Թեթև ճնշում. Ֆիզիկայի լուծված խնդիրների օրինակներ «Լույսի ճնշում» թեմայով Ինչպե՞ս է չափվում լույսի ճնշումը:

Ստորև ներկայացված են խնդիրների պայմանները և սկանավորված լուծումները։ Եթե ​​Ձեզ անհրաժեշտ է այս թեմայով խնդիր լուծել, կարող եք գտնել նմանատիպ պայման այստեղ և լուծել ձերը անալոգիայի միջոցով: Պատկերների մեծ քանակի պատճառով էջը կարող է բեռնվել որոշ ժամանակով: Եթե ​​Ձեզ անհրաժեշտ է խնդիրների լուծման կամ ֆիզիկայի առցանց օգնության կարիք, դիմեք մեզ, մենք ուրախ կլինենք օգնել:

Ֆիզիկական երևույթը` լույսի ճնշումը մակերեսի վրա, կարելի է դիտարկել երկու դիրքից` լույսի կորպուսուլյար և ալիքային տեսություններից: Լույսի կորպուսուլյար (քվանտային) տեսության համաձայն՝ ֆոտոնը մասնիկ է և ունի իմպուլս, որը, երբ ֆոտոնը դիպչում է մակերեսին, ամբողջությամբ կամ մասամբ տեղափոխվում է մակերես։ Ըստ ալիքի տեսության լույսը էլեկտրամագնիսական ալիք է, որը նյութի միջով անցնելիս ազդեցություն է թողնում լիցքավորված մասնիկների վրա (Լորենցի ուժ), որը բացատրում է լույսի ճնշումը այս տեսության մեջ։

620 նմ ալիքի երկարությամբ լույսը սովորաբար ընկնում է սևացած մակերևույթի վրա և ճնշում է 0,1 μPa: Քանի՞ ֆոտոն է ընկնում 5 սմ 2 մակերեսով մակերևույթի վրա 10 վրկ-ում:

Լույսը սովորաբար ընկնում է հայելու մակերեսի վրա և դրա վրա 40 μPa ճնշում է գործադրում։ Որքա՞ն է մակերեսի ճառագայթումը:

600 նմ ալիքի երկարությամբ լույսը սովորաբար ընկնում է հայելու մակերեսի վրա և ճնշում է 4 μPa: Քանի՞ ֆոտոն է դիպչում 1 մմ 2 մակերեսով մակերեսին 10 վրկ-ում:

590 նմ ալիքի երկարությամբ լույսն ընկնում է հայելու մակերեսի վրա 60 աստիճան անկյան տակ։ Լուսավոր հոսքի խտությունը 1 կՎտ/մ2: Որոշեք լույսի ճնշումը մակերեսի վրա:

Աղբյուրը գտնվում է մակերեսից 10 սմ հեռավորության վրա։ Մակերեւույթի վրա լույսի ճնշումը 1 մՊա է։ Գտեք աղբյուրի հզորությունը:

0,8 Վտ-ի լուսավոր հոսքը սովորաբար ընկնում է 6 սմ2 մակերեսով հայելու մակերեսի վրա: Գտեք լույսի ճնշման ճնշումը և ուժը:

0,9 Վտ-ի լուսավոր հոսքը սովորաբար ընկնում է հայելու մակերեսի վրա: Գտեք այս մակերեսի վրա լույսի ճնշման ուժը:

Լույսը սովորաբար ընկնում է 0,8 անդրադարձող մակերեսի վրա: Այս մակերեսի վրա գործադրվող թեթև ճնշումը 5,4 μPa է։ Ի՞նչ էներգիա կբերի 1 մ2 մակերեսով մակերևույթի վրա ընկած ֆոտոնները 1 վրկ-ում:

Գտեք լույսի ճնշումը, որը գործադրվում է շիկացած լամպի լամպի սևացած մակերեսի վրա ներսից: Համարե՛ք, որ կոլբը 10 սմ շառավղով գնդիկ է, իսկ լամպի պարույրը՝ 1 կՎտ հզորությամբ լույսի կետային աղբյուր։

120 Վտ/մ2-ի լուսավոր հոսքը սովորաբար ընկնում է մակերեսի վրա և գործադրում 0,5 μPa ճնշում։ Գտեք մակերեսի արտացոլումը:

Լույսը սովորաբար ընկնում է 5 սմ2 մակերեսով կատարյալ անդրադարձնող մակերևույթի վրա։3 րոպեի ընթացքում ընկնող լույսի էներգիան 9 Ջ է։ Գտե՛ք լույսի ճնշումը։

Լույսն ընկնում է 4,5 սմ2 մակերեսով հայելային մակերեսի վրա։ Մակերեւույթի էներգետիկ լուսավորություն 20 Վտ/սմ2։ Ի՞նչ իմպուլս կփոխանցեն ֆոտոնները մակերեսին 5 վրկ-ում:

Լույսը սովորաբար ընկնում է սևացած մակերեսի վրա և 10 րոպեում բերում է 20 Ջ էներգիա։Մակերևույթը 3 սմ2 է։ Գտեք մակերեսի ճառագայթումը և լույսի ճնշումը:

0,1 Վտ/սմ2 հոսքի հզորությամբ լույսն ընկնում է հայելու մակերեսի վրա 30 աստիճան անկման անկյան տակ: Որոշեք լույսի ճնշումը մակերեսի վրա:

Ֆոտոններում իմպուլսի առկայության փորձարարական հաստատումներից է լուսային ճնշման առկայությունը (Լեբեդեւի փորձերը)։

Ալիքի բացատրություն (ըստ Մաքսվելի). ինդուկտիվ հոսանքների փոխազդեցությունը ալիքի մագնիսական դաշտի հետ։

Քվանտային տեսանկյունից լույսի ճնշումը մակերեսի վրա պայմանավորված է նրանով, որ այս մակերեսի հետ բախվելիս յուրաքանչյուր ֆոտոն իր իմպուլսը փոխանցում է նրան։ Քանի որ ֆոտոնը կարող է շարժվել լույսի արագությամբ միայն վակուումում, մարմնի մակերևույթից լույսի արտացոլումը պետք է դիտարկել որպես ֆոտոնների «վերարտադրման» գործընթաց. նորից արտանետվել է նրա կողմից իմպուլսի հակառակ ուղղությամբ։

