बच्चों के लिए कविताएँ

हल्का दबाव. "प्रकाश का दबाव" विषय पर भौतिकी में हल की गई समस्याओं के उदाहरण प्रकाश का दबाव कैसे मापा जाता है?

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भौतिक घटना - सतह पर प्रकाश का दबाव - को दो स्थितियों से माना जा सकता है - प्रकाश के कणिका और तरंग सिद्धांत। प्रकाश के कणिका (क्वांटम) सिद्धांत के अनुसार, एक फोटॉन एक कण है और इसमें गति होती है, जो, जब फोटॉन किसी सतह से टकराता है, तो पूरी तरह या आंशिक रूप से सतह पर स्थानांतरित हो जाता है। तरंग सिद्धांत के अनुसार, प्रकाश एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है, जो किसी पदार्थ से गुजरने पर आवेशित कणों (लोरेंत्ज़ बल) पर प्रभाव डालती है, जो इस सिद्धांत में प्रकाश के दबाव की व्याख्या करता है।

620 एनएम तरंग दैर्ध्य का प्रकाश सामान्य रूप से एक काली सतह पर आपतित होता है और 0.1 μPa का दबाव डालता है। 10 सेकंड के समय में 5 सेमी 2 क्षेत्रफल वाली सतह पर कितने फोटॉन गिरते हैं?

प्रकाश सामान्यतः दर्पण की सतह पर गिरता है और उस पर 40 μPa का दबाव डालता है। सतह की विकिरणता क्या है?

600 एनएम तरंग दैर्ध्य का प्रकाश दर्पण की सतह पर सामान्य रूप से आपतित होता है और 4 μPa का दबाव डालता है। 10 सेकंड के समय में कितने फोटॉन 1 मिमी 2 क्षेत्रफल वाली सतह से टकराते हैं?

590 एनएम की तरंग दैर्ध्य वाला प्रकाश 60 डिग्री के कोण पर दर्पण की सतह पर आपतित होता है। चमकदार प्रवाह घनत्व 1 किलोवाट/एम2। सतह पर हल्का दबाव निर्धारित करें।

स्रोत सतह से 10 सेमी की दूरी पर स्थित है। सतह पर हल्का दबाव 1 एमपीए है। स्रोत की शक्ति ज्ञात कीजिए।

0.8 W का चमकदार प्रवाह सामान्य रूप से 6 सेमी2 क्षेत्रफल वाले दर्पण की सतह पर गिरता है। प्रकाश दबाव का दबाव और बल ज्ञात करें।

0.9 W का एक चमकदार प्रवाह सामान्य रूप से दर्पण की सतह पर गिरता है। इस सतह पर प्रकाश दबाव का बल ज्ञात कीजिए।

प्रकाश सामान्यतः 0.8 के परावर्तन वाली सतह पर गिरता है। इस सतह पर पड़ने वाला हल्का दबाव 5.4 μPa है। 1 m2 क्षेत्रफल वाली सतह पर 1 s के समय में आपतित फोटोन द्वारा कौन सी ऊर्जा लायी जायेगी?

गरमागरम लैंप बल्ब की काली सतह पर अंदर से पड़ने वाले प्रकाश दबाव का पता लगाएं। फ्लास्क को 10 सेमी की त्रिज्या वाला एक गोला मानें, और लैंप सर्पिल को 1 किलोवाट की शक्ति वाला एक बिंदु प्रकाश स्रोत मानें।

120 W/m2 का चमकदार प्रवाह सामान्य रूप से सतह पर गिरता है और 0.5 μPa का दबाव डालता है। सतह परावर्तन ज्ञात कीजिए।

प्रकाश सामान्यतः 5 सेमी2 क्षेत्रफल की पूर्ण परावर्तक सतह पर गिरता है, 3 मिनट के समय में आपतित प्रकाश की ऊर्जा 9 J होती है। प्रकाश का दबाव ज्ञात कीजिए।

प्रकाश 4.5 सेमी2 क्षेत्रफल वाले दर्पण की सतह पर गिरता है। सतह की ऊर्जा रोशनी 20 W/cm2। 5 सेकंड में फोटॉन सतह पर कौन सा आवेग संचारित करेंगे?

प्रकाश सामान्यतः काली सतह पर गिरता है और 10 मिनट में 20 J की ऊर्जा लाता है। सतह का क्षेत्रफल 3 सेमी2 है। सतह की विकिरण और हल्के दबाव का पता लगाएं।

0.1 W/cm2 की फ्लक्स शक्ति वाला प्रकाश दर्पण की सतह पर 30 डिग्री के आपतन कोण पर गिरता है। सतह पर हल्का दबाव निर्धारित करें।

फोटॉन में गति की उपस्थिति की प्रयोगात्मक पुष्टिओं में से एक प्रकाश दबाव (लेबेडेव के प्रयोग) का अस्तित्व है।

तरंग स्पष्टीकरण (मैक्सवेल के अनुसार): तरंग के चुंबकीय क्षेत्र के साथ प्रेरित धाराओं की परस्पर क्रिया।

क्वांटम दृष्टिकोण से, किसी सतह पर प्रकाश का दबाव इस तथ्य के कारण होता है कि इस सतह से टकराने पर, प्रत्येक फोटॉन अपनी गति को उस पर स्थानांतरित कर देता है। चूँकि एक फोटॉन केवल निर्वात में प्रकाश की गति से चल सकता है, किसी पिंड की सतह से प्रकाश के परावर्तन को फोटॉनों के "पुनः उत्सर्जन" की प्रक्रिया के रूप में माना जाना चाहिए - एक आपतित फोटॉन सतह द्वारा अवशोषित होता है और फिर इसके द्वारा संवेग की विपरीत दिशा में पुनः उत्सर्जित किया जाता है।

आइए हम किसी पिंड की सतह पर लंबवत आपतित मोनोक्रोमैटिक विकिरण के प्रवाह द्वारा लगाए गए हल्के दबाव पर विचार करें।

