Давление света

Свет – явление многообразное. На протяжении не одного десятилетия ученые занимались его исследованием. Гипотеза о существовании давления света была впервые высказана И. Кеплером (J. Kepler) в 17 в. для объяснения отклонения хвостов комет от Солнца. Ученого интересовала причина того, что из кометного хвоста «изгоняется что-то непонятное» под действием света, так как кометный хвост формировался под действием солнца и был направлен в противоположную от солнца сторону. Но его гипотеза не имела доказательств, не был понятен механизм давления. Сегодня это можно доказать, так как известно, что свет обладает волновыми, корпускулярными свойствами. В 17 веке ученые не знали, что такое свет - волна или частица? Ньютон предложил обсудить свою концепцию природы света: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?» В отличие от Ньютона, предполагавшего, что свет переносят частицы, Гюйгенс утверждал, что свет распространяется посредством волн, бегущих в некоторой гипотетической среде, эфире. В ученых кругах по этому поводу разгорелись споры. В результате чего изучение света длилось более 100 лет, не принося никаких новых результатов. В 19 веке ученые доказали явления дифракции, интерференции света, доказав тем самым, что свет – это волна. Но оставалось ещё одно неразгаданное явление – давление света.  В 1873 году Максвелл опубликовал свой знаменитый «Трактат по электричеству и магнетизму», где дал полное математическое описание электромагнитных явлений и предсказал новый эффект — существование в свободном пространстве электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Это позволило ему считать свет одним из видов электромагнитных волн и записать формулу для светового давления в виде
p=E(1+R)c, где Е — энергия электромагнитной волны, отнесенная к единице площади и единице времени, R — коэффициент отражения, с — скорость света. Однако многие ученые, и в их числе президент Лондонского Королевского общества лорд Кельвин, считали световое давление несуществующим. Экспериментально давление света на твёрдые тела было впервые исследовано Петром Николаевичем Лебедевым в 1900 году. Идея его эксперимента была проста: на легкое крылышко, подвешенное на длинной и тонкой нити, направлялся луч света. Под действием светового давления крылышко должно поворачиваться, и по углу поворота можно будет рассчитать силу давления света. Прибор необходимо было поместить в хорошо откачанный баллон, чтобы исключить посторонние воздействия.
На пути осуществления этой простой идеи экспериментатора, однако, ожидали колоссальные трудности.  Первая из них состояла в ничтожной величине светового давления. Действительно, используя формулу Максвелла, легко оценить, что, например, дуговая лампа мощностью 1 кВт создает световое давление порядка 10-4 Па, или
10-6 мм рт. ст. Вакуум в экспериментах Лебедева составлял около 10-4 мм рт. ст. Определяя давление света, Лебедев столкнулся с действием радиометрических сил, существенно влиявших на сам процесс измерений. Эти силы возникали из-за того, что поверхность крылышка, обращенная к источнику света, нагревалась, что приводило к неравномерному нагреванию газа в баллоне и, тем самым, к возникновению конвекционных потоков. Поток газа от освещенной стороны крылышка к теневой толкал крылышко в том же направлении, что и световое давление. Помимо этого, нужно было избавиться от конвекционных потоков, возникавших из-за неравномерного нагревания светом стеклянного баллона. И ученый создал прибор, удивительный по своей простоте, элегантный и безупречный с точки зрения чистоты физического эксперимента. Прежде всего, конечно, надо было научиться создавать хороший вакуум в стеклянном баллоне. Лебедев поместил в баллон каплю ртути и, слегка подогревая ее, продолжал откачивать воздух из баллона самым совершенным по тому времени вакуумным насосом — тяжелые пары ртути увлекали молекулы воздуха при откачке. Затем баллон охлаждался, и плотность паров ртути понижалась, благодаря чему достигался довольно высокий вакуум. Для того чтобы конвекционные потоки остаточного газа от нагретой стенки рассеивались еще до того, как они достигнут крылышка, Лебедев увеличил размер баллона до 20 см в диаметре. Кроме того, ему удалось уменьшить нагревание стенки баллона светом за счет применения светофильтров, поглощавших самую «горячую» часть спектра. Главной частью созданного им прибора были знаменитые крылышки. В одной из конструкций к стеклянному стержню были прижаты платиновыми кольцами два крестика из листовой платины различной толщины. Два из этих крылышек имели с обеих сторон зеркальные поверхности, а два других были покрыты платиновой чернью, т.е. мелко раздробленной платиной. Прибор подвешивался на тонкой стеклянной нити длиной 30 см. Луч света можно было направлять поочередно на любое из четырех крылышек.
