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Leichter Druck während der Spiegelreflexionsformel.

Wohnzimmergestaltung

Ein Strom von Photonen (Licht), der beim Auftreffen auf eine Oberfläche Druck ausübt.

Auf eine absorbierende Oberfläche einfallender Photonenfluss:

Auf eine Spiegeloberfläche einfallender Photonenfluss:

Auf die Oberfläche einfallender Photonenfluss:

Physikalische Bedeutung von Lichtdruck:

Licht ist ein Strom von Photonen. Nach den Prinzipien der klassischen Mechanik müssen Teilchen beim Auftreffen auf einen Körper einen Impuls auf ihn übertragen, also Druck ausüben Gerät, Messungen leichter Druck

war ein sehr empfindliches Torsionsdynamometer (Torsionswaage). Dieses Gerät wurde von Lebedev erstellt. Sein beweglicher Teil war ein leichter Rahmen, der an einem dünnen Steinbruchfaden aufgehängt war und an dem Flügel befestigt waren – leichte und schwarze Scheiben mit einer Dicke von bis zu 0,01 mm. Die Flügel wurden aus Metallfolie hergestellt. Der Rahmen war in einem Gefäß aufgehängt, aus dem die Luft abgepumpt wurde. Das auf die Flügel fallende Licht übte unterschiedliche Drücke auf die helle und die schwarze Scheibe aus. Dadurch wirkte ein Drehmoment auf den Rahmen, das das Aufhängungsgewinde verdrehte. Zur Bestimmung des Lichtdrucks wurde der Drehwinkel des Fadens herangezogen.

In der Formel haben wir Folgendes verwendet:

Die Kraft, mit der ein Photon drückt

Fläche, auf die leichter Druck ausgeübt wird

Impuls eines Photons

Plancksche Konstante

Sogar du, der du Höhen erreicht hast,

Wissen und berücksichtigen Sie dies

Dass die Sonne am Himmel nicht stolz ist

Und bringt seine Strahlen zur Erde!

(Mirza-Shafi Vazeh) Hier kommen wir zu dem Moment, in dem es an der Zeit ist, sich mit der zweiten Schwierigkeit auseinanderzusetzen – dieser leichter Druck

im Artikel angegeben: .

Zwei Schwierigkeiten, die verhinderten, dass das Photon als Träger der Schwerkraft erkannt wurde.

Ich möchte Sie daran erinnern, dass die erste Schwierigkeit die Auswirkungen sind, mit denen wir uns im Laufe mehrerer Artikel „“, „“, „“, „“ befasst haben.

Die zweite Schwierigkeit hängt mit einem Phänomen zusammen, das als „leichter Druck“ in die wissenschaftliche Gemeinschaft Einzug gehalten hat.

Die Sonne zieht einerseits die Erde an und übt andererseits Druck auf sie aus! Stimme zu – ein paradoxes Phänomen.

Zum ersten Mal wurde die Idee der Existenz von Lichtdruck von I. Kepler geäußert, um die Abweichung der Kometenschweife von der Sonne zu erklären. Später leitete D. Maxwell, nachdem er die Theorie des Elektromagnetismus entwickelt hatte, die mathematischen Prinzipien der Existenz von Lichtdruck ab. F=4,5·10 -6 N. Es ist sehr schwierig, eine solche Kraft experimentell zu messen, aber im Jahr 1900 versuchte der russische Physiker P.N. Lebedew. Mithilfe von Torsionswaagen, Spiegeln und einer Lichtquelle gelang es ihm angeblich, Maxwells Hypothese zu bestätigen (Abb. 1). In der Physik hat sich die Meinung durchgesetzt, dass der Lichtdruck zwar um 11 Größenordnungen geringer ist als der atmosphärische Druck, aber genau dieser verhindert, dass die Sonne gravitativ zusammenbricht, und lenkt auch die Schweife der Kometen von ihr weg Sonne. Aus diesem Grund fliegen Kometen manchmal zuerst mit dem Schwanz.