मान लीजिए कि प्रति इकाई समय में शरीर की प्रति इकाई सतह का क्षेत्रफल गिरता है पीफोटॉन. यदि शरीर की सतह से प्रकाश परावर्तन का गुणांक बराबर है आर,वह आर एन फोटॉन प्रतिबिंबित होते हैं और (1 –आर) पी- अवशोषित। प्रत्येक परावर्तित फोटॉन दीवार पर बराबर आवेग स्थानांतरित करता है 2r f =2hv/c (प्रतिबिंबित होने पर, फोटॉन गति - r f में बदल जाती है)। प्रत्येक अवशोषित फोटॉन अपनी गति को दीवार पर स्थानांतरित करता है आर एफ =एचवी/सी .सतह पर प्रकाश का दबाव उस आवेग के बराबर होता है जो सभी सतहें 1 सेकंड में संचारित करती हैं पीफोटॉन:

, (11-12)

कहाँ मैं=एनएचवी- प्रति इकाई समय में एक इकाई सतह पर आपतित सभी फोटॉन की ऊर्जा, यानी प्रकाश की तीव्रता, और w=I/c – आपतित विकिरण का आयतन ऊर्जा घनत्व। इस सूत्र का प्रायोगिक परीक्षण किया गया और लेबेडेव के प्रयोगों में इसकी पुष्टि की गई।

4. फोटॉन गैस. बोसॉन. बोस-आइंस्टीन वितरण।

आइए प्रकाश को फोटॉन के एक संग्रह के रूप में मानें जो दर्पण की दीवारों के साथ एक बंद गुहा के अंदर हैं। स्पेक्युलर रूप से परावर्तित सतह पर प्रकाश का दबाव उतना ही होना चाहिए जितना तब होता जब फोटॉन बिल्कुल लोचदार गेंदों की तरह सतह से स्पेक्युलर रूप से परावर्तित होते।

आइए आदर्श रूप से परावर्तक दीवारों पर पड़ने वाले दबाव का पता लगाएं| बंद गुहा.

सरलता के लिए, हम मानते हैं कि गुहा घन-आकार का है। विकिरण की आइसोट्रॉपी के कारण, हम मान सकते हैं कि फोटॉन गति की सभी दिशाएँ समान रूप से संभावित हैं। फोटॉनों के बीच कोई परस्पर क्रिया नहीं होती (टकराव के दौरान उनकी आवृत्ति नहीं बदलती)। इसलिए, फोटॉन एक आदर्श मोनोएटोमिक गैस के अणुओं की तरह चलते हैं।

हम गैसों के गतिज सिद्धांत के मूल समीकरण से गुहा की दीवारों पर एक आदर्श गैस का दबाव पाते हैं:

लेकिन फोटॉन के लिए m=hv i /c 2 , υ i=с और इसलिए mυ i 2 = hv i।इस प्रकार,

कहाँ डब्ल्यूगुहा में सभी फोटॉनों की कुल ऊर्जा और इसकी दीवारों पर दबाव है

यहाँ डब्ल्यूवॉल्यूमेट्रिक विकिरण ऊर्जा घनत्व। यदि हमारी गुहा के अंदर फोटॉन की आवृत्ति 0 से ∞ तक है, तो डब्ल्यूसूत्र द्वारा निर्धारित किया जा सकता है:

(11-14)

यहाँ ρ(ν) - आवृत्ति रेंज में वॉल्यूमेट्रिक विकिरण ऊर्जा घनत्व ν से ν+dν तक।

समारोह ρ(ν) ऊर्जा (आवृत्ति) द्वारा फोटॉन के एक विशेष क्वांटम वितरण का उपयोग करके पाया जाता है, - वितरण बोस-आइंस्टीन (बी-ई)।

1. मैक्सवेल वितरण के विपरीत, जो वेग (संवेग) स्थान में कणों के वितरण की विशेषता बताता है, क्वांटम वितरण कणों की ऊर्जा का वर्णन करता है कणों के संवेग और निर्देशांक द्वारा निर्मित चरण स्थान में।

2. चरण स्थान का प्रारंभिक आयतन बराबर है (आइए सभी समन्वय वृद्धियों को गुणा करें):

3. प्रति राज्य आयतन बराबर है ज 3 .

4. राज्यों की संख्या डीजी आईक्वांटम सांख्यिकी में प्रारंभिक चरण के आयतन में स्थित विकिरण को आयतन (11-15) से विभाजित करके प्राप्त किया जाता है ज 3:

5. वितरण होना पूर्णांक स्पिन वाले कणों की प्रणाली का पालन होता है। उन्हें नाम मिल गया बोसॉन. इन कणों में फोटॉन भी शामिल हैं। उनका स्पिन पूर्णांक मान लेता है। फोटॉन का कोणीय संवेग मान लेता है एमएच/2π, कहाँ एम = 1. 2,3… फोटॉन के लिए बोस-आइंस्टीन वितरण फ़ंक्शन का रूप है:

, (11-16)

कहाँ। ΔN - आयतन dV में फोटॉनों की संख्या, एन मैं - ऊर्जा के साथ एक ऊर्जा अवस्था में कणों की औसत संख्या डब्ल्यू मैंजिसे कहा जाता है क - बोल्ट्जमैन स्थिरांक, टी- निरपेक्ष तापमान। गुणांक 2 प्रकाश ध्रुवीकरण की दो संभावित दिशाओं (ध्रुवीकरण के तल के बाएँ और दाएँ घुमाव) की उपस्थिति के कारण प्रकट होता है।

आयतन में राज्यों की कुल संख्या वी(वॉल्यूम को एकीकृत करने और फोटॉन गति के बीच संबंधों का उपयोग करने के बाद आरऔर उसकी ऊर्जा डब्ल्यू,νр =एचवी/सी, डब्ल्यू=एचवी ):

जहां ν आवृत्ति है, साथ -निर्वात में प्रकाश की गति.