Источником света в установке служила дуговая лампа. Пропуская луч через систему линз и металлическую диафрагму, получали параллельный пучок, который направлялся на сосуд с чистой водой. Вода служила светофильтром, поглощавшим «горячие» лучи. Параллельный пучок света троекратно отражался от зеркал, фокусировался линзой, проходил через стеклянную пластину и направлялся на крылышки, помещенные в стеклянный баллон. С помощью зеркал можно было менять направление светового луча так, чтобы он падал с противоположной стороны крылышка. А освещение крылышка с разных сторон позволяло компенсировать конвекционные потоки. Лебедев тщательно следил за тем, чтобы интенсивность освещения была одинаковой с обеих сторон. Особые меры предпринимались им для того, чтобы отразившийся от крылышек свет, претерпевая повторные отражения от внутренней стенки баллона, не попадал вновь на крылышко. Более того, Лебедев исключил даже вклад в измеряемые эффекты от «корешков» крылышек, с помощью которых они крепились к стеклянному стержню: во втором варианте прибора крылышки крепились на очень тонких проволочках, давлением света на которые уже можно было пренебречь. Наконец, наибольшие помехи в процесс измерений вносила неравномерность горения дуговой лампы. Это препятствие преодолевалось путем накопления статистики при проведении большого числа экспериментов. Необходимо было измерить энергию лучей, падающих на крылышки. Помещая на место крылышек медный калориметр, Лебедев измерял изменение температуры калориметра под действием света. Считая затем, что вся световая энергия превращалась в тепло, и зная теплоемкость калориметра, можно было вычислить энергию световых лучей. Коэффициент отражения каждого крылышка тщательно измерялся. Зная коэффициент упругости прибора (который определялся из собственных колебаний массивного медного цилиндра, подвешенного на стеклянной нити) и угол, на который закручивался прибор под действием светового давления, можно было определить давление света.
Таким образом, Лебедев измерил все величины, входящие в формулу Максвелла, и полученные им экспериментальные данные в пределах точности измерений (~ 20%) совпали с теоретическими расчетами.
Давление света зависит от коэффициента отражения поверхности:
А) при отражении от зеркальной поверхности крылышко (2) получает импульс р2 ≈ 2р.
Б) поверхность чёрного крылышка (1) поглощает свет и р1 ≈ р.
Существование светового давления на твердые тела было доказано, и оно было измерено. Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы. Результатом длительных исследований стала публикация 1909 года, в которой Лебедев сообщал, что «существование давления света на газы установлено опытным путем... Таким образом, гипотеза о давлении света на газы, триста лет тому назад высказанная Кеплером, получила в настоящее время как теоретическое, так и экспериментальное обоснование». Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину светового давления. Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. ПЭ равно АШ НЮ деленное на ЦЭ.  При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила давления равная отношению изменения импульса ко времени в течение которого это изменение произошло.  Если вместо давления подставить первую формулу, то получим что сила давления будет зависеть от частоты, времени и скорости света ПРОИЗВЕДЕНИЕ АШ НЮ ЭН РАЗДЕЛИТЬ НА ПРОИЗВЕДЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА НА ИЗМЕНЕНИЕ ВРЕМЕНИ. Исходя из этих выводов можно определить световое давление в зависимости от поверхности на которую он падает. Импульс равен отношению силы к площади поверхности, на которую падает свет. Объединим наши формулы и получим: давление света на черную поверхность равно отношению интенсивности света к скорости света и удвоенному отношению интенсивности света к скорости света, если свет падает на белую зеркальную поверхность. Интенсивность света И является энергетической характеристикой и равна отношению полной энергии к площади поверхности за определенный промежуток времени. Важность сделанного Лебедевым открытия трудно переоценить. Вот лишь несколько примеров. Ничтожная, на первый взгляд, величина светового давления оказывает существенное влияние на положение искусственных спутников Земли и безусловно учитывается в точной космической навигации. Глубокое охлаждение отдельных атомов и образование конденсата Бозе - Эйнштейна возможно при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Калибровка первых лазеров, созданных на физическом факультете МГУ, осуществлялась по световому давлению.