10

Квантовая физика

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Лекция 8

8.16. Давление света

Существование давления света на поверхности тел при их облучении лучистой энергией теоретически обосновано в электромагнитной теории Максвелла.

Полная энергия частицы

W =  = mc², ()(1.22)

где с  скорость света в вакууме; m  масса частицы.

Энергия кванта  = h, (1.23)

где h  постоянная Планка;   частота кванта.

Из (1.22) и (1.23) следует, что квант (фотон) света имеет импульс

(1.24)

Световой поток монохроматического света частоты , падающий нормально, приносит за 1 с на поверхность, равную 1 м², энергию, равную интенсивности света J (плотности потока излучения).

Если световой поток интенсивности J содержит N фотонов, каждый из которых несет энергию  = h, то . (1.25)

Каждый квант света при падении на абсолютно поглощаемую поверхность сообщает ей импульс (1.24), а абсолютно отражающей поверхности  импульс в два раза больший, т. е.

. (1.26)

Суммарный импульс, сообщаемый всеми N фотонами за 1 с, 1 м² абсолютно поглощаемой поверхности равняется давлению на нее

. (1.27)

Если поверхность тела имеет коэффициент отражения , то из всего числа падающих N фотонов отражается N, а поглощается (1  )N фотонов.

Суммарный импульс, переданный фотонами единице площади поверхности тела, равен давлению свет

.

Таким образом, чем больше частота фотона, тем больше световое давление.

С учетом (1.26) . (1.28)

На практике световое давление измерено Лебедевым.

В яркий солнечный день давление света составляет Р  410^6 Па.

Измерения светового давления подтвердили выдвинутое еще Кеплером предположение о том, что отклонение кометных хвостов в сторону от Солнца является результатом давления солнечного излучения.

Эддингтон предположил, что давление излучения определяет максимальные размеры звезд и противодействует гравитационному сжатию при их формировании, что согласуется с астрономическими наблюдениями.

Действительно, с увеличением массы звезды возрастает гравитационное сжатие ее вещества, что приводит к повышению температуры внутри звезды до 10⁷10⁸ К, при которой начинаются термоядерные реакции, а следовательно, возрастает световое давление лучистой энергии звезды (наряду с давлением нагретого газа). На последней стадии эволюции массивных звезд (более 210 масс Солнца), когда полностью выгорает ядерное горючее, температура звезды понижается, и ничто не может противодействовать гравитационному сжатию. Сила гравитационного сжатия достигает таких величин, что никакое электромагнитное излучение не может вырваться наружу. Наступает гравитационный коллапс, который возникает при достижении звездой гравитационного радиуса Шварцшильда. С этого момента звезда становится невидимой  возникает черная дыра. Давление излучения имеет большое значение и при изучении атомных явлений. Например, при испускании фотона возбужденным атомом или ядром, которое испытывают отдачу.