से ऊर्जा वाले फोटॉनों की संख्या डब्ल्यूपहले डब्ल्यू+डीडब्ल्यूमात्रा में वी:

हम एक फोटॉन की ऊर्जा से (11-16) गुणा करके ν से ν +dν तक आवृत्ति रेंज में वॉल्यूमेट्रिक विकिरण ऊर्जा घनत्व पाते हैं। hν :

. (11-18)

हम सूत्र (11-13), (11-14) और (11-18) का उपयोग करके विकिरण दबाव पाते हैं:

विकिरण के लिए राज्य का समीकरण:

आयतन V से विकिरण ऊर्जा (स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम):

ऊर्जावान चमक और वॉल्यूमेट्रिक विकिरण ऊर्जा घनत्व के बीच संबंध (सूत्र (11-18) के साथ प्लैंक के सूत्र की तुलना से पता चलता है):

आर ई (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).

- पिंडों, कणों, साथ ही व्यक्तिगत अणुओं और परमाणुओं को परावर्तित और अवशोषित करने पर प्रकाश द्वारा लगाया गया दबाव; में से एकप्रकाश की प्रेरक क्रिया ट्रांसमिशन से संबंधितविद्युत चुम्बकीय क्षेत्र पल्स पदार्थ। प्रकाश दबाव के अस्तित्व के बारे में परिकल्पना सबसे पहले व्यक्त की गई थीमैं. केपलर (जे.केप्लर) 17वीं शताब्दी में। विचलन को समझाने के लिएधूमकेतु की पूँछ सूर्य से। शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स के ढांचे के भीतर प्रकाश दबाव का सिद्धांत दिया गया हैजे. मैक्सवेल (जे. मैक्सवेल) 1873 में। इसमें प्रकाश का दबाव प्रकीर्णन और अवशोषण से निकटता से संबंधित हैविद्युत चुम्बकीय तरंग पदार्थ के कण. अंदरक्वांटम सिद्धांत हल्का दबाव आवेग संचरण का परिणाम हैशरीर में फोटॉन.

1873 में, मैक्सवेल ने प्रकाश की विद्युत चुम्बकीय प्रकृति के बारे में विचारों के आधार पर भविष्यवाणी की कि प्रकाश को बाधाओं पर दबाव डालना चाहिए। यह दबाव तरंग के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के विद्युत और चुंबकीय घटकों से प्रकाशित शरीर में आवेशों पर लगने वाले बलों के कारण होता है।

प्रकाश को एक प्रवाहकीय (धातु) प्लेट पर पड़ने दें। तरंग क्षेत्र का विद्युत घटक मुक्त इलेक्ट्रॉनों पर बल के साथ कार्य करता है

एफ एल =क्यू ई,

जहाँ q इलेक्ट्रॉन आवेश है। ई तरंग की विद्युत क्षेत्र शक्ति है।

इलेक्ट्रॉन तीव्र गति से चलने लगते हैं वी(चित्र.1) दिशा के बाद से इतरंग में समय-समय पर विपरीत दिशा में परिवर्तन होता है, फिर इलेक्ट्रॉन समय-समय पर अपनी गति की दिशा विपरीत दिशा में बदलते हैं, अर्थात। तरंग के विद्युत क्षेत्र की दिशा में बलपूर्वक दोलन करना।

चित्र 1 - इलेक्ट्रॉन गति

चुंबकीय घटक मेंप्रकाश तरंग का विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र लोरेंत्ज़ बल के साथ कार्य करता है

एफ एल = क्यू वी बी,

जिसकी दिशा, बाएं हाथ के नियम के अनुसार, प्रकाश के प्रसार की दिशा से मेल खाती है। जब निर्देश इऔर बीविपरीत में बदलें, तो इलेक्ट्रॉन वेग की दिशा भी बदल जाती है, लेकिन लोरेंत्ज़ बल की दिशा अपरिवर्तित रहती है। किसी पदार्थ की सतह परत में मुक्त इलेक्ट्रॉनों पर कार्य करने वाले लोरेंत्ज़ बलों का परिणाम वह बल है जिसके साथ प्रकाश सतह पर दबाव डालता है।

चित्र 2

1- दर्पण पंख; 2- काला पंख; 3-दर्पण; घूर्णन के कोण को मापने के लिए 4-पैमाने; 5 कांच का धागा

हल्के दबाव के आधार पर भी इसकी व्याख्या की जा सकती है मात्रा प्रकाश के बारे में विचार. जैसा कि ऊपर कहा गया है, फोटॉन में गति होती है। जब फोटॉन पदार्थ से टकराते हैं, तो कुछ फोटॉन परावर्तित हो जाते हैं और कुछ अवशोषित हो जाते हैं। दोनों प्रक्रियाएं फोटॉनों से प्रकाशित सतह तक गति के हस्तांतरण के साथ होती हैं। न्यूटन के दूसरे नियम के अनुसार, किसी पिंड की गति में परिवर्तन का मतलब है कि हल्के दबाव का बल पिंड पर कार्य करता है एफ दे. इस बल के मापांक का शरीर के सतह क्षेत्र से अनुपात सतह पर हल्के दबाव के बराबर है: पी = एफ दबाव /एस.

लेबेडेव द्वारा प्रकाश दबाव के अस्तित्व की प्रयोगात्मक पुष्टि की गई थी। लेबेडेव द्वारा बनाया गया उपकरण एक बहुत ही संवेदनशील मरोड़ पैमाना था। स्केल का गतिशील भाग एक हल्का फ्रेम था जिसमें हल्के और गहरे पंख 0.01 मिमी मोटे पतले क्वार्ट्ज धागे पर लटके हुए थे। प्रकाश ने प्रकाश (प्रतिबिंबित) और अंधेरे (अवशोषित) पंखों पर अलग-अलग दबाव डाला। परिणामस्वरूप, एक टॉर्क ने फ्रेम पर कार्य किया, जिसने निलंबन धागे को मोड़ दिया। प्रकाश दबाव निर्धारित करने के लिए धागे के मोड़ के कोण का उपयोग किया गया था।

दबाव की मात्रा प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर करती है। जैसे-जैसे तीव्रता बढ़ती है, शरीर की सतह के साथ संपर्क करने वाले फोटॉनों की संख्या बढ़ती है, और परिणामस्वरूप, सतह द्वारा प्राप्त गति बढ़ जाती है।
शक्तिशाली लेजर किरणें वायुमंडलीय दबाव से अधिक दबाव पैदा करती हैं।

किसी ठोस वस्तु की सतह पर प्रकाश की सामान्य घटना के साथ, प्रकाश दबाव सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है पी = एस(1 — आर)/सी, कहाँ एस — ऊर्जा प्रवाह घनत्व (प्रकाश तीव्रता), आर- परावर्तन गुणांक सतह से प्रकाश.