Դիտարկենք լույսի ճնշումը, որը գործադրվում է մարմնի մակերևույթի վրա մակերևույթին ուղղահայաց միագույն ճառագայթման հոսքի միջոցով:

Թող մարմնի մակերեսի մեկ միավորի մեկ միավորի համար ընկնի Պֆոտոններ. Եթե ​​մարմնի մակերեւույթից լույսի անդրադարձման գործակիցը հավասար է Ռ,Դա Rn ֆոտոնները արտացոլվում են և (1 –R) p- կլանված. Յուրաքանչյուր արտացոլված ֆոտոն պատին փոխանցում է իմպուլս, որը հավասար է 2р f =2hv/c (արտացոլվելիս ֆոտոնի իմպուլսը փոխվում է – r f): Յուրաքանչյուր կլանված ֆոտոն իր թափը փոխանցում է պատին r f =hv/c .Մակերևույթի վրա լույսի ճնշումը հավասար է այն իմպուլսին, որը բոլոր մակերեսները փոխանցում են 1 վրկ-ում Պֆոտոններ:

, (11-12)

Որտեղ I=nhv – բոլոր ֆոտոնների էներգիան, որոնք ընկնում են միավորի մակերեսի վրա մեկ միավոր ժամանակում, այսինքն՝ լույսի ինտենսիվությունը, և w=I/c - հարվածող ճառագայթման ծավալային էներգիայի խտությունը. Այս բանաձեւը փորձարկվել է փորձնականորեն եւ հաստատվել Լեբեդեւի փորձերում։

4. Ֆոտոն գազ. Բոզոններ. Բոզե-Էյնշտեյն բաշխում.

Դիտարկենք լույսը որպես ֆոտոնների հավաքածու, որոնք գտնվում են հայելային պատերով փակ խոռոչի ներսում։ Լույսի ճնշումը ակնառու անդրադարձող մակերեսի վրա պետք է լինի նույնը, ինչ կլիներ, եթե ֆոտոնները ակնառու կերպով արտացոլվեին մակերեսից բացարձակ առաձգական գնդիկների պես:

Գտնենք իդեալական արտացոլող պատերի վրա գործադրվող ճնշումը| փակ խոռոչ.

Պարզության համար ենթադրում ենք, որ խոռոչը խորանարդաձեւ է։ Ճառագայթման իզոտրոպիայի շնորհիվ մենք կարող ենք ենթադրել, որ ֆոտոնների շարժման բոլոր ուղղությունները հավասարապես հավանական են։ Ֆոտոնների միջև փոխազդեցություն չկա (բախումների ժամանակ դրանց հաճախականությունը չի փոխվում)։ Հետևաբար, ֆոտոնները շարժվում են իդեալական միատոմ գազի մոլեկուլների նման։

Իդեալական գազի ճնշումը խոռոչի պատերի վրա մենք գտնում ենք գազերի կինետիկ տեսության հիմնական հավասարումից.

Բայց ֆոտոնների համար m=hv i /c 2, υ i=с և հետևաբար mυ i 2 = hv i.Այսպիսով,

Որտեղ Վխոռոչի բոլոր ֆոտոնների ընդհանուր էներգիան է և ճնշումը նրա պատերի վրա

Այստեղ w-ծավալային ճառագայթման էներգիայի խտությունը. Եթե ​​մեր խոռոչի ներսում ֆոտոններն ունեն 0-ից մինչև ∞ հաճախականություններ, ապա wկարելի է որոշել բանաձևով.

(11-14)

Այստեղ ρ(ν) - ծավալային ճառագայթման էներգիայի խտությունը ν-ից մինչև ν+dν հաճախականության միջակայքում:

Գործառույթ ρ(ν) հայտնաբերվել է էներգիայի (հաճախականության) միջոցով ֆոտոնների հատուկ քվանտային բաշխման միջոցով, - բաշխում Բոզե-Էյնշտեյն (B-E).

1. Ի տարբերություն Մաքսվելի բաշխման, որը բնութագրում է մասնիկների բաշխումը արագության (մոմենտում) տարածության մեջ, քվանտային բաշխումը նկարագրում է մասնիկների էներգիան. մասնիկների մոմենտի և կոորդինատների կողմից ձևավորված փուլային տարածության մեջ:

2. Ֆազային տարածության տարրական ծավալը հավասար է (եկեք բազմապատկենք բոլոր կոորդինատային հավելումները).

3. Մեկ պետության ծավալը հավասար է ժ 3 .

4. Պետությունների թիվը dg iՔվանտային վիճակագրության մեջ տարրական փուլային ծավալում տեղակայված ճառագայթումը ստացվում է ծավալը (11-15) բաժանելով. ժ 3:

5. Բաշխում ԼԻՆԵԼ ամբողջ թվով սպին ունեցող մասնիկների համակարգերը ենթարկվում են. Նրանք ստացել են անունը բոզոններ. Այս մասնիկները ներառում են նաև ֆոտոններ։ Նրանց սպինը ընդունում է ամբողջ թվեր։ Ֆոտոնի անկյունային իմպուլսը ստանում է արժեք mh/2π, Որտեղ մ = 1. 2,3… Ֆոտոնների համար Bose-Einstein բաշխման ֆունկցիան ունի հետևյալ ձևը.

, (11-16)

Որտեղ. ΔN – ֆոտոնների քանակը dV ծավալով, n i - էներգիայով մեկ էներգետիկ վիճակում գտնվող մասնիկների միջին թիվը W iորը կոչվում է կ - Բոլցմանի հաստատուն, Տ- բացարձակ ջերմաստիճան. 2 գործակիցը հայտնվում է լույսի բևեռացման երկու հնարավոր ուղղությունների առկայության պատճառով (բևեռացման հարթության ձախ և աջ պտույտ):

Պետությունների ընդհանուր թիվը ծավալով Վ(ծավալի վրա ինտեգրվելուց և ֆոտոնների իմպուլսի միջև կապերն օգտագործելուց հետո Ռև նրա էներգիան W,նр =hv/c, W= hv ):

որտեղ ν-ը հաճախականությունն է, Հետ -լույսի արագությունը վակուումում.

