguse kvantteooriaga seotud küsimustele saate sellest põnevast füüsikatunnist.

Teema: Kerge surve

Õppetund: Kerge surve. Lebedevi katsed

Hüpoteesi valgusrõhu olemasolu kohta esitas esmakordselt Johannes Kepler 17. sajandil, et selgitada komeedi sabade fenomeni, kui need lendavad Päikese lähedal.

Maxwell, tuginedes valguse elektromagnetilisele teooriale, ennustas, et valgus peaks avaldama takistusele survet.

Laine elektrivälja mõjul elektronid kehades võnguvad – tekib elektrivool. See vool on suunatud piki elektrivälja tugevust. Korralikult liikuvatele elektronidele mõjub magnetväljast tulenev Lorentzi jõud, mis on suunatud laine levimise suunas – see on kerge survejõud(Joonis 1).

Riis. 1. Maxwelli eksperiment

Maxwelli teooria tõestamiseks oli vaja mõõta valguse rõhku. Valguse rõhku mõõtis esmakordselt vene füüsik Pjotr Nikolajevitš Lebedev 1900. aastal (joonis 2).

Riis. 2. Petr Nikolajevitš Lebedev

Riis. 3. Lebedevi seade

Lebedevi seade (joon. 3) koosneb õhukesel klaasniidil olevast valgusvardast, mille äärtele on kinnitatud kerged tiivad. Kogu seade asetati klaasnõusse, kust õhk välja pumbati. Valgus langeb varda ühel küljel asuvatele tiibadele. Surve väärtust saab hinnata keerme pöördenurga järgi. Valguse rõhu täpse mõõtmise raskus oli tingitud asjaolust, et kogu õhku anumast välja pumbata oli võimatu. Katse käigus algas õhumolekulide liikumine, mille põhjustas anuma tiibade ja seinte ebaühtlane kuumenemine. Tiibu ei saa täiesti vertikaalselt riputada. Kuumutatud õhuvoolud tõusevad ülespoole ja mõjuvad tiibadele, mis toob kaasa täiendavaid pöördemomente. Samuti mõjutab niidi keerdumist tiibade külgede ebaühtlane kuumenemine. Valgusallika poole jääv külg soojeneb rohkem kui vastaskülg. Kuumemalt küljelt peegelduvad molekulid annavad tiibadele rohkem hoogu.

Riis. 4. Lebedevi seade

Riis. 5. Lebedevi seade

Lebedev suutis kõigist raskustest üle saada, vaatamata tolleaegse eksperimentaaltehnoloogia madalale tasemele. Ta võttis väga suure anuma ja väga õhukesed tiivad. Tiib koosnes kahest paarist õhukestest plaatinast ringidest. Iga paari üks ring oli mõlemalt poolt läikiv. Teistel külgedel oli üks külg kaetud plaatina nielloga. Veelgi enam, mõlemad ringipaarid erinesid paksuselt.

Konvektsioonivoolude välistamiseks suunas Lebedev ühelt või teiselt poolt tiibadele valgusvihud. Seega olid tiibadele mõjuvad jõud tasakaalus (joon. 4-5).

Riis. 6. Lebedevi seade

Riis. 7. Lebedevi seade

Seega tõestati ja mõõdeti valguse rõhk tahketele ainetele (joon. 6-7). Selle rõhu väärtus langes kokku Maxwelli ennustatud rõhuga.

Kolm aastat hiljem õnnestus Lebedevil teha veel üks katse – mõõta valguse rõhku gaasidele (joon. 8).

Riis. 8. Paigaldus valguse rõhu mõõtmiseks gaasidele

Lord Kelvin: "Võib-olla teate, et kogu oma elu võitlesin Maxwelliga, mõistmata tema kerget survet, ja nüüd sundis teie Lebedev mind oma katsetele alistuma."

Valguse kvantteooria tekkimine võimaldas lihtsamalt selgitada valguse rõhu põhjust.

Footonitel on hoog. Kui keha imendub, edastavad nad oma impulsi sellele. Sellist koostoimet võib pidada täiesti mitteelastseks mõjuks.

Iga footoni pinnale avaldatav jõud on:

Kerge surve pinnale:

Footoni interaktsioon peegelpinnaga

Selle interaktsiooni korral saadakse absoluutselt elastne vastastikmõju. Kui footon langeb pinnale, peegeldub see sellelt sama kiiruse ja hooga, millega ta sellele pinnale langes. Impulsi muutus on kaks korda suurem kui footoni kukkumisel mustale pinnale, valguse rõhk kahekordistub.