Über Kometen, die mit ihren Schweifen einen Kurs um die Sonne zeichnen, und nun richtet sich alle Aufmerksamkeit auf das ausgesprochene Paradox und die Schwierigkeiten, die wir zu überwinden scheinen, aber dadurch andere schaffen, weil sie beginnen sich zu vermehren.

In allen voneinander kopierten Lehrbüchern und nicht ganz Lehrbüchern heißt es, dass ein Photon, wenn es Masse und Impuls hat, mit dieser Masse und diesem Impuls Druck ausüben muss.

Ein charakteristischer Satz aus der Bildungsliteratur: „Die Ergebnisse von Experimenten von Lebedev, Compton sowie Experimenten zur Untersuchung des photoelektrischen Effekts bestätigten, dass Photonen einen Impuls haben.“

Und wenn Photonen mit diesem Impuls ausgestattet sind, dann müssen sie mit diesem Impuls etwas beeinflussen. Daher laufen alle Erklärungen des Lichtdrucks auf Analogien mechanischer Systeme wie im Makrokosmos hinaus: „Wenn wir Licht als einen Photonenstrom betrachten, dann müssen Teilchen nach den Prinzipien der klassischen Mechanik beim Auftreffen auf einen Körper Impuls übertragen.“ darauf einwirken, also Druck ausüben.“

Ich habe eine völlig entgegengesetzte Interpretation des Prinzips der Energieübertragung. Photonen sind keine mechanischen Teilchen, die wie Meteoriten auf dem Boden einschlagen können und dabei Rückstoßimpulse erhalten. Die Mechanik funktioniert hier nicht, weil... Photonen werden nicht elastisch eingebracht, sondern in ein verwandtes Medium – in den elektromagnetischen Äther der Materie. Die Wechselwirkung eines Photons mit den Atomen einer bestimmten Substanz erfolgt auf der Feldebene. Es entsteht zwar ein Bewegungsimpuls in der Materie, aber kein Rückstoß, sondern eine Ergänzung (zur Bewegung des Photons), (siehe „).

Der Druck des Lichts wird mit dem Druck der elektromagnetischen Strahlung im Inneren von Sternen verglichen, wo er enorme Werte erreichen kann, und ihm wird dies zugeschrieben. Denn bei intrastellaren Prozessen spielen angeblich leichte Druckkräfte neben den Gravitationskräften eine wesentliche Rolle. Natürlich liegt der Druck im Inneren von Sternen außerhalb der Skala, aber der Druck entsteht nicht von selbst – er wird durch die Schwerkraft erzeugt. Nicht der Druck erzeugt die Schwerkraft, sondern der Druck ist eine Ableitung der Schwerkraft. Und das sind schon zwei große Unterschiede.

Alle Quellen zum Thema Lichtdruck und dessen experimentelle Überprüfung werden an Lebedev gesendet. Doch seit dem berühmten Experiment sind 113 Jahre vergangen. Und was hat sich in mehr als hundert Jahren kein einziges Labor mehr die Mühe gemacht, diese Erfahrung noch einmal zu überprüfen? Ich denke, dass es heute, wenn wir solche Mastodons der Wissenschaft wie den LHC (Large Hadron Collider) bauen, nicht besonders teuer wäre, billige Torsionsskalen herzustellen. Daher wäre eine Wiederholung des Experiments zur Existenz von Lichtdruck für die Wissenschaft sehr nützlich.

Gleichzeitig schließe ich nicht aus, dass solche Experimente bereits durchgeführt wurden, und vielleicht mehr als einmal, aber es gab keine Ergebnisse. Daher haben wir heute weder eine Widerlegung noch eine Bestätigung.

Ich kann mir vorstellen, warum die Experimentatoren ihre Berichte nicht veröffentlicht haben. Grundschüler, sie hatten Angst – sie würden lachen! Diese Erfahrung ist recht subtil und der Fehlergrad ist groß. Und dann übt Lebedews Autorität weiterhin Druck aus, sodass es einfacher ist zu schweigen, als, Gott bewahre, ein Komma im falschen Zeichen zu setzen.