ից էներգիա ունեցող ֆոտոնների թիվը Վնախքան W+dWծավալով V:

Մենք գտնում ենք ճառագայթման ծավալային էներգիայի խտությունը ν-ից ν +dν հաճախականության միջակայքում՝ բազմապատկելով (11-16) մեկ ֆոտոնի էներգիայով։ hն :

. (11-18)

Մենք գտնում ենք ճառագայթման ճնշումը՝ օգտագործելով (11-13), (11-14) և (11-18) բանաձևերը.

Ռադիացիայի վիճակի հավասարումը.

Ռադիացիոն էներգիա V ծավալից (Ստեֆան-Բոլցմանի օրենք).

Էներգետիկ լուսավորության և ծավալային ճառագայթման էներգիայի խտության միջև կապը (հետևում է Պլանկի բանաձևի համեմատությունից (11-18).

R E (ν,T)= (c/4)ρ(ν,T):

- լույսի ճնշումը արտացոլող և կլանող մարմինների, մասնիկների, ինչպես նաև առանձին մոլեկուլների և ատոմների վրա. մեկըլույսի պոնդերոմոտիվ գործողություն փոխանցման հետ կապվածէլեկտրամագնիսական դաշտի իմպուլս նյութ. Սկզբում արտահայտվել է թեթև ճնշման առկայության վարկածը I. Kepler (J.Kepler) 17-րդ դ. բացատրել շեղումըգիսաստղի պոչեր արևից. Տրված է լույսի ճնշման տեսությունը դասական էլեկտրադինամիկայի շրջանակներումՋ.Մաքսվել (Ջ. Մաքսվել) 1873 թվականին: Դրանում լույսի ճնշումը սերտորեն կապված է ցրման և կլանման հետ.էլեկտրամագնիսական ալիք նյութի մասնիկներ. Շրջանակներումքվանտային տեսություն թեթև ճնշումը իմպուլսների փոխանցման արդյունք էֆոտոններ մարմնին:

1873 թվականին Մաքսվելը, հիմնվելով լույսի էլեկտրամագնիսական բնույթի մասին պատկերացումների վրա, կանխատեսեց, որ լույսը պետք է ճնշում գործադրի խոչընդոտների վրա։ Այս ճնշումն առաջանում է ալիքի էլեկտրամագնիսական դաշտի էլեկտրական և մագնիսական բաղադրիչներից ազդող ուժերով՝ լուսավորված մարմնի լիցքերի վրա։

Թող լույսը ընկնի հաղորդիչ (մետաղական) ափսեի վրա: Ալիքային դաշտի էլեկտրական բաղադրիչը ազատ էլեկտրոնների վրա գործում է ուժով

Ֆ էլ =ք Ե,

որտեղ q-ն էլեկտրոնի լիցքն է: E-ն ալիքի էլեկտրական դաշտի ուժգնությունն է։

Էլեկտրոնները սկսում են շարժվել արագությամբ Վ(նկ.1) Քանի որ ուղղությունը Եալիքում պարբերաբար փոխվում է հակառակը, ապա էլեկտրոնները պարբերաբար փոխում են իրենց շարժման ուղղությունը դեպի հակառակը, այսինքն. կատարել հարկադիր տատանումներ ալիքի էլեկտրական դաշտի ուղղությամբ:

Նկար 1 – Էլեկտրոնի շարժում

Մագնիսական բաղադրիչ INլույսի ալիքի էլեկտրամագնիսական դաշտը գործում է Լորենցի ուժով

F l = q V B,

Որի ուղղությունը, համաձայն ձախակողմյան կանոնի, համընկնում է լույսի տարածման ուղղության հետ։ Երբ ուղղությունները ԵԵվ Բփոխել հակառակը, ապա փոխվում է նաև էլեկտրոնային արագության ուղղությունը, սակայն Լորենցի ուժի ուղղությունը մնում է անփոփոխ։ Նյութի մակերեսային շերտում գտնվող ազատ էլեկտրոնների վրա գործող Լորենցի ուժերի արդյունքն այն ուժն է, որով լույսը ճնշում է մակերեսին։

Նկար 2

1- հայելային թև; 2- սևացած թեւը; 3-հայելի; 4-սանդղակ պտտման անկյունը չափելու համար; 5 ապակե թել

Թեթև ճնշումը կարելի է բացատրել նաև հիմքի վրա քվանտ գաղափարներ լույսի մասին. Ինչպես նշվեց վերևում, ֆոտոններն ունեն իմպուլս: Երբ ֆոտոնները բախվում են նյութի հետ, ֆոտոնների մի մասը արտացոլվում է, իսկ մի մասը՝ կլանվում։ Երկու գործընթացներն էլ ուղեկցվում են իմպուլսի տեղափոխմամբ ֆոտոններից դեպի լուսավորված մակերես։ Նյուտոնի երկրորդ օրենքի համաձայն՝ մարմնի իմպուլսի փոփոխությունը նշանակում է, որ մարմնի վրա գործում է լույսի ճնշման ուժը։ F տալ. Այս ուժի մոդուլի հարաբերակցությունը մարմնի մակերեսին հավասար է մակերեսի վրա լույսի ճնշմանը. P = F ճնշում / Ս.

Թեթև ճնշման գոյությունը փորձնականորեն հաստատել է Լեբեդևը։ Լեբեդեւի ստեղծած սարքը շատ զգայուն ոլորման կշեռք էր։ Կշեռքի շարժվող մասը բաց շրջանակ էր՝ 0,01 մմ հաստությամբ բաց և մուգ թեւերով, որոնք կախված էին բարակ քվարցային թելի վրա։ Լույսը տարբեր ճնշում էր գործադրում լուսային (արտացոլող) և մութ (ներծծող) թեւերի վրա։ Արդյունքում շրջանակի վրա պտտեցրեց ոլորող մոմենտ, որը ոլորեց կախոցի թելը։ Լույսի ճնշումը որոշելու համար օգտագործվել է թելի ոլորման անկյունը։

Ճնշման չափը կախված է լույսի ինտենսիվությունից: Ինտենսիվության մեծացման հետ ավելանում է մարմնի մակերեսի հետ փոխազդող ֆոտոնների թիվը, և, հետևաբար, մեծանում է մակերեսի ստացած իմպուլսը։
Հզոր լազերային ճառագայթները ստեղծում են մթնոլորտային ճնշումը գերազանցող ճնշում:

Պինդ մարմնի մակերեսի վրա լույսի նորմալ ներթափանցման դեպքում լույսի ճնշումը որոշվում է բանաձևով էջ = Ս(1 — Ռ)/գ, Որտեղ Ս — էներգիայի հոսքի խտություն (լույսի ինտենսիվություն), Ռ- արտացոլման գործակիցը լույսը մակերեսից.

