Лекция 9. Фотоны. Давление света.

Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Энергия фотона:

E =h или E = =   (9.1)

где h – Постоянная Планка.

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как 

 E = m (9.2)

Отсюда  - масса фотона:

m= (9.3)

Импульс фотона:

P = mc = (9.4)

Импульс фотона направлен по световому пучку.

Как известно, поток частиц, сталкивающихся с поверхностью тела, оказывает на него давление. По аналогии с этим поток света, т.е. поток фотонов, падающих на тело, должен создавать давление. Впервые давление света было измерено российским физиком П.Н. Лебедевым с помощью крутильных весов.

Опыт. 9.1 Измерение Давление света с помощью крутильных весов.

Схема установки и её описание:

.

Рис 9. 1 Схема крутильных весов, использованных П.Н. Лебедевым для измерения давления света. Н – серебряная нить, С – стержень с укреплёнными на нём дисками-крылышками (К).

Ход работы:

В стеклянном сосуде, в котором создавали вакуум, на серебряной нити (Н) подвешивали тонкий стержень (С) с закрепленными на нём белыми и чёрными тонкими дисками-крылышками (К) толщиной 0,1 – 0,01 мм и диаметром 5 мм, сделанными из металла или слюды. Так как давление света на белые диски больше, чем на чёрные, то крутильные весы поворачивались, и по их углу поворота можно было судить о величине этого давления. Давление света в солнечный день составляет около 4^.10^-6 Па, что согласуется с величиной, которую можно вывести, исходя из теории электромагнитного поля Максвелла.

Вывод: Вычислив давление света в солнечный день, напрашивается вывод, что давление света в солнечный день составляет около 4^.10^-6 Па, что согласуется с величиной, которую можно вывести, исходя из теории электромагнитного поля Максвелла.

Пусть свет падает перпендикулярно на зеркальную поверхность тела, полностью отражающую фотоны. При отражении модуль импульса фотона сохраняется, а направление его вектора изменяется на противоположное. Поэтому при отражении фотон передает зеркальной поверхности импульс, равный 2h /c. Если на 1 м² зеркальной поверхности перпендикулярно ей в течение 1 с падает n фотонов, то оказываемое этим потоком света давление составит 2nh /c.

Если свет, падающий на поверхность тела, не отражается от него (абсолютно чёрное тело), то в результате неупругого соударения фотон отдаёт весь свой импульс телу. Поэтому давление потока света, перпендикулярно падающего на поверхность абсолютно чёрного тела, будет равно nh /c, т.е. в два раза меньше, чем его давление на зеркальную поверхность

Приходим к выводу, что если свет, падающий на поверхность не отражается от него, то давление потока света, перпендикулярно падающего на поверхность абсолютно чёрного тела будет в два раза меньше, чем его давление на зеркальную поверхность.