ठोस पदार्थों पर प्रकाश के दबाव का पहली बार प्रायोगिक तौर पर अध्ययन किया गयापी.एन. लेबेडेव 1899 में। प्रकाश दबाव का प्रायोगिक पता लगाने में मुख्य कठिनाइयाँ इसे पृष्ठभूमि से अलग करने में थींरेडियोमेट्रिक और संवहन बल , जिसका परिमाण शरीर के चारों ओर गैस के दबाव और अपर्याप्त होने की स्थिति में निर्भर करता हैवैक्यूम परिमाण के कई क्रमों से प्रकाश दबाव को पार कर सकता है। मेंलेबेडेव के प्रयोग एक खाली (एमएमएचजी) कांच के बर्तन में, घुमाव वाले हथियारों को एक पतले चांदी के धागे पर लटका दिया गया थामरोड़ तराजू उनके साथ पतले डिस्क-पंख जुड़े हुए थे, जो विकिरणित थे। पंख विभिन्न धातुओं से बनाये गये थेअभ्रक समान विपरीत सतहों के साथ। विभिन्न मोटाई के पंखों की आगे और पीछे की सतहों को क्रमिक रूप से विकिरणित करके, लेबेदेव रेडियोमेट्रिक बलों के अवशिष्ट प्रभाव को बेअसर करने और मैक्सवेल के सिद्धांत के साथ संतोषजनक (त्रुटि के साथ) समझौता प्राप्त करने में कामयाब रहे। 1907-10 में लेबेडेव ने अध्ययन हेतु और भी सूक्ष्म प्रयोग कियेगैसों पर हल्का दबाव और सिद्धांत के साथ अच्छी सहमति भी पाई।

खगोलीय और परमाणु घटनाओं में प्रकाश दबाव एक बड़ी भूमिका निभाता है। खगोल भौतिकी में, प्रकाश दबाव, गैस के दबाव के साथ, प्रतिकार करके तारों की स्थिरता सुनिश्चित करता हैगुरुत्वाकर्षण बल . प्रकाश दबाव की क्रिया हास्य पूँछों के कुछ आकारों की व्याख्या करती है। परमाणु प्रभावों में तथाकथित शामिल हैं। एक फोटॉन उत्सर्जित करते समय एक उत्तेजित परमाणु द्वारा अनुभव किया जाने वाला चमकदार आउटपुट।

संघनित मीडिया में हल्के दबाव का कारण बन सकता हैवाहक धारा (फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव देखें)।

प्रकाश दबाव की विशिष्ट विशेषताएं दुर्लभ परमाणु प्रणालियों में पाई जाती हैं जबगुंजायमान प्रकीर्णन तीव्र प्रकाश जब लेजर विकिरण की आवृत्ति आवृत्ति के बराबर होती हैपरमाणु संक्रमण . एक फोटॉन को अवशोषित करके, परमाणु लेजर बीम की दिशा में एक आवेग प्राप्त करता है और अंदर चला जाता हैउत्साहित राज्य . इसके बाद, स्वचालित रूप से एक फोटॉन उत्सर्जित करते हुए, परमाणु गति प्राप्त कर लेता है ( चमकदार दक्षता) किसी भी दिशा में। बाद के अधिग्रहणों के साथ औरस्वतःस्फूर्त उत्सर्जन फोटॉन, प्रकाश उत्पादन के मनमाने ढंग से निर्देशित पल्स एक दूसरे को रद्द करते हैं, और अंततः, गुंजयमान परमाणु प्रकाश किरण के साथ निर्देशित एक पल्स प्राप्त करता है प्रकाश का गुंजयमान दबाव . बल एफकिसी परमाणु पर प्रकाश के गुंजयमान दबाव को घनत्व वाले फोटॉन के प्रवाह द्वारा स्थानांतरित गति के रूप में परिभाषित किया जाता है एनसमय की प्रति इकाई: , कहाँ -एक फोटॉन की गति, - अवशोषण क्रॉस सेक्शन गुंजयमान फोटॉन, -प्रकाश की तरंग दैर्ध्य . अपेक्षाकृत कम विकिरण घनत्व पर, प्रकाश का गुंजयमान दबाव प्रकाश की तीव्रता के सीधे आनुपातिक होता है। उच्च घनत्व पर एनअंतिम() के कारणउत्तेजित स्तर के जीवनकाल के दौरान, अवशोषण संतृप्त होता है और प्रकाश के गुंजयमान दबाव की संतृप्ति (देखें)।संतृप्ति प्रभाव ). इस मामले में, निर्धारित यादृच्छिक दिशा में एक औसत आवृत्ति (उत्तेजित परमाणु के जीवनकाल के विपरीत) के साथ परमाणुओं द्वारा स्वचालित रूप से उत्सर्जित फोटॉन द्वारा प्रकाश दबाव बनाया जाता है।परमाणु उत्सर्जन आरेख . प्रकाश दबाव की ताकत तीव्रता पर निर्भर होना बंद कर देती है, लेकिन उत्सर्जन के सहज कृत्यों की गति से निर्धारित होती है:। सी -1 और μm के विशिष्ट मूल्यों के लिए, प्रकाश दबाव बल eV/cm है; संतृप्त होने पर, प्रकाश का गुंजयमान दबाव 10 5 तक परमाणुओं का त्वरण बना सकता है
जी (जी — गुरुत्वाकर्षण का त्वरण ). इतनी बड़ी ताकतें चयनात्मक नियंत्रण की अनुमति देती हैंपरमाणु किरणें , प्रकाश की आवृत्ति को अलग-अलग करना और परमाणुओं के समूहों को अलग-अलग प्रभावित करना जो गुंजयमान अवशोषण की आवृत्तियों में बहुत कम भिन्न होते हैं। विशेष रूप से, इसे संपीड़ित करना संभव हैमैक्सवेलियन वितरण गति से, किरण से उच्च गति वाले परमाणुओं को हटाना। लेजर प्रकाश को परमाणु किरण की ओर निर्देशित किया जाता है, जबकि विकिरण स्पेक्ट्रम की आवृत्ति और आकार का चयन किया जाता है ताकि सबसे तेज़ परमाणुओं को उनके अधिक होने के कारण प्रकाश दबाव के सबसे मजबूत ब्रेकिंग प्रभाव का अनुभव हो।डॉपलर शिफ्ट गुंजयमान आवृत्ति। प्रकाश के गुंजयमान दबाव का एक अन्य संभावित अनुप्रयोग गैसों का पृथक्करण है: जब दो गैसों के मिश्रण से भरे दो-कक्षीय बर्तन को विकिरणित किया जाता है, जिनमें से एक विकिरण के साथ प्रतिध्वनि में होता है, तो प्रकाश दबाव के प्रभाव में गुंजयमान परमाणु होंगे दूर कक्ष में चले जाओ.