Looduses pole aineid, mille pind footoneid täielikult neelaks või peegeldaks. Seetõttu tuleb tegelikele kehadele avalduva valgusrõhu arvutamiseks arvestada, et osa footoneid neeldub selles kehas ja osa peegeldub.

Lebedevi katseid võib pidada eksperimentaalseks tõendiks, et footonitel on hoog. Kuigi valgusrõhk on tavatingimustes väga madal, võib selle mõju olla märkimisväärne. Päikese rõhu põhjal töötati kosmoselaevade jaoks välja puri, mis võimaldab neil valguse rõhu all kosmoses liikuda (joon. 11).

Riis. 11. Kosmoselaeva puri

Valguse rõhk tekib Maxwelli teooria kohaselt Lorentzi jõu toimel elektronidele, mis sooritavad võnkuvaid liikumisi elektromagnetlaine elektrivälja mõjul.

Kvantteooria seisukohalt tekib valgusrõhk footonite koosmõjul pinnaga, millele nad langevad.

Maxwelli tehtud arvutused langesid kokku Lebedevi tulemustega. See tõestab selgelt valguse kvantlaine dualismi.

Crookesi katsed

Lebedev avastas esimesena katseliselt kerge rõhu ja suutis seda mõõta. Katse oli uskumatult keeruline, kuid on olemas teaduslik mänguasi – Crookesi eksperiment (joonis 12).

Riis. 12. Crookesi eksperiment

Väike sõukruvi, mis koosneb neljast kroonlehest, asub nõelal, mis on kaetud klaaskorgiga. Kui valgustate seda propellerit valgusega, hakkab see pöörlema. Kui vaadata seda propellerit vabas õhus, kui tuul peale puhub, siis selle pöörlemine ei üllataks kedagi, kuid sel juhul ei lase klaaskate õhuvooludel propellerile mõjuda. Seetõttu on selle liikumise põhjus valgus.

Inglise füüsik William Crookes lõi kogemata esimese kerge vurr.

1873. aastal otsustas Crookes määrata elemendi talliumi aatommassi ja kaaluda seda väga täpsel kaalul. Et juhuslikud õhuvoolud ei moonutaks kaalumispilti, otsustas Crookes riputada nookurid vaakumis. Ta tegi seda ja oli üllatunud, kuna tema kõige peenemad soomused olid kuumuse suhtes tundlikud. Kui soojusallikas oli objekti all, vähendas see selle kaalu, kui üleval, siis suurendas seda.

Olles seda juhuslikku kogemust täiustanud, tuli Crookes välja mänguasjaga - radiomeetri (valgusveski). Crookesi radiomeeter on nelja labaga tiivik, mis on väikese vaakumi all klaaskolbi sees nõelale tasakaalustatud. Kui tera tabab valguskiir, hakkab tiivik pöörlema, mida mõnikord seletatakse valesti kerge survega. Tegelikult on väände põhjuseks radiomeetriline efekt. Tõukejõu tekkimine, mis on tingitud tera valgustatud (soojendatud) ja vastaspoolele valgustamata (külmema) poole tabavate gaasimolekulide kineetilise energia erinevusest.

Valguse surve ja olude surve ().
Pjotr Nikolajevitš Lebedev ().
Crookesi radiomeeter ().

1. lehekülg
§ 36. KERGE RÕHK. FOTONID.

Põhivalemid

Valguse tekitatud rõhk normaalse esinemise korral on

p=(E e /c)*(1+ρ) või p=(1+ρ),

kus E e - pinna kiiritamine; Koos - elektromagnetkiirguse kiirus vaakumis;  - mahuline kiirguse energiatihedus; ρ - peegelduskoefitsient.

Footonite energia

ε = hυ = hc/λ või ε = ħ,

Kus h- Plancki konstant; ħ=h/(2π); υ - valguse sagedus;  - ringsagedus; λ - lainepikkus.

Footoni massi ja impulssi väljendatakse vastavalt valemitega

m = e/c2 = h/(cλ); p=mc=h/λ.
Näited probleemide lahendamisest

Näide 1.Ühevärviline valguskiir lainepikkusega λ = 663 nm langeb tavaliselt peegeltasasele pinnale Energiavoog Ф e = 0,6 W. Määratlege tugevus F sellel pinnal kogetav surve ja arv N sellele langevad footonid ajas t=5 s

Lahendus Valguse surve jõud pinnale on võrdne valguse rõhu korrutisega R pinna S kohta:

F= pS. (1)

Valemi abil saab leida kerge rõhu

P=E e (ρ+l)/c (2)

Asendades valemiga (1) kerge rõhu avaldise (2), saame

F= [(E e S)/c]*(ρ+1). (3)

Kuna kiirgustiheduse E e korrutis pindalaga S on võrdne pinnale langeva kiirgusenergia vooga Ф, saab seose (3) kirjutada kujul

F = (Fe/c)*(ρ+1).

