2.5. Давление света

При падении электромагнитных волн на какую-нибудь поверхность они оказывают давление. Давление света может быть объяснено как с электромагнитной точки зрения, так и в рамках квантовой теории.

Пусть на поверхность металла падает нормально плоская электромагнитная волна, тогда векторы электрического и магнитного поля такой волны параллельны поверхности. Под действием электрического поля Е электроны начинают двигаться параллельно поверхности. При этом на каждый электрон, движущийся со скоростью v, со стороны магнитного поля световой волны с индукцией В действует сила Лоренца направленная внутрь металла перпендикулярно его поверхности. Таким образом, световая волна должна производить давление на поверхность металла.

В рамках квантовой фотонной теории световое давление обусловлено тем, что каждый фотон не только несет энергию h, но и обладает импульсом р=h/c. Каждый поглощенный фотон передает поверхности свой импульс

(2.18)

а каждый отраженный  удвоенный импульс

(2.19)

Пусть на поверхность прозрачного тела падает по нормали поток фотонов N_ф (N_ф  число фотонов, падающих на единичную площадку в единицу времени). Если поверхность тела имеет коэффициент отражения , то в единицу времени N_ф фотонов отразится от нее, а (1-)N_ф фотонов поглотится поверхностью. Импульс, получаемый единицей площади поверхности тела за единицу времени, равен

(2.20)

Согласно второму закону Ньютона, р/t есть сила F (в данном случае это сила давления), а величина F/s  давление. Таким образом, световое давление равно

(2.21)

Величина, равная произведению энергии фотона h на число фотонов N_ф, падающих на единицу площади тела в единицу времени, есть плотность потока световой энергии (энергетическая светимость) R. Эту же величину можно получить, умножая среднюю плотность энергии <w> в волне на скорость света:

(2.22)

Поэтому

(2.23)

Эту формулу при =0 и =1 мы уже обсуждали ранее, когда рассматривали давление электромагнитных волн.

Пример. Определим давление Р солнечного света на зачерненную пластинку, расположенную перпендикулярно солнечным лучам и находящуюся вне земной атмосферы вблизи Земли.

Солнечная постоянная С=1.4 кВт/м². По определению этой величины С совпадает с энергетической светимостью R. Зачерненная пластинка поглощает излучение, то есть =0. Поэтому давление равно Давление света играет огромную роль в ориентации кометных хвостов относительно Солнца. Пылевидные частицы и молекулы газов, имеющиеся в кометах, испытывают световое давление со стороны солнечных лучей, в результате которого и образуются своеобразные формы кометных хвостов, ориентированных в противоположную сторону от Солнца. (В настоящее время предполагается, что явление образования хвостов комет частично определяется «протонным» ветром, исходящим от Солнца.)

Таким образом, и электромагнитная (волновая), и фотонная (квантовая) теории с одинаковым успехом решают вопрос о механизме и закономерностях светового давления.

Подведем итоги:

В явлениях распространения и отражения света (дифракция и интерференция) свет ведет себя как волна с такими типично волновыми характеристиками, как частота  и длина волны . В явлениях испускания и передачи энергии свет ведет себя как частица, характеризуемая энергией =hv и импульсом р=hv/c. Через постоянную Планка корпускулярные характеристики численно связаны с волновыми.

Поэтому приходится признать за фотоном двойственную природу. Пока в нашем курсе это необычное свойство  корпускулярно-волновой дуализм   установлено только для света.