Առաջին անգամ փորձնականորեն ուսումնասիրվել է լույսի ճնշումը պինդ մարմինների վրաՊ.Ն.Լեբեդև 1899թ.-ին: Լույսի ճնշման փորձարարական հայտնաբերման հիմնական դժվարությունները եղել են այն ֆոնից մեկուսացնելը:ռադիոմետրիկ և կոնվեկտիվ ուժեր , որի մեծությունը կախված է մարմինը շրջապատող գազի ճնշումից և անբավարարության դեպքում.վակուում կարող է գերազանցել լույսի ճնշումը մի քանի կարգով: INԼեբեդևի փորձերը տարհանված (մմ ս.ս.) ապակե տարայի մեջ ճոճվող ձեռքերը կախվել են բարակ արծաթե թելի վրաոլորման կշեռքներ դրանց վրա ամրացված սկավառակային բարակ թեւերով, որոնք ճառագայթվել են։ Թևերը պատրաստված էին տարբեր մետաղներից ևմիկա նույնական հակադիր մակերեսներով: Հերթականորեն ճառագայթելով տարբեր հաստության թևերի առջևի և հետևի մակերեսները՝ Լեբեդևին հաջողվեց չեզոքացնել ճառագայթաչափական ուժերի մնացորդային ազդեցությունը և ստանալ բավարար (սխալով) համաձայնություն Մաքսվելի տեսության հետ։ 1907-1910թթ.-ին Լեբեդևը ուսումնասիրելու համար էլ ավելի նուրբ փորձեր կատարեցթեթև ճնշում գազերի վրա և նաև լավ համաձայնություն գտավ տեսության հետ:

Լույսի ճնշումը մեծ դեր է խաղում աստղագիտական ​​և ատոմային երևույթներում։ Աստղաֆիզիկայում լույսի ճնշումը գազի ճնշման հետ մեկտեղ հակազդելով ապահովում է աստղերի կայունությունըգրավիտացիոն ուժեր . Լույսի ճնշման գործողությունը բացատրում է գիսաստղի պոչերի որոշ ձևեր: Ատոմային ազդեցությունները ներառում են այսպես կոչված. լուսային ելքը, որը ստանում է գրգռված ատոմը ֆոտոն արձակելիս:

Խտացված լրատվամիջոցներում թեթև ճնշումը կարող է առաջացնելկրիչի հոսանք (տես Ֆոտոէլեկտրական էֆեկտ):

Լույսի ճնշման հատուկ առանձնահատկությունները հայտնաբերվում են հազվադեպ ատոմային համակարգերում, երբռեզոնանսային ցրում ինտենսիվ լույս, երբ լազերային ճառագայթման հաճախականությունը հավասար է հաճախականությանըատոմային անցում . Ֆոտոնը կլանելով՝ ատոմը լազերային ճառագայթի ուղղությամբ իմպուլս է ստանում և անցնումհուզված վիճակ . Այնուհետև, ինքնաբուխ արտանետելով ֆոտոն, ատոմը իմպուլս է ձեռք բերում ( լուսավոր արդյունավետություն) ցանկացած ուղղությամբ: Հետագա ձեռքբերումներով ևինքնաբուխ արտանետումներ ֆոտոնները, կամայականորեն ուղղորդված լույսի ելքային իմպուլսները չեղյալ են հայտարարում միմյանց, և, ի վերջո, ռեզոնանսային ատոմը ստանում է լույսի ճառագայթի երկայնքով ուղղված իմպուլս։ լույսի ռեզոնանսային ճնշում . Ուժ ՖԼույսի ռեզոնանսային ճնշումը ատոմի վրա սահմանվում է որպես խտությամբ ֆոտոնների հոսքով փոխանցվող իմպուլս Նժամանակի միավորի համար՝ , որտեղ —մեկ ֆոտոնի իմպուլս, - կլանման խաչմերուկ ռեզոնանսային ֆոտոն, -լույսի ալիքի երկարությունը . Համեմատաբար ցածր ճառագայթման խտության դեպքում լույսի ռեզոնանսային ճնշումը ուղիղ համեմատական ​​է լույսի ինտենսիվությանը։ Բարձր խտության դեպքում Նվերջնական ()Գրգռված մակարդակի կյանքի ընթացքում կլանումը հագեցնում է և լույսի ռեզոնանսային ճնշման հագեցվածությունը (տես.Հագեցման ազդեցություն ) Այս դեպքում լույսի ճնշումը ստեղծվում է ատոմների կողմից ինքնաբուխ արտանետվող ֆոտոնների կողմից միջին հաճախականությամբ (հակադարձ գրգռված ատոմի կյանքի տևողությանը)՝ որոշված ​​պատահական ուղղությամբ։ատոմային արտանետումների դիագրամ . Լույսի ճնշման ուժգնությունը դադարում է կախված լինել ինտենսիվությունից, բայց որոշվում է արտանետման ինքնաբուխ գործողությունների արագությամբ. c-1 և μm բնորոշ արժեքների համար լույսի ճնշման ուժը eV/cm է; երբ հագեցած է, լույսի ռեզոնանսային ճնշումը կարող է առաջացնել ատոմների արագացում մինչև 10 5
է (է — ձգողության արագացում ) Նման մեծ ուժերը թույլ են տալիս ընտրովի վերահսկելատոմային ճառագայթներ , փոփոխելով լույսի հաճախականությունը և տարբեր կերպ ազդելով ատոմների խմբերի վրա, որոնք քիչ են տարբերվում ռեզոնանսային կլանման հաճախականությամբ։ Մասնավորապես, հնարավոր է սեղմելՄաքսվելյան բաշխում արագությամբ՝ ճառագայթից հեռացնելով գերարագ ատոմները։ Լազերային լույսն ուղղված է դեպի ատոմային ճառագայթը, միաժամանակ ընտրելով ճառագայթման սպեկտրի հաճախականությունը և ձևը, որպեսզի ամենաարագ ատոմներն ունենան լույսի ճնշման ամենաուժեղ արգելակման ազդեցությունը նրանց ավելի մեծ լինելու պատճառով:Դոպլերային հերթափոխ ռեզոնանսային հաճախականություն. Լույսի ռեզոնանսային ճնշման մեկ այլ հնարավոր կիրառում գազերի տարանջատումն է. երբ երկու գազերի խառնուրդով լցված երկխցիկ անոթը, որոնցից մեկը ռեզոնանսային է ճառագայթման հետ, ճառագայթվում է, ռեզոնանսային ատոմները՝ ազդեցության տակ. թեթև ճնշում, կտեղափոխվի հեռավոր խցիկ:

Լույսի ռեզոնանսային ճնշումը ինտենսիվ դաշտում տեղադրված ատոմների վրա ունի յուրահատուկ առանձնահատկություններ։կանգնած ալիք . Քվանտային տեսանկյունից ֆոտոնների հակահոսքերից առաջացած կանգնած ալիքը ցնցումներ է առաջացնում ատոմում՝ ֆոտոնների կլանման և դրանց խթանված արտանետումների պատճառով: Ատոմի վրա ազդող միջին ուժը հավասար չէ զրոյի՝ ալիքի երկարության դաշտի անհամասեռության պատճառով։ Դասական տեսանկյունից լույսի ճնշման ուժը պայմանավորված է տարածականորեն անհամասեռ դաշտի ազդեցությամբ առաջացածատոմային դիպոլ . Այս ուժը նվազագույն է այն հանգույցներում, որտեղդիպոլային պահ չի առաջանում, և հակահանգույցներում, որտեղ դաշտի գրադիենտը դառնում է զրո: Լույսի ճնշման առավելագույն ուժը հավասար է մեծության կարգով (նշանները վերաբերում են դիպոլների ներփուլային և հակաֆազային շարժմանը մոմենտի հետ. դինտենսիվությամբ դաշտի հետ կապված Ե) Այս ուժը կարող է հասնել հսկայական արժեքների. debye, μm և V/cm, ուժը eV/cm է:

Կանգնած ալիքի դաշտը շերտավորում է ատոմների ճառագայթը, որն անցնում է լույսի ճառագայթով, քանի որ դիպոլները, որոնք տատանվում են հակափուլում, շարժվում են տարբեր հետագծերով, ինչպես Շտերն-Գերլաչի փորձի ատոմները: Լազերային ճառագայթներում ճառագայթի երկայնքով շարժվող ատոմները ենթարկվում են ճառագայթային լույսի ճնշման ուժի, որն առաջանում է լույսի դաշտի խտության շառավղային անհամասեռությունից:

Ինչպես կանգնած, այնպես էլ ներսումճանապարհորդող ալիք տեղի է ունենում ոչ միայն ատոմների դետերմինիստական ​​շարժումը, այլև դրանցդիֆուզիոն փուլային տարածության մեջ պայմանավորված է նրանով, որ ֆոտոնների կլանման և արտանետման գործողությունները զուտ քվանտային պատահական գործընթացներ են։ Զանգվածով ատոմի տարածական դիֆուզիայի գործակիցը Մշրջող ալիքում հավասար է .

Լույսի ռեզոնանսային ճնշումը, որը նման է դիտարկվածին, կարող է զգալ նաևքվազիմասնիկներ պինդ մարմիններում:էլեկտրոններ, էքսիտոններ և այլն:

Մատենագիտություն

Մուստաֆաև Ռ.Ա., Կրիվցով Վ.Գ. Ֆիզիկա. Մ., 2006:


Այս տեսադասը նվիրված է «Թեթև ճնշում. Լեբեդևի փորձերը. Լեբեդևի փորձերը հսկայական տպավորություն թողեցին գիտական ​​աշխարհի վրա, քանի որ դրանց շնորհիվ առաջին անգամ չափվեց լույսի ճնշումը և ապացուցվեց Մաքսվելի տեսության վավերականությունը։ Ինչպե՞ս նա դա արեց: Լույսի քվանտային տեսության հետ կապված այս և շատ այլ հետաքրքիր հարցերի պատասխանները կարող եք սովորել ֆիզիկայի այս հետաքրքրաշարժ դասից:

Թեմա՝ Թեթև ճնշում

Դաս. Թեթև ճնշում: Լեբեդևի փորձերը

Լույսի ճնշման գոյության վարկածն առաջին անգամ առաջ է քաշել Յոհաննես Կեպլերը 17-րդ դարում՝ բացատրելու գիսաստղերի պոչերի ֆենոմենը, երբ նրանք թռչում են Արեգակի մոտ։

Մաքսվելը, հիմնվելով լույսի էլեկտրամագնիսական տեսության վրա, կանխատեսեց, որ լույսը պետք է ճնշում գործադրի խոչընդոտի վրա։

Ալիքի էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ մարմիններում էլեկտրոնները տատանվում են՝ առաջանում է էլեկտրական հոսանք։ Այս հոսանքն ուղղված է էլեկտրական դաշտի ուժգնության երկայնքով: Կանոնավոր շարժվող էլեկտրոնների վրա գործում է Լորենցի ուժը մագնիսական դաշտից՝ ուղղված ալիքի տարածման ուղղությամբ. թեթև ճնշման ուժ(նկ. 1):

Բրինձ. 1. Մաքսվելի փորձը

Մաքսվելի տեսությունն ապացուցելու համար անհրաժեշտ էր չափել լույսի ճնշումը։ Լույսի ճնշումն առաջին անգամ չափել է ռուս ֆիզիկոս Պյոտր Նիկոլաևիչ Լեբեդևը 1900 թվականին (նկ. 2)։



