Давление света. Опыты П.Н. Лебедева

Давление света. Опыты П.Н. Лебедева

В нашей Солнечной системе, в которой, помимо восьми больших планет существует большое количество карликовых планет и неисчислимое множество различных малых тел.

Среди этих небольших объектов особо выделяются кометы, которые издавна очаровывали людей. В отличие от звёзд и планет, они появлялись из ниоткуда и без видимой регулярности. Поэтому они считались знаками богов. А самые первые письменные свидетельства о них относятся к третьему тысячелетию до нашей эры.

Наблюдая движение комет, учёные установили, что они движутся так, что их хвосты, состоящие из очень мелких частиц, всегда обращены от Солнца и увеличиваются по мере приближения кометы к Солнцу. В 1604 году известный немецкий астроном Иоганн Кеплер пытался объяснить возникновение кометных хвостов давлением солнечных лучей. Однако теория о световом давлении оставалась теорией вплоть до XIX века, пока Джеймс Максвелл не завершил построение своей волновой теории света. Согласно теории Максвелла, свет как электромагнитная волна, обладающая энергией и импульсом, должен оказывать давление на поверхность, на которую он падает, так как электрическое поле электромагнитной волны вызывает движение электронов вещества под действием электрической силы в направлении, противоположном напряжённости электрического поля.

Магнитное же поле волны действует на движущиеся частицы с силой Лоренца, которая в данном случае будет направлена внутрь вещества и совпадает с направлением распространения света. Суммарная сила, действующая на все электроны со стороны электромагнитной волны, и есть сила давления света.

Максвелл не только предсказал световое давление, но и в 1873 году смог рассчитать давление солнечного излучения на зеркальную и абсолютно чёрную поверхности, площадью один квадратный метр.

Однако многочисленные попытки подтвердить эти теоретические предсказания не увенчались успехом. Многие учёные просто не верили в возможность обнаружения светового давления. Однако русский физик Пётр Николаевич Лебедев преодолел все трудности и путём исключительно тонких и сложных опытов сумел обнаружить и измерить давление света сначала на твёрдые тела (в 1899 году), а затем, спустя десять лет, и на газы.

Прибор, созданный Лебедевым для измерения давления света, представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы).

Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварцевой нити лёгкая рамка с парой крылышек на концах — дисками толщиной до 0,01 миллиметра. Поверхность одного диска была зачернённой, обеспечивая тем самым почти полное поглощение света, а у другого — зеркальной. Подвес с крылышками помещался в сосуд, воздух из которого был откачан.

В опытах свет поочерёдно направлялся на каждое из крылышек коромысла. При этом он практически полностью отражался от зеркальной поверхности и практически полностью поглощался зачернённой. Вследствие этого давление света на зеркальное крылышко было примерно вдвое больше, чем на зачернённое. Соответственно, больше был и момент сил, поворачивающий коромысло. Измеряя угол поворота под действием света в обоих случаях, можно было судить о силе, действовавшей на крылышки, а следовательно, определить световое давление.

Под действием электрического поля волны электроны в телах совершают колебания. Образуется электрический ток. Этот ток направлен вдоль напряженности электрического поля (рис. 162). На упорядоченно движущиеся электроны действует сила Лоренца F со стороны магнитного ноля, направленная в сторону распространения волны. Это и есть сила светового давления.

Удивительно, но первые измерения Лебедева дали величину светового давления, согласующуюся с теорией Максвелла с погрешностью всего 20 %, несмотря на низкий уровень экспериментальной техники того времени.

В 1923 году немецкий физик Вальтер Герлах повторил опыты Лебедева, использую используя более совершенные методы получения вакуума. Ему удалось получить результаты, согласующиеся с теоретическими значениями с погрешностью до 2 %.

В 1909 году Лебедев смог показать и рассчитать давление, оказываемое светом на газы, тем самым подтвердив гипотезу Кеплера об отталкивании кометных хвостов солнечными лучами. После опытов Лебедева световое давление стали учитывать во всех теориях, касающихся космических процессов.   

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить, причину светового давлении. Фотоны подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела равен импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие тем не менее может оказаться существенным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль во внутризвездных процессах.

Давление света согласно электродинамике Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется благодаря передаче телу импульсов фотонов при их поглощении.

Взаимодействие фотона с зеркальной поверхностью

В случае данного взаимодействия получается абсолютно упругое взаимодействие. При падении фотона на поверхность он отражается от нее с той же скоростью и импульсом, с которыми упал на эту поверхность. Изменение импульса будет в два раза больше, чем при падении фотона на черную поверхность, давление света увеличится в два раза.

В природе не существует веществ, поверхность которых полностью бы поглощала или отражала фотоны. Поэтому для расчета давления света на реальные тела необходимо учитывать, что часть фотонов поглотится этим телом, а часть отразится.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом. Хотя в обычных условиях световое давление очень мало, его действие может оказаться существенным. На основе давления Солнца был разработан парус для космических кораблей, который позволит перемещаться в космосе под давлением света (рис. 11).

Рис. 11. Парус космического корабля

Скачано с www.znanio.ru