25.5 Ефект Комптона. Тиск світла. Досліди Лебедєва

Ефект Комптона

1. Ефект Комптона - це ефект збільшення довжини хвилі розсіяного випромінювання, відкритий у 1922 р. американським фізиком А. Комптоном. Цей ефект є підтвердженням корпускулярної теорії світла.

2 . Визначення. Ефект Комптона - це явище розсіювання електромагнітних квантів на вільному електроні, що супроводжується збільшенням її довжини хвилі.

3. Явище спостерігається при взаємодії фотонів з вільними електронами. Явище також може спостерігатися й на інших заряджених частинках (наприклад протонах), але тільки для фотонів великої енергії.

4. ,

де λ₀ - монохроматичне рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі, λ – довжина хвилі розсіяного під кутом θ випромінювання, Λ = 2,43·10^-3 нм - комптонівська довжина хвилі, яка не залежить від властивостей речовини (Рисунок 25.5).

5. Пояснення ефекту Комптона на основі квантових уявлень про природу випромінювання було дано в 1923 році незалежно один від одного А. Комптоном і П. Дебаєм. Якщо допустити, що випромінювання являє собою потік фотонів, то ефект Комптона є результат пружного зіткнення рентгенівських квантів із вільними електронами речовини. У процесі зіткнення квант передає електрону частину своєї енергії й імпульсу відповідно до законів збереження. Зменшення енергії фотона означає збільшення довжини його хвилі.

Тиск світла

1. Знайомство з явищем. Майкл Максвел на основі електромагнітної теорії передбачив, що світло повинно здійснювати тиск на тверді поверхні й розрахував його приблизне значення. Уперше тиск світла вдалося виміряти російському вченому Петру Миколайовичу Лебедєву.

Це явище відіграє велику роль в астрономії й атомних явищах. В астрофізиці тиск світла поряд із тиском газу забезпечує стабільність зірок, протидіючи силам гравітації. Тому зірки не стискаються й мають кулясту форму. Дією тиску світла пояснюють деякі форми кометних хвостів. До атомним ефектів належить так звана світлова віддача, яку відчуває збуджений атом при випущенні фотона.

2. Визначення. Тиск світла – це тиск, який спричиняє світло на поверхні, що його відбивають або поглинають.

3. Умови протікання явища: а) тиск світла можна спостерігати на поверхнях, що відбивають або поглинають світло; б) тиск світла дуже малий, тому для його реєстрації потрібно мати потужне джерело світла.

4 . Математичний опис. На основі квантової теорії тиск світла обчислюють за формулою , де N - кількість фотонів, які падають на поверхню, що освітлюється, h - стала Планка; υ - частота світла; с - швидкість світла у вакуумі; Δt - час освітлення поверхні; S - площа освітленої поверхні; k - коефіцієнт пропускання,  - коефіцієнт відбивання світла від поверхні, на яку воно падає (для дзеркальної поверхні  = 1, а для абсолютно чорного тіла  = 0, а взагалі він лежить у межах 0<ρ<1).

5. Пояснення явища. Тиск світла можна пояснити як корпускулярною, так і хвилевою теорією світла.

На основі корпускулярної теорії тиск світла розглядають як удари фотонів по відбиваючій або поглинаючій поверхні.

Н а основі хвильової теорії тиск світла пояснюють так: під дією електричного поля хвилі електрони в тілах здійснюють коливання. Утворюється електричний струм, напрямлений уздовж напруженості електричного поля хвилі (Рисунок 25.6). На цей струм з боку магнітного поля цієї ж хвилі діє сила Ампера F_А, напрямок якої збігається з напрямком поширення хвилі. Це і є сила світлового тиску.

Досліди Лебедєва

1. Мета дослідів. Виміряти тиск світла.

2. Схема дослідів. Лебедєв проводив досліди за допомогою приладу, який складався з дуже легкого стержня на тонкій нитці (Рисунок 25.7), по краях якого були приклеєні легкі крильця. Весь прилад поміщався в посудину, із якої було викачане повітря. Світло падало на крильця, розташовані по одну сторону від стержня. Про значення тиску можна було дізнатися по куту закручування нитки.

3. Хід досліду. Труднощі точного виміру тиску світла були пов'язані з неможливістю відкачати із посудини все повітря (рух молекул повітря, викликаний неоднаковим нагріванням крилець і стінок посудини, призводить до виникнення додаткових обертаючих моментів). Крім того, на закручування нитки впливає неоднакове нагрівання сторін крилець (сторона, звернена до джерела світла, нагрівається більше, чим протилежна сторона). Молекули, що відбиваються від більш нагрітої сторони, передають крильцю більший імпульс, ніж молекули, що відбиваються від менш нагрітої сторони. Лебедєв зумів перебороти всі ці трудності, незважаючи на низький рівень тодішньої експериментальної техніки, узявши дуже велику посудину і дуже тонке крильце.

4 . Результат дослідів. Лебедєв підтвердив існування світлового тиску на твердих тілах і зумів його виміряти. Результат вимірів був однаковий з розрахунками Максвела.