Բրինձ. 2. Պետր Նիկոլաևիչ Լեբեդև



Բրինձ. 3. Լեբեդևի սարք

Լեբեդևի սարքը (նկ. 3) բաղկացած է բարակ ապակե թելի վրա տեղադրված լուսաձողից, որի եզրերի երկայնքով ամրացված են լուսաթևեր։ Ամբողջ սարքը տեղադրվել է ապակե տարայի մեջ, որտեղից օդը դուրս է մղվել։ Լույսն ընկնում է ձողի մի կողմում գտնվող թեւերի վրա։ Ճնշման արժեքը կարելի է դատել թելի ոլորման անկյան տակ։ Լույսի ճնշումը ճշգրիտ չափելու դժվարությունը պայմանավորված էր նրանով, որ անհնար էր անոթից դուրս մղել ամբողջ օդը։ Փորձի ժամանակ սկսվել է օդի մոլեկուլների շարժումը, որն առաջացել է նավի թեւերի ու պատերի անհավասար տաքացումից։ Թևերը չեն կարող կախված լինել ամբողջովին ուղղահայաց: Ջեռուցվող օդի հոսքերը բարձրանում են դեպի վեր և գործում են թևերի վրա, ինչը հանգեցնում է լրացուցիչ պտտման: Նաև թելի ոլորման վրա ազդում է թեւերի կողքերի ոչ միատեսակ տաքացումը։ Լույսի աղբյուրի դեմ ուղղված կողմը ավելի շատ տաքանում է, քան հակառակ կողմը: Ավելի տաք կողմից արտացոլված մոլեկուլները ավելի մեծ թափ են հաղորդում թևին:



Բրինձ. 4. Լեբեդևի սարք



Բրինձ. 5. Լեբեդևի սարք

Լեբեդեւին հաջողվեց հաղթահարել բոլոր դժվարությունները՝ չնայած այն ժամանակվա փորձարարական տեխնոլոգիայի ցածր մակարդակին։ Նա վերցրեց մի շատ մեծ անոթ և շատ բարակ թեւեր։ Թևը բաղկացած էր երկու զույգ բարակ պլատինե շրջանակներից։ Յուրաքանչյուր զույգի շրջանակներից մեկը երկու կողմից փայլուն էր։ Մյուս կողմերն ունեին մի կողմը ծածկված պլատինե նիելոյով։ Ընդ որում, երկու զույգ օղակներն էլ հաստությամբ տարբերվում էին։

Կոնվեկցիոն հոսանքները բացառելու համար Լեբեդևը թեւերի վրա լույսի ճառագայթներ ուղղեց այս կամ այն ​​կողմից: Այսպիսով, թեւերի վրա ազդող ուժերը հավասարակշռված էին (նկ. 4-5):



Բրինձ. 6. Լեբեդևի սարք



Բրինձ. 7. Լեբեդևի սարք

Այսպիսով, ապացուցվեց և չափվեց լույսի ճնշումը պինդ մարմինների վրա (նկ. 6-7): Այս ճնշման արժեքը համընկավ Մաքսվելի կանխատեսած ճնշման հետ։

Երեք տարի անց Լեբեդևին հաջողվեց կատարել մեկ այլ փորձ՝ չափել լույսի ճնշումը գազերի վրա (նկ. 8):



Բրինձ. 8. Գազերի վրա լույսի ճնշման չափման տեղադրում

Լորդ Քելվին. «Դուք կարող եք իմանալ, որ իմ ամբողջ կյանքում ես կռվել եմ Մաքսվելի հետ՝ չճանաչելով նրա թեթև ճնշումը, և հիմա ձեր Լեբեդևը ստիպեց ինձ հանձնվել իր փորձերին»:

Լույսի քվանտային տեսության առաջացումը հնարավորություն տվեց ավելի պարզ բացատրել լույսի ճնշման պատճառը։

Ֆոտոնները իմպուլս ունեն։ Երբ ներծծվում են մարմնի կողմից, նրանք իրենց իմպուլսը փոխանցում են նրան։ Նման փոխազդեցությունը կարելի է համարել որպես լիովին անառաձգական ազդեցություն։

Յուրաքանչյուր ֆոտոնի մակերևույթի վրա գործադրվող ուժը հետևյալն է.



Թեթև ճնշում մակերեսի վրա.



Ֆոտոնի փոխազդեցությունը հայելու մակերեսի հետ

Այս փոխազդեցության դեպքում ստացվում է բացարձակ առաձգական փոխազդեցություն։ Երբ ֆոտոնն ընկնում է մակերևույթի վրա, այն արտացոլվում է դրանից նույն արագությամբ և իմպուլսով, որով ընկել է այս մակերեսի վրա։ Իմպուլսի փոփոխությունը երկու անգամ ավելի մեծ կլինի, քան երբ ֆոտոնն ընկնում է սև մակերեսի վրա, լույսի ճնշումը կկրկնապատկվի։

Բնության մեջ չկան նյութեր, որոնց մակերեսը ամբողջությամբ կլանի կամ արտացոլի ֆոտոնները: Ուստի իրական մարմինների վրա լույսի ճնշումը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է հաշվի առնել, որ որոշ ֆոտոններ կլանվեն այս մարմնի կողմից, իսկ որոշները կարտացոլվեն։

Լեբեդևի փորձերը կարելի է համարել որպես փորձնական ապացույց, որ ֆոտոնները իմպուլս ունեն։ Թեև նորմալ պայմաններում լույսի ճնշումը շատ ցածր է, դրա ազդեցությունը կարող է նշանակալի լինել: Արեգակի ճնշման հիման վրա տիեզերանավերի համար մշակվել է առագաստ, որը թույլ կտա նրանց շարժվել տիեզերքում լույսի ճնշման տակ (նկ. 11)։



Բրինձ. 11. Տիեզերանավ առագաստ

Լույսի ճնշումը, ըստ Մաքսվելի տեսության, առաջանում է Լորենցի ուժի գործողության արդյունքում էլեկտրամագնիսական ալիքի էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ տատանողական շարժումներ կատարող էլեկտրոնների վրա։

Քվանտային տեսության տեսանկյունից լուսային ճնշումն առաջանում է ֆոտոնների փոխազդեցության արդյունքում այն ​​մակերեսի հետ, որի վրա նրանք ընկնում են։

Մաքսվելի կատարած հաշվարկները համընկել են Լեբեդևի տված արդյունքների հետ։ Սա հստակորեն ապացուցում է լույսի քվանտային-ալիքային դուալիզմը։

Crookes-ի փորձերը

Լեբեդևն առաջինն էր, ով փորձնականորեն հայտնաբերեց լույսի ճնշումը և կարողացավ չափել այն։ Փորձը աներևակայելի բարդ էր, բայց կա գիտական ​​խաղալիք՝ Քրուքսի փորձը (նկ. 12):