Pärast F e ja väärtuste asendamist Koos võttes arvesse, et ρ=1 (peegelpind), saame

Number N Aja jooksul pinnale langevad footonid ∆t määratakse valemiga

N=∆W/ε = F e ∆t/ε,

kus ∆W on pinnale aja jooksul vastu võetud kiirgusenergia ∆ t

Väljendades footoni energiat selles valemis läbi lainepikkuse (ε =hc/λ), saame

N= F e λ∆t/(hc).

Asendades selles valemis suuruste arvväärtused, leiame

N= 10 19 footonit.

Näide 2. Paralleelne valguskiir lainepikkusega λ=500 nm langeb tavaliselt mustale pinnale, tekitades rõhu p=10 μPa. Määrake: 1) kontsentratsioon P footonid kiires, 2) footonite arv n 1, mis langevad pinnale pindalaga 1 m 2 1 sekundi jooksul.

Lahendus. 1. Keskendumine P kiirtes olevad footonid leitakse mahulise energiatiheduse  jagatisena ühe footoni energiaga ε:

n=/ε (1)

Valemist p=(1+ρ), mis määrab valguse rõhu, kus ρ on peegelduskoefitsient, leiame

 = p/(ρ+1). (2)

Asendades väljendi  võrrandist (2) valemini (1), saame

n = ρ/[(ρ+1)*ε]. (3)

Footonite energia sõltub sagedusest υ ja seega ka valguse lainepikkusest λ:

ε = hυ = hc/λ (4)

Asendades footoni energia avaldise valemiga (3), määrame soovitud footoni kontsentratsiooni:

n = (ρλ)/[(ρ+1)*ε]. (5)

Mustatud pinna peegelduskoefitsient ρ on võrdne nulliga.

Asendades arvväärtused valemiga (5), saame

n = 2,52 * 10 13 m -3.

2. 1 m 2 pindalaga pinnale 1 s jooksul langevate footonite arv n 1 leitakse seosest n 1 = N/(St), Kus N- ajas langevate footonite arv t pindalale S. Aga N= ncSt, seega,

n1 =(ncSt)/(St)=nc

Väärtuste asendamine siin P Ja koos, saame

n1 =7,56*10 21 m-2 *s-1.

Näide3 . Ühevärviline (λ = 0,582 µm) valguskiir langeb tavaliselt pinnale, mille peegelduskoefitsient ρ = 0,7. Määrake footonite arv, mis langevad selle pinna 1 cm 2 -le igas sekundis, kui valguse rõhk sellele pinnale on p = 1,2 μPa. Leidke footonite kontsentratsioon langeva valguskiire 1 cm 3 -s.

Lahendus. Valguse poolt pinnale tekitatud rõhk normaalse valguse korral saadakse järgmiselt:

kus E on pinnaühikule langev energia ajaühikus (energeetiline valgustus), c on valguse kiirus, ρ on pinna peegeldusvõime.

Teisest küljest saab kiirgustihedust väljendada langevate footonite N arvuna:

(2)

Kus
- langeva footoni energia. Seejärel saame (1) ja (2) põhjal:

(3)

Arvandmete asendamisel saame 1 m2 pinnale langevate footonite arvu 1 sekundi jooksul. Järelikult langeb footonite arv N" alale S = 1 cm 2:

(4)

Asendades arvandmed SI-süsteemis (S = 10 -4 m 2), saame
footonid.

Pinna lähedal olevate footonite kontsentratsioon langevas kiires määratakse järgmise valemiga:

kus n 0 on footonite arv 1 m 3 -s. Siis on footonite arv 1 cm 3-s võrdne

(5)

Arvandmete asendamine (5)-ga, võttes arvesse, et V = 10 -6 m 3, saame

4. Monokromaatiline valgus lainepikkusega λ = 0,65 µm, tekitades rõhu lk=510 -6 Pa. Määrake footonite kontsentratsioon pinna lähedal ja sellele alale langevate footonite arv S = 1 m 2 tolli t = 1 s.

või
, (1)