किसी तीव्र क्षेत्र में रखे गए परमाणुओं पर प्रकाश के गुंजायमान दबाव की विशिष्ट विशेषताएं होती हैं।खड़ी लहर . क्वांटम दृष्टिकोण से, फोटॉन के विपरीत प्रवाह से बनी एक स्थायी तरंग फोटॉन के अवशोषण और उनके उत्तेजित उत्सर्जन के कारण परमाणु को झटके का कारण बनती है। तरंग दैर्ध्य पर क्षेत्र की विषमता के कारण परमाणु पर कार्य करने वाला औसत बल शून्य के बराबर नहीं है। शास्त्रीय दृष्टिकोण से, प्रकाश दबाव का बल प्रेरित पर स्थानिक रूप से अमानवीय क्षेत्र की कार्रवाई के कारण होता हैपरमाणु द्विध्रुव . जहां नोड्स पर यह बल न्यूनतम हैद्विध्रुव आघूर्ण प्रेरित नहीं है, और एंटीनोड्स पर, जहां फ़ील्ड ग्रेडिएंट शून्य हो जाता है। प्रकाश दबाव का अधिकतम बल परिमाण के क्रम में बराबर होता है (संकेत एक क्षण के साथ द्विध्रुवों की इन-फेज और एंटी-फेज गति को संदर्भित करते हैं) डीतीव्रता के साथ क्षेत्र के संबंध में इ). यह बल विशाल मूल्यों तक पहुँच सकता है: डेबाई, µm और V/cm के लिए, बल eV/cm है।

एक खड़ी तरंग का क्षेत्र प्रकाश की किरण से गुजरने वाले परमाणुओं की एक किरण को स्तरीकृत करता है, क्योंकि द्विध्रुव, एंटीफ़ेज़ में दोलन करते हुए, स्टर्न-गेरलाच प्रयोग में परमाणुओं की तरह विभिन्न प्रक्षेप पथों के साथ चलते हैं। लेजर बीम में, किरण के साथ चलने वाले परमाणु प्रकाश क्षेत्र घनत्व की रेडियल असमानता के कारण रेडियल प्रकाश दबाव बल के अधीन होते हैं।

खड़े और अंदर दोनों मेंयात्रा तरंग न केवल परमाणुओं की नियतिवादी गति होती है, बल्कि उनकी भीचरण स्थान में प्रसार इस तथ्य के कारण कि फोटॉन के अवशोषण और उत्सर्जन के कार्य पूरी तरह से क्वांटम यादृच्छिक प्रक्रियाएं हैं। द्रव्यमान वाले परमाणु के लिए स्थानिक प्रसार गुणांक एमएक यात्रा तरंग में बराबर है .

जैसा माना जाता है वैसा ही प्रकाश का गुंजयमान दबाव भी अनुभव किया जा सकता हैक्वासिपार्टिकल्स ठोस में:इलेक्ट्रॉन, एक्साइटॉन, आदि।

ग्रन्थसूची

मुस्तफ़ाएव आर.ए., क्रिवत्सोव वी.जी. भौतिक विज्ञान। एम., 2006.

यह वीडियो पाठ "हल्का दबाव" विषय पर समर्पित है। लेबेडेव के प्रयोग। लेबेदेव के प्रयोगों ने वैज्ञानिक जगत पर बहुत बड़ा प्रभाव डाला, क्योंकि उनकी बदौलत पहली बार प्रकाश का दबाव मापा गया और मैक्सवेल के सिद्धांत की वैधता सिद्ध हुई। उस पुरूष ने यह कैसे किया? आप इस आकर्षक भौतिकी पाठ से इसका और प्रकाश के क्वांटम सिद्धांत से संबंधित कई अन्य दिलचस्प सवालों का जवाब सीख सकते हैं।

विषय: हल्का दबाव

पाठ: हल्का दबाव. लेबेडेव के प्रयोग

प्रकाश दबाव के अस्तित्व के बारे में परिकल्पना सबसे पहले 17वीं शताब्दी में जोहान्स केप्लर द्वारा सूर्य के निकट उड़ने पर धूमकेतु की पूंछ की घटना को समझाने के लिए सामने रखी गई थी।

मैक्सवेल ने प्रकाश के विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत के आधार पर भविष्यवाणी की कि प्रकाश को किसी बाधा पर दबाव डालना चाहिए।

तरंग के विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में, पिंडों में इलेक्ट्रॉन दोलन करते हैं - एक विद्युत प्रवाह बनता है। यह धारा विद्युत क्षेत्र की ताकत के अनुरूप निर्देशित होती है। तरंग प्रसार की दिशा में निर्देशित चुंबकीय क्षेत्र से लोरेंत्ज़ बल द्वारा क्रमबद्ध गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों पर कार्य किया जाता है - यह है हल्का दबाव बल(चित्र .1)।