Բրինձ. 12. Քրուքսի փորձ

Չորս ծաղկաթերթիկներից բաղկացած փոքրիկ պտուտակը գտնվում է ասեղի վրա, որը ծածկված է ապակե գլխարկով։ Եթե ​​դուք լուսավորում եք այս պտուտակը լույսով, այն սկսում է պտտվել: Եթե ​​նայեք այս պտուտակին բաց երկնքի տակ, երբ քամին փչում է դրա վրա, նրա պտույտը ոչ ոքի չի զարմացնի, բայց այս դեպքում ապակե ծածկը թույլ չի տալիս օդային հոսանքներին գործել պտուտակի վրա։ Հետեւաբար, դրա շարժման պատճառը լույսն է:

Անգլիացի ֆիզիկոս Ուիլյամ Քրուքսը պատահաբար ստեղծել է առաջինը թեթև մանող.

1873 թվականին Քրուքսը որոշեց որոշել Թալիում տարրի ատոմային զանգվածը և կշռել այն շատ ճշգրիտ հավասարակշռության վրա։ Որպեսզի պատահական օդային հոսանքները չխեղաթյուրեն կշռման պատկերը, Քրուքսը որոշեց կախել ճոճվող ձեռքերը վակուումում: Նա դա արեց և ապշեց, քանի որ նրա ամենաբարակ կշեռքները զգայուն էին ջերմության նկատմամբ։ Եթե ​​ջերմության աղբյուրը գտնվում էր օբյեկտի տակ, ապա այն նվազեցնում էր նրա քաշը, եթե վերևում, ավելացնում էր այն:

Բարելավելով այս պատահական փորձը, Քրուքսը հանդես եկավ խաղալիքով՝ ռադիոմետր (լույսի ջրաղաց): Crookes ռադիոմետրը չորս շեղբերով շարժիչ է, որը հավասարակշռված է ասեղի վրա, որը գտնվում է ապակե լամպի մեջ, թեթև վակուումի տակ: Երբ լույսի ճառագայթը հարվածում է սայրին, շարժիչը սկսում է պտտվել, ինչը երբեմն սխալ բացատրվում է լույսի ճնշմամբ: Իրականում ոլորման պատճառը ռադիոմետրիկ ազդեցությունն է։ վանող ուժի առաջացումը գազի մոլեկուլների կինետիկ էներգիաների տարբերության պատճառով, որը հարվածում է սայրի լուսավորված (տաքացվող) կողմին և հակառակ չլուսավորված (ավելի սառը) կողմին:

1. Լույսի ճնշումը և հանգամանքների ճնշումը ().
2. Պյոտր Նիկոլաևիչ Լեբեդև ().
3. Crookes ռադիոմետր ().

Էջ 1
§ 36. ԼՈՒՅՍ ՃՆՇՈՒՄ. ՖՈՏՈՆՆԵՐ.

Հիմնական բանաձևեր

Ճնշումը, որն արտադրվում է լույսի կողմից, նորմալ պատահականության դեպքում

p=(E e /c)*(1+ρ), կամ p=(1+ρ),

որտեղ Ե էլ - մակերեսային ճառագայթում; Հետ -էլեկտրամագնիսական ճառագայթման արագությունը վակուումում;  - ծավալային ճառագայթման էներգիայի խտություն; ρ - արտացոլման գործակիցը.

Ֆոտոնի էներգիա

ε = hυ=hc/λ, կամ ε = ħ,

Որտեղ հ- Պլանկի հաստատուն; ħ=h/(2π); υ - լույսի հաճախականություն;  - շրջանաձև հաճախականություն; λ - ալիքի երկարություն:

Ֆոտոնի զանգվածը և իմպուլսը համապատասխանաբար արտահայտվում են բանաձևերով

m=ε/c 2 = h/(cλ); p=mc=h/λ .
Խնդիրների լուծման օրինակներ

Օրինակ 1.λ = 663 նմ ալիքի երկարությամբ միագույն լույսի ճառագայթը սովորաբար ընկնում է հայելու հարթ մակերևույթի վրա: Էներգիայի հոսք Ф e = 0,6 Վտ: Սահմանեք ուժը Ֆճնշումը, որը զգում է այս մակերեսը, ինչպես նաև թիվը Նդրա վրա ֆոտոններ են ընկնում t=5 վրկ ժամանակում

ԼուծումՄակերեւույթի վրա լույսի ճնշման ուժը հավասար է լույսի ճնշման արտադրյալին Ռմեկ մակերեսի S:

Ֆ= pS. (1)

Թեթև ճնշումը կարելի է գտնել բանաձևով

P=E e (ρ+l)/c (2)

Թեթև ճնշման (2) արտահայտությունը փոխարինելով (1) բանաձևով, մենք ստանում ենք

F= [(E e S)/c]*(ρ+1): (3)

Քանի որ E e ճառագայթման արտադրյալը S մակերևույթի մակերեսով հավասար է մակերևույթի վրա ընկած ճառագայթման էներգիայի F հոսքին, (3) կապը կարող է գրվել ձևով.

F = (F e / c) * (ρ + 1):

F e և-ի արժեքները փոխարինելուց հետո Հետհաշվի առնելով, որ ρ=1 (հայելային մակերես), ստանում ենք

Թիվ Ն∆t ժամանակի ընթացքում մակերեսի վրա ընկած ֆոտոնները որոշվում են բանաձևով

N=∆W/ε = F e ∆t/ε,

որտեղ ∆W-ն ժամանակի ընթացքում մակերեսի կողմից ստացված ճառագայթման էներգիան է ∆ տ

Ֆոտոնի էներգիան այս բանաձևում արտահայտելով ալիքի երկարությամբ (ε =hc/λ), ստանում ենք

Ն= F e λ∆t/(hc).

