6. Тиск світла

Експериментально тиск світла вперше виміряв російський вчений П.Н.Лебедєв у 1900–1910 р. по куту α закручування крутильних терезів (рис. 5.12). В рамках корпускулярної теорії світла виникнення тиску пояснюється як і тиск газу в молекулярно-кінетиній теорії. Фотон з імпульсом (5.19)

при зіткненні з поверхнею твердого тіла змінює свій імпульс на величину Р_ф при поглинанні і на 2∙Р_ф при пружному відбиванні. За другим законом Ньютона на стінку діє сила, яка дорівнює швидкості зміни імпульсу.

Знайдемо тиск Р світла. Нехай на непрозору поверхню dS падає N фотонів. Тоді ρ∙N фотонів відібۥється, а (1– ρ)∙N фотонів поглинеться (рис.5.13). Зміна імпульсу цих фотонів складе

2∙Р_ф∙ ρ∙N + Р_ф∙(1– ρ)∙N = dF∙dt . (5.20)

За означенням тиску та з урахуванням (5.19) і (5.20) маємо

. (5.21)

З рис.5.13 видно, що добуток с∙dS∙dt =dV дає об’єм, з якого всі N фотонів встигають досягти поверхні dS, добуток же hν∙N=dW дорівнює енергії dW цих фотонів. Відношення дає обۥємну густину енергії падаючого випромінювання. Таким чином, для тиску світла одержуємо вираз

, (5.22)

Який узгоджується з експериментом: у сонячний день тиск світла складає 4∙10^-5 Па..

6 Фізика атомів

1. Дослід е.Резерфорда по розсіюванню α-частинок. Ядерна модель атома

Поняття атома, як неподільної найменшої частинки речовини, було введене ще грецькими філософами Левкіпом і Демокрітом в V столітті до нашої ери. Але на початок ХХ століття ряд відкриттів свідчили про складну будову атома. Це: лінійчасті спектри випромінювання ізольованими атомами, характерні для кожного хімічного елементу; фотоефект; відкриття радіоактивності; дослідження катодних променів; відкриття електрона та ін. Було доведено, що нейтральні атоми – складні системи позитивно і негативно заряджених частинок. Але відомостей про розподіл цих зарядів у атомі не було.

Першу модель атома запропонував у 1903 році англ. фізик Дж.Томсон (1856-1940). По його моделі атом уявляв собою позитивно заряджену кулю з вкрапленими в неї негативними електронами, так що сумарний заряд дорівнював нулю. Але така модель не була підтверджена дослідами. Тому у 1911 році англ. фізик Е.Резерфорд для з’ясування розподілу позитивних і негативних зарядів у атомі провів досліди по розсіюванню атомами α-частинок (двозарядних позитивних іонів гелію Не²⁺), тобто провів зондування атомів. Схема цих дослідів зображена на рис.6.1. Джерелом α-частинок була крупинка 1 радіоактивної речовини. За допомогою діафрагм (щілин) 2 формувався вузький пучок α-частинок, які потрапляли на тонку (~ 1мкм) фольгу 3 з розсіювальної речовини (спочатку це було золото). Відкачаний скляний балон 4, в якому знаходилася вся ця система, зсередини був покритий фосфором. При потраплянні α-частинок на такий екран виникли спалахи світла, по яким через окуляр 5 підраховувалась кількість α-частинок dN, які потрапили за одиницю часу в поле зору окуляра, в залежності від кута розсіювання φ. Виявилось, що деякі α-частинки відхилялись на кут, більший за 90^о, з чого був зроблений висновок, що розсіювання позитивних α-частинок зумовлене їх взаємодією з позитивною і масивною частиною атома.

Теоретично за законом Кулона було знайдено, що при нецентральному ударі однойменно заряджених частинок (рис.6.2) кількість α-частинок dN, які розсіюються за одиницю часу в одиничному тілесному куті Ω

. (6.1)

Така закономірність була підтверджена дослідами. Із експериментальної залежності було визначене число Z. Воно співпало з порядковим номером елементу розсіювальної фольги.

Для оцінки найменшого розміру r_min позитивної частини атома був використаний закон збереження енергії для випадку центрального удару частинок. Кінетична енергія W_α α-частинки витрачається на подолання сил відштовхування, тобто перетворюється в потенціальну енергію взаємодії заряду α-частинки +2е і заряду + Zе

По сучасним оцінкам .

А із газо-кінетичних вимірювань розмір атомів становить ~ 3∙10^–10 м, що на пۥять порядків більший за розмір позитивної його частини. Щоб уявити таку різницю, уявимо розмір ядра 1 см, тоді розмір атома складе 10⁵ см =1000 м = 1 км.

На цих даних Резерфордом була запропонована планетарна модель атома – в центрі знаходиться позитивно заряджене ядро із зарядом +Zе і основною його масою, а навколо нього обертаються електрони, кількість яких дорівнює порядковому номеру Z елементу.