चावल। 1. मैक्सवेल का प्रयोग

मैक्सवेल के सिद्धांत को सिद्ध करने के लिए प्रकाश के दबाव को मापना आवश्यक था। प्रकाश का दबाव पहली बार 1900 में रूसी भौतिक विज्ञानी प्योत्र निकोलाइविच लेबेदेव द्वारा मापा गया था (चित्र 2)।

चावल। 2. पेट्र निकोलाइविच लेबेडेव

चावल। 3. लेबेडेव डिवाइस

लेबेडेव के उपकरण (चित्र 3) में पतले कांच के धागे पर एक हल्की छड़ होती है, जिसके किनारों पर हल्के पंख लगे होते हैं। पूरे उपकरण को एक कांच के बर्तन में रखा गया था, जिसमें से हवा को बाहर निकाला गया था। प्रकाश छड़ के एक ओर स्थित पंखों पर पड़ता है। दबाव का मान धागे के मोड़ के कोण से आंका जा सकता है। प्रकाश के दबाव को सटीक रूप से मापने में कठिनाई इस तथ्य के कारण थी कि जहाज से सारी हवा को बाहर निकालना असंभव था। प्रयोग के दौरान, जहाज के पंखों और दीवारों के असमान ताप के कारण हवा के अणुओं की गति शुरू हो गई। पंखों को पूरी तरह लंबवत नहीं लटकाया जा सकता। गर्म हवा का प्रवाह ऊपर की ओर बढ़ता है और पंखों पर कार्य करता है, जिससे अतिरिक्त टॉर्क उत्पन्न होता है। इसके अलावा, पंखों के किनारों के गैर-समान तापन से धागे का मुड़ना प्रभावित होता है। प्रकाश स्रोत के सामने वाला भाग विपरीत पक्ष की तुलना में अधिक गर्म होता है। गर्म पक्ष से परावर्तित अणु विंगलेट को अधिक गति प्रदान करते हैं।

चावल। 4. लेबेडेव डिवाइस

चावल। 5. लेबेडेव डिवाइस

उस समय प्रायोगिक प्रौद्योगिकी के निम्न स्तर के बावजूद, लेबेदेव सभी कठिनाइयों को दूर करने में कामयाब रहे। उसने एक बहुत बड़ा बर्तन और बहुत पतले पंख लिये। विंग में पतले प्लैटिनम सर्कल के दो जोड़े शामिल थे। प्रत्येक जोड़ी का एक-एक घेरा दोनों तरफ चमकीला था। अन्य पक्षों में एक पक्ष प्लैटिनम नाइलो से ढका हुआ था। इसके अलावा, वृत्तों के दोनों जोड़े मोटाई में भिन्न थे।

संवहन धाराओं को बाहर करने के लिए, लेबेडेव ने एक तरफ या दूसरे तरफ से पंखों पर प्रकाश की किरणों को निर्देशित किया। इस प्रकार, पंखों पर कार्यरत बल संतुलित थे (चित्र 4-5)।

चावल। 6. लेबेडेव डिवाइस

चावल। 7. लेबेडेव डिवाइस

इस प्रकार, ठोस पदार्थों पर प्रकाश का दबाव सिद्ध और मापा गया (चित्र 6-7)। इस दबाव का मान मैक्सवेल के पूर्वानुमानित दबाव से मेल खाता है।

तीन साल बाद, लेबेडेव एक और प्रयोग करने में कामयाब रहे - गैसों पर प्रकाश के दबाव को मापने के लिए (चित्र 8)।

चावल। 8. गैसों पर प्रकाश के दबाव को मापने के लिए स्थापना

लॉर्ड केल्विन: "आप जानते होंगे कि मैंने अपने पूरे जीवन मैक्सवेल के साथ संघर्ष किया, उसके हल्के दबाव को न पहचानते हुए, और अब आपके लेबेडेव ने मुझे उसके प्रयोगों के सामने आत्मसमर्पण करने के लिए मजबूर किया।"

प्रकाश के क्वांटम सिद्धांत के उद्भव ने प्रकाश दबाव के कारण को अधिक सरलता से समझाना संभव बना दिया।

फोटोन में गति होती है। शरीर द्वारा अवशोषित होने पर, वे अपना आवेग उसमें स्थानांतरित कर देते हैं। इस तरह की बातचीत को पूरी तरह से बेलोचदार प्रभाव माना जा सकता है।

प्रत्येक फोटॉन द्वारा सतह पर लगाया गया बल है:

सतह पर हल्का दबाव:

दर्पण की सतह के साथ एक फोटॉन की अन्योन्यक्रिया

इस अंतःक्रिया के मामले में, एक बिल्कुल लोचदार अंतःक्रिया प्राप्त होती है। जब कोई फोटॉन किसी सतह पर गिरता है तो वह उसी गति और संवेग से परावर्तित होता है जिस गति से वह इस सतह पर गिरा था। संवेग में परिवर्तन दोगुना होगा जब एक फोटॉन एक काली सतह पर गिरेगा, तो प्रकाश दबाव दोगुना हो जाएगा।

प्रकृति में ऐसे कोई भी पदार्थ नहीं हैं जिनकी सतह पूरी तरह से फोटॉन को अवशोषित या प्रतिबिंबित कर सके। इसलिए, वास्तविक पिंडों पर प्रकाश दबाव की गणना करने के लिए, यह ध्यान रखना आवश्यक है कि कुछ फोटॉन इस पिंड द्वारा अवशोषित किए जाएंगे, और कुछ परावर्तित होंगे।

लेबेडेव के प्रयोगों को इस बात का प्रायोगिक प्रमाण माना जा सकता है कि फोटॉन में गति होती है। हालाँकि सामान्य परिस्थितियों में हल्का दबाव बहुत कम होता है, लेकिन इसका प्रभाव महत्वपूर्ण हो सकता है। सूर्य के दबाव के आधार पर, अंतरिक्ष यान के लिए एक पाल विकसित किया गया था, जो प्रकाश के दबाव में अंतरिक्ष में आवाजाही की अनुमति देगा (चित्र 11)।