Այս բանաձևում քանակների թվային արժեքները փոխարինելով՝ մենք գտնում ենք

N= 10 19 ֆոտոն:

Օրինակ 2.λ=500 նմ ալիքի երկարությամբ լույսի զուգահեռ ճառագայթը սովորաբար ընկնում է սևացած մակերեսի վրա՝ առաջացնելով ճնշում p=10 μPa: Որոշել՝ 1) համակենտրոնացումը Պֆոտոններ փնջի մեջ, 2) ֆոտոնների թիվը n 1, որոնք ընկնում են 1 մ 2 մակերեսով մակերեսի վրա 1 վրկ-ում։

Լուծում. 1.Համակենտրոնացում ՊՖոտոնները ճառագայթում կարելի է գտնել որպես  ծավալային էներգիայի խտության գործակից՝ բաժանված մեկ ֆոտոնի ε էներգիայի վրա.

n=/ε (1)

p=(1+ρ) բանաձևից, որը որոշում է լույսի ճնշումը, որտեղ ρ արտացոլման գործակիցն է, մենք գտնում ենք.

 = p/(ρ+1). (2)

Արտահայտությունը փոխարինելով  (2) հավասարումից մինչև (1) բանաձևը ստանում ենք

n = ρ/[(ρ+1)*ε]: (3)

Ֆոտոնի էներգիան կախված է υ հաճախականությունից և հետևաբար լույսի ալիքի երկարությունից λ.

ε = hυ = hc/λ (4)

Ֆոտոնի էներգիայի արտահայտությունը փոխարինելով (3) բանաձևով, մենք որոշում ենք ֆոտոնի ցանկալի կոնցենտրացիան.

n = (ρλ)/[(ρ+1)*ε]: (5)

Սևացած մակերեսի ρ արտացոլման գործակիցը վերցված է հավասար զրոյի։

Թվային արժեքները փոխարինելով (5) բանաձևով, մենք ստանում ենք

n=2,52*10 13 մ -3.

2. 1 վրկ ժամանակում 1 մ 2 մակերեսով մակերևույթի վրա ընկած ֆոտոնների n 1 թիվը կգտնվի հարաբերությունից։ n 1 = Ն/(Սբ), Որտեղ N-ժամանակի ընթացքում ընկնող ֆոտոնների քանակը տտարածքի մակերեսին S. Բայց Ն= ncSt, հետևաբար,

n 1 =(ncSt)/(St)=nc

Փոխարինվող արժեքներ այստեղ ՊԵվ հետ,մենք ստանում ենք

n 1 =7,56*10 21 մ -2 * վ -1 .

Օրինակ3 . Մոնոխրոմատիկ (λ = 0,582 մկմ) լույսի ճառագայթը սովորաբար ընկնում է ρ = 0,7 անդրադարձման գործակից ունեցող մակերեսի վրա: Որոշեք այս մակերևույթի 1 սմ 2-ի վրա ամեն վայրկյան ընկնող ֆոտոնների քանակը, եթե այս մակերեսի վրա լույսի ճնշումը p = 1,2 μPa է: Գտե՛ք ֆոտոնների կոնցենտրացիան 1 սմ 3 ընկնող լույսի ճառագայթում:

Լուծում.Լույսի կողմից առաջացած ճնշումը մակերեսի վրա նորմալ անկման դեպքում տրվում է հետևյալով.

որտեղ E-ն միավորի մակերևույթի էներգիայի անկումն է միավոր ժամանակում (էներգետիկ լուսավորություն), c-ն լույսի արագությունն է, ρ՝ մակերեսի անդրադարձումը։

Մյուս կողմից, ճառագայթումը կարող է արտահայտվել միջադեպի ֆոտոնների քանակով N.

(2)

Որտեղ
- միջադեպի ֆոտոնի էներգիան. Այնուհետև, հիմնվելով (1) և (2) վրա, մենք ստանում ենք.

(3)

Փոխարինելով թվային տվյալները՝ մենք ստանում ենք 1 մ2 մակերեսի վրա 1 վրկ-ի ընթացքում ընկած ֆոտոնների թիվը։ Համապատասխանաբար, N» ֆոտոնների թիվը ընկնում է S = 1 սմ 2 տարածքի վրա:

(4)

Փոխարինելով թվային տվյալները SI համակարգում (S = 10 -4 մ 2), մենք ստանում ենք
ֆոտոններ.

Մակերեւույթի մոտ գտնվող ֆոտոնների կոնցենտրացիան ընկնող ճառագայթում որոշվում է բանաձևով.



որտեղ n 0-ը ֆոտոնների թիվն է 1 մ 3-ում: Այնուհետև 1 սմ 3-ում ֆոտոնների թիվը հավասար է

(5)

Թվային տվյալները փոխարինելով (5)-ով՝ հաշվի առնելով, որ Վ = 10 -6 մ 3, մենք ստանում ենք


4. Մոնոխրոմատիկ լույս ալիքի երկարությամբ λ = 0,65 մկմ, առաջացնելով ճնշում էջ=510 -6 Պա. Որոշեք մակերևույթի մոտ ֆոտոնների կոնցենտրացիան և տարածքի վրա ընկած ֆոտոնների քանակը Ս = 1 մ 2 դյույմ տ = 1 վ.


կամ
, (1)

Որտեղ Ե ե- մակերեսի էներգետիկ լուսավորություն;

Հետ- լույսի արագությունը վակուումում; ω – ծավալային էներգիայի խտություն:

Ծավալային էներգիայի խտությունը հավասար է ֆոտոնի կոնցենտրացիայի արտադրյալին (ֆոտոնների քանակը միավորի ծավալում) և մեկ ֆոտոնի էներգիայի.

, այսինքն.
, որտեղ
. (2)

Արտահայտությունից (1) որոշում ենք էներգիայի ծավալային խտությունը
.

Հետո
, Որտեղ ρ = 0 (սևացած մակերես):

Տարածքում ընկած ֆոտոնների քանակը Ս= 1 մ 2 վայրկյանում, թվայինորեն հավասար է էներգիայի լուսավորության հարաբերակցությանը մեկ ֆոտոնի էներգիային.

.

Արտահայտությունից (1) ճառագայթում


Լյումինեսցիայի ինտենսիվությունը կարելի է հաշվարկել բանաձևով.

I l = 2,3 I 0  D, որտեղից էլ լյումինեսցիայի քվանտային ելքը



Քննարկվող բանաձևը լյումինեսցենցիայի քվանտային ելքի սահմանումն է, եկեք փոխարինենք թվերը և կատարենք հաշվարկները.

= .

Պատասխան. նյութի լյումինեսցենցիայի քվանտային ելքը 0,6 է։

Էջ 1