Давление света. Опыты Лебедева. Объяснение светового давления в рамках волновой и квантовой теорий.
Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона ε = hv. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии: m = hv/c2. Фотон — элементарная частица, которая всегда (в любой среде) движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Импульс фотона равен р= mc.
Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. Такое рассуждение было положено в основу серии опытов русского ученого П. Н. Лебедева, который, с помощью созданной им уникальной установки, в 1898 году впервые измерил давление света.
Схема опыта Лебедева по измерению давления света на твердые тела изображена на рисунке. Свет, исходящий от источника S, пройдя через систему линз, попадает на поверхность зеркала З1. Отраженный от З1 свет с помощью зеркал З2 и 33 направляется на поверхность крыльев, которые находятся внутри баллона. Рабочим органом прибора, созданного Лебедевым, были очень чувствительные крутильные весы. На тонкой нити подвешивалась лёгкая рамка с укрепленными на ней крылышками из металлической фольги - светлыми и чёрными дисками толщиной до 0.01 мм. Рамка помещалась внутрь сосуда, из которого откачали воздух. Излучение, попадая на крылышки, оказывало на светлые и чёрные диски разное давление, поэтому возникал вращающий момент, нить подвеса закручивалась.
Ввиду очень малой величины давления света перед экспериментаторами возникли определенные трудности. Для исключения радиометрического эффекта (радиометрический эффект — явление самопроизвольного движения неравномерно нагретых тел, помещённых в разреженных газах, в направлении от более нагретой стороны к менее нагретой) Лебедевым были подобраны такие тонкие крылья, чтобы температура обеих поверхностей была практически одинаковой. Для устранения тепловых потоков, связанных с движением молекул, в сосуде создавался вакуум.
Классические опыты П. Н. Лебедева по измерению давления света явились фундаментальным доказательством и волновой, и квантовой природы света. Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического излучения (частота ν), падающего перпендикулярно поверхности. Если в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения ρ света от поверхности тела ρN фотонов отразится, а (1—ρ)N — поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс pν = hν/c, а каждый отраженный — 2pv = 2hν/c (при отражении импульс фотона изменяется на —рν). Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности за 1 секунду N фотонов:
Nhv = E - есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, т. е. энергетическая освещенность поверхности, а E/c = w — объемная плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность, равно:
Эта формула, выведенная на основе квантовых представлений, совпадает и с экспериментальными данными, и с теоретическими данными, рассчитанными другими методами.
Объяснение светового давления в рамках волновой и квантовой теорий
С квантовой точки зрения давление света на поверхность обусловлено тем, что при соударении с этой поверхностью каждый фотон передает ей свой импульс. Так как фотон может двигаться только со скоростью света в вакууме, то отражение света от поверхности тела следует рассматривать как процесс «переизлучения» фотонов - падающий фотон поглощается поверхностью, а затем вновь излучается ею с противоположным направлением импульса.
Согласно электромагнитной теории света, давление света объясняется возникновением механических сил, действующих на электроны освещаемого тела со стороны электрического и магнитного компонента электромагнитного поля.