चावल। 11. अंतरिक्ष यान पाल

मैक्सवेल के सिद्धांत के अनुसार, प्रकाश का दबाव विद्युत चुम्बकीय तरंग के विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में दोलन गति करने वाले इलेक्ट्रॉनों पर लोरेंत्ज़ बल की कार्रवाई के परिणामस्वरूप उत्पन्न होता है।

क्वांटम सिद्धांत के दृष्टिकोण से, प्रकाश दबाव उस सतह के साथ फोटॉन की परस्पर क्रिया के परिणामस्वरूप उत्पन्न होता है जिस पर वे गिरते हैं।

मैक्सवेल द्वारा की गई गणना लेबेडेव द्वारा उत्पादित परिणामों से मेल खाती थी। यह प्रकाश के क्वांटम-तरंग द्वैतवाद को स्पष्ट रूप से सिद्ध करता है।

क्रुक्स के प्रयोग

लेबेडेव पहले व्यक्ति थे जिन्होंने प्रयोगात्मक रूप से प्रकाश दबाव की खोज की और इसे मापने में सक्षम थे। प्रयोग अविश्वसनीय रूप से कठिन था, लेकिन एक वैज्ञानिक खिलौना है - क्रुक्स प्रयोग (चित्र 12)।

चावल। 12. क्रुक्स प्रयोग

एक छोटा प्रोपेलर, जिसमें चार पंखुड़ियाँ होती हैं, एक सुई पर स्थित होता है, जो एक कांच की टोपी से ढका होता है। यदि आप इस प्रोपेलर को प्रकाश से रोशन करते हैं, तो यह घूमना शुरू कर देता है। यदि आप इस प्रोपेलर को खुली हवा में देखते हैं जब हवा इस पर चलती है, तो इसका घूमना किसी को आश्चर्यचकित नहीं करेगा, लेकिन इस मामले में ग्लास कवर हवा की धाराओं को प्रोपेलर पर कार्य करने से रोकता है। अत: इसकी गति का कारण प्रकाश है।

अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी विलियम क्रुक्स ने गलती से पहला बनाया प्रकाश स्पिनर.

1873 में, क्रुक्स ने थैलियम तत्व का परमाणु भार निर्धारित करने और इसे बहुत सटीक तराजू पर तौलने का निर्णय लिया। बेतरतीब वायु धाराओं को वजनी तस्वीर को विकृत करने से रोकने के लिए, क्रुक्स ने रॉकर आर्म्स को निर्वात में निलंबित करने का निर्णय लिया। उसने ऐसा किया और आश्चर्यचकित रह गया, क्योंकि उसकी सबसे पतली परतें गर्मी के प्रति संवेदनशील थीं। यदि ऊष्मा स्रोत वस्तु के नीचे था, तो इसका वजन कम हो गया, यदि ऊपर था, तो इसका वजन बढ़ गया।

इस आकस्मिक अनुभव को बेहतर बनाने के बाद, क्रुक्स एक खिलौना - एक रेडियोमीटर (लाइट मिल) लेकर आए। क्रुक्स रेडियोमीटर एक चार-ब्लेड वाला प्ररित करनेवाला है जो एक मामूली वैक्यूम के तहत कांच के बल्ब के अंदर एक सुई पर संतुलित होता है। जब एक प्रकाश किरण ब्लेड से टकराती है, तो प्ररित करनेवाला घूमना शुरू कर देता है, जिसे कभी-कभी प्रकाश दबाव द्वारा गलत तरीके से समझाया जाता है। दरअसल, मरोड़ का कारण रेडियोमेट्रिक प्रभाव है। ब्लेड के प्रकाशित (गर्म) पक्ष और विपरीत अप्रकाशित (ठंडे) पक्ष से टकराने वाले गैस अणुओं की गतिज ऊर्जा में अंतर के कारण प्रतिकारक बल का उद्भव होता है।

प्रकाश का दबाव और परिस्थितियों का दबाव ()।
प्योत्र निकोलाइविच लेबेडेव ()।
क्रुक्स रेडियोमीटर ()।

पृष्ठ 1
§ 36. हल्का दबाव. फोटॉन.

मूल सूत्र

सामान्य आपतन पर प्रकाश द्वारा उत्पन्न दबाव होता है

p=(E e /c)*(1+ρ), या p=(1+ρ),

कहां ई ई - सतह विकिरण; साथ -निर्वात में विद्युत चुम्बकीय विकिरण की गति;  - वॉल्यूमेट्रिक विकिरण ऊर्जा घनत्व; ρ - प्रतिबिंब गुणांक।

फोटॉन ऊर्जा

ε = hυ=hc/λ, या ε = ħ,

कहाँ एच- प्लैंक स्थिरांक; ħ=h/(2π); υ - प्रकाश की आवृत्ति;  - वृत्ताकार आवृत्ति; λ - तरंग दैर्ध्य।

फोटॉन का द्रव्यमान और संवेग क्रमशः सूत्रों द्वारा व्यक्त किया जाता है

एम=ε/सी 2 = एच/(सीλ); p=mc=h/λ .
समस्या समाधान के उदाहरण

उदाहरण 1।तरंग दैर्ध्य λ = 663 एनएम के साथ मोनोक्रोमैटिक प्रकाश की किरण सामान्य रूप से दर्पण की सपाट सतह पर घटना होती है ऊर्जा प्रवाह Ф ई = 0.6 डब्ल्यू। ताकत को परिभाषित करें एफइस सतह द्वारा अनुभव किया गया दबाव, साथ ही संख्या भी एनसमय t=5 s के दौरान इस पर फोटॉन आपतित होते हैं

समाधानकिसी सतह पर प्रकाश दबाव का बल प्रकाश दबाव के गुणनफल के बराबर होता है आरप्रति सतह क्षेत्र S:

एफ= पी.एस.. (1)

सूत्र का उपयोग करके हल्का दबाव पाया जा सकता है

P=E e (ρ+l)/c (2)

हल्के दबाव के लिए अभिव्यक्ति (2) को सूत्र (1) में प्रतिस्थापित करने पर, हमें प्राप्त होता है

एफ= [(ई ई एस)/सी]*(ρ+1). (3)

चूँकि सतह क्षेत्र S द्वारा विकिरण E e का गुणनफल सतह पर आपतित विकिरण ऊर्जा के फ्लक्स Ф के बराबर है, संबंध (3) को इस रूप में लिखा जा सकता है

एफ = (एफ ई /सी)*(ρ+1).