Nun zum Paradox der Gleichzeitigkeit von Anziehung und Abstoßung. Die Natur ist ihrem Wesen nach nicht so „schlau“ wie der Mensch. Nur ein wissenschaftlicher Physiker kann beim Blick auf die Sonne sagen: Die Sonne ist eine blendende Quelle weißen Lichts und gleichzeitig hinzufügen, dass die Sonne ein absolut schwarzer Körper ist. In der Natur werden Antagonismen und Gegensätze nie gleichzeitig beobachtet. Schall- und optische Wellen gehen immer vom Erzeugungszentrum aus und niemals umgekehrt. Ein kalter Körper kann niemals einen heißen erwärmen. Selbst der Wind weht nie gegen den gleichen Wind, trotz ständigem Richtungswechsel. Im Gegensatz zum „Photonendualismus“ ist dieses Phänomen in diesem Fall kein Antagonismus, sondern eine Manifestation derselben Eigenschaften, die jedoch durch unterschiedliche Geräte offenbart werden.

Nach Lebedews Experimenten befand sich die Wissenschaft trotz des paradoxen Widerspruchs seit mehr als einem Jahrhundert in einer Art Selbstzufriedenheit. Zwei aus einer Quelle erzeugte Kräfte können und sollen nicht gegensätzlich oder aufeinander gerichtet sein. Darüber hinaus übersteigt eine Kraft, mit deren Hilfe die Sonne die Erde anzieht, die zweite (Druckkraft) um das Zehnfache (zehn Billionen).

Basierend auf solchen logischen Prämissen können wir schlussfolgern: In der Natur sollte es nur eines geben, entweder Anziehung oder Abstoßung (Druck). In der Natur kann es keine Paradoxien geben, dort ist alles logisch ausgeglichen. Damit dieser Widerspruch nicht existiert, ist es daher notwendig, eine der Kräfte auszuschließen. Was werden wir ausschließen? Leichter Druck oder die Anziehungskraft der Erde auf die Sonne? Es ist klar, dass die Schwerkraft nicht einmal von Gott selbst und der Kraft aufgehoben werden kann Gerät, Messungen, kann ausgeschlossen werden. Keine Sorge – das ist keine Freiwilligkeit. Leichter Druck muss aus einem Grund ausgeschlossen werden - da nicht bewiesen!

Entschuldigung, aber was ist mit Pjotr Lebedew mit seiner eleganten Erfahrung?

Ich glaube, dass sich Lebedew in seinen Experimenten trotz aller Tricks und Schwierigkeiten, den Einfluss der Strahlung auf das Endergebnis zu überwinden, nie davon erholen konnte. Das Vakuum in Lebedevs Experimenten betrug etwa 10 -4 mm Hg. Kunst. – Nach heutigen Maßstäben ist dies kein Vakuum mehr. Daher glaube ich, dass dieses Experiment das Vorhandensein eines Phänomens wie Lichtdruck nicht bestätigt. Und mit diesem Verständnis bin ich nicht allein. Ich werde jetzt Lord Kelvin um Hilfe bitten, der nie an die Existenz von Lichtdruck geglaubt hat. Wie Historiker schreiben, soll er sich widerwillig ergeben haben, nachdem Lebedew in Paris einen Bericht über seine Ergebnisse vorgelegt hatte.

Es gibt Veröffentlichungen im Internet, deren Autoren zu diesem Thema auch verwirrt fragen: Wie lange? Zum Beispiel Grishaev A.A. , mit dem wir vielleicht nur in dieser Frage einer Meinung sind. Am Ende des Absatzes seines Artikels „Lebedevs Experimente zur Untersuchung des Lichtdrucks“ kommt er zu folgendem Schluss: „Wie Sie sehen können, betrug das Verhältnis der durchschnittlichen Wirkungsgrößen für geschwärzte Ziele und Spiegelziele für Pendel N2 nur 1,2, und.“ für Pendel N3 – 1,3. Diese Zahlen deuten darauf hin, dass es sich bei Lebedev nicht um den „Maxwellschen Druck“ handelte, sondern offenbar um restliche radiometrische Kräfte. Einen noch seltsameren Eindruck macht Lebedevs Arbeit, in der er den „Lichtdruck“ auf Gase untersuchte.“