F e और के मानों को प्रतिस्थापित करने के बाद साथइस बात को ध्यान में रखते हुए कि ρ=1 (दर्पण सतह), हम प्राप्त करते हैं

संख्या एनसमय ∆t के दौरान सतह पर आपतित फोटॉन सूत्र द्वारा निर्धारित होते हैं

N=∆W/ε = F e ∆t/ε ,

जहां ∆W उस समय के दौरान सतह द्वारा प्राप्त विकिरण ऊर्जा है ∆ टी

इस सूत्र में फोटॉन ऊर्जा को तरंग दैर्ध्य (ε =hc/λ) के माध्यम से व्यक्त करने पर, हम प्राप्त करते हैं

एन= F e λ∆t/(hc).

इस सूत्र में मात्राओं के संख्यात्मक मानों को प्रतिस्थापित करने पर हम पाते हैं

एन= 10 19 फोटॉन.

उदाहरण 2.λ=500 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश की एक समानांतर किरण एक काली सतह पर सामान्य रूप से आपतित होती है, जिससे दबाव p=10 μPa उत्पन्न होता है। निर्धारित करें: 1) एकाग्रता पीएक किरण में फोटॉन, 2) 1 एस के समय में 1 मीटर 2 के क्षेत्रफल वाली सतह पर आपतित फोटॉनों की संख्या एन 1।

समाधान। 1.एकाग्रता पीएक बीम में फोटॉन को वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व के भागफल के रूप में पाया जा सकता है  को एक फोटॉन की ऊर्जा ε से विभाजित किया जा सकता है:

n=/ε (1)

सूत्र p=(1+ρ) से, जो प्रकाश दबाव निर्धारित करता है, जहां ρ प्रतिबिंब गुणांक है, हम पाते हैं

 = पी/(ρ+1). (2)

के लिए अभिव्यक्ति को प्रतिस्थापित करना  समीकरण (2) से सूत्र (1) तक, हम पाते हैं

n = ρ/[(ρ+1)*ε]. (3)

फोटॉन ऊर्जा आवृत्ति υ पर निर्भर करती है, और इसलिए प्रकाश तरंग दैर्ध्य λ पर:

ε = hυ = hc/λ (4)

फोटॉन ऊर्जा के लिए अभिव्यक्ति को सूत्र (3) में प्रतिस्थापित करते हुए, हम वांछित फोटॉन एकाग्रता निर्धारित करते हैं:

n = (ρλ)/[(ρ+1)*ε]। (5)

काली सतह के लिए परावर्तन गुणांक ρ शून्य के बराबर लिया जाता है।

संख्यात्मक मानों को सूत्र (5) में प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं

n=2.52*10 13 मीटर -3।

2. 1 s के समय में 1 m 2 क्षेत्रफल वाली सतह पर आपतित फोटॉनों की संख्या n 1 संबंध से ज्ञात होगी एन 1 = एन/(अनुसूचित जनजाति), कहाँ एन-समय में गिरने वाले फोटॉनों की संख्या टीक्षेत्र की एक सतह पर एस. लेकिन एन= एन.सी.एस.टी., इस तरह,

एन 1 =(एनसीएसटी)/(एसटी)=एनसी

यहां मूल्यों को प्रतिस्थापित करना पीऔर साथ,हम पाते हैं

एन 1 =7.56*10 21 मीटर -2 *एस -1।

उदाहरण3 . एकरंगा (λ = 0.582 µm) प्रकाश की एक किरण प्रतिबिंब गुणांक ρ = 0.7 के साथ सतह पर सामान्य रूप से गिरती है। यदि इस सतह पर प्रकाश का दबाव p = 1.2 μPa है, तो इस सतह के 1 सेमी 2 पर हर सेकंड गिरने वाले फोटॉनों की संख्या निर्धारित करें। आपतित प्रकाश किरण के 1 सेमी 3 में फोटॉन की सांद्रता ज्ञात कीजिए।

समाधान।सामान्य आपतन पर किसी सतह पर प्रकाश द्वारा उत्पन्न दबाव निम्न द्वारा दिया जाता है:

जहां E प्रति इकाई समय में एक इकाई सतह पर आपतित ऊर्जा (ऊर्जावान रोशनी) है, c प्रकाश की गति है, ρ सतह परावर्तन है।

दूसरी ओर, विकिरण को घटना फोटॉन एन की संख्या के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है:

(2)

कहाँ
- आपतित फोटॉन की ऊर्जा। फिर, (1) और (2) के आधार पर, हम प्राप्त करते हैं:

(3)

संख्यात्मक डेटा को प्रतिस्थापित करते हुए, हम 1 सेकंड के भीतर सतह के 1 एम2 पर आपतित फोटॉनों की संख्या प्राप्त करते हैं। तदनुसार, फोटॉन N" की संख्या एक क्षेत्र S = 1 सेमी 2 पर पड़ती है:

(4)

SI प्रणाली में संख्यात्मक डेटा को प्रतिस्थापित करने पर (S = 10 -4 m 2), हम प्राप्त करते हैं
फोटॉन.

आपतित किरण में सतह के पास फोटॉन की सांद्रता सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है:

जहाँ n 0 1 मी 3 में फोटॉनों की संख्या है। तब 1 सेमी 3 में फोटॉनों की संख्या बराबर होती है

(5)

V को ध्यान में रखते हुए संख्यात्मक डेटा को (5) में प्रतिस्थापित करना = 10 -6 मीटर 3, हमें मिलता है

4. की तरंग दैर्ध्य के साथ मोनोक्रोमैटिक प्रकाश λ = 0.65 µm, उत्पादक दबाव पी=510 -6 पा. सतह के पास फोटॉनों की सांद्रता और क्षेत्र पर आपतित फोटॉनों की संख्या निर्धारित करें एस = 1 मीटर 2 इंच टी = 1 एस.

या
, (1)