Im selben Artikel beschreibt der Autor ausführlich die Compton- und Mössbauer-Effekte. Der Autor kommt zu dem Schluss, dass Röntgen- und γ-Quanten keinen Impuls übertragen und es daher keinen „Rückstoß“ gibt. Ich werde nicht mit dem Autor über das erste Postulat streiten, mit dem ich, wie sie sagen, nicht einverstanden bin; Was die zweite Botschaft betrifft, so basiert meine Plattform genau auf der Abwesenheit von Rückkehr, aber mit der unverzichtbaren Präsenz von Rückkehr.

Hier ist es angebracht, eine andere Quelle zu zitieren, in der der „Zusatz“ direkt angegeben ist (Seite: Enzyklopädie der Physik und Technik). Hier ein Auszug aus diesem Artikel: „Besondere Merkmale von D. s.“ (Lichtdruck) werden in verdünnten Atomsystemen während der resonanten Streuung intensiven Lichts nachgewiesen, wenn die Frequenz der Laserstrahlung gleich der Frequenz des Atomübergangs ist. Durch die Absorption eines Photons erhält das Atom einen Impuls in Richtung des Laserstrahls und geht in einen angeregten Zustand über. Darüber hinaus erhält das Atom durch die spontane Emission eines Photons einen Impuls (Lichtleistung) in eine beliebige Richtung. Bei der anschließenden Absorption und spontanen Emission von Photonen werden willkürlich gerichtete Lichtimpulse gegenseitig aufgehoben, und letztendlich erhält das resonante Atom einen entlang des Lichtstrahls gerichteten Impuls – resonante dynamische Photonen. (Zitat beenden).

Eine kurze Anmerkung zum leichten Druck auf Kometenschweife. Dieses Thema erfordert eine detailliertere Betrachtung; wie oben erwähnt, wird ein separater Artikel zu diesem Thema geschrieben. Nun möchte ich, nur für die Leser, die folgende Frage präzisieren. Manche Kometenschweife können sich über Hunderte Millionen Kilometer erstrecken. Frage: Warum geraten Kometenschweife in den Schatten des Kometenkopfes? Treibt sie leichter Druck dorthin? Aber in den Schatten gibt es nicht das gleiche Licht, und die Schwänze bewegen sich auf weiter entfernten Flugbahnen und überholen sie außerdem mit einer viel höheren Geschwindigkeit als ihre Köpfe. Wo sieht dann der Lichtdruck aus, wenn der Schweif am Kometenkern vorbeirast? Warum reagiert der leichte Druck harsch auf das zurückbleibende Heck, achtet aber nicht auf das überholende Heck? Was, ein weiteres Paradoxon?

Ich halte alle Versuche, den Lichtdruck mit der klassischen Mechanik zu erklären, für falsch. Daher ist es notwendig, dasselbe Experiment wie Lebedews durchzuführen, nur mit einem anderen Ziel.

Anti-Lichtdruck

Anziehungskraft des Lichts

In seinen Experimenten verwendete Lebedev einen Wasserfilter, um thermische Wellen abzuschneiden (Pos. 5, Abb. 1); er ging davon aus, dass es möglich sei, die thermische Komponente herauszufiltern.

In dieser Richtung möchte ich meine Gedanken hinzufügen; vielleicht werden mich zukünftige oder aktuelle Forscher korrigieren. Keine Filter helfen dabei, den thermischen Effekt im Verlauf dieses Experiments zu beseitigen. Wenn Sie den roten Bereich abschneiden, ist das Experiment nicht abgeschlossen. Andererseits erzeugt das gesamte Lichtspektrum, das auf eine Substanz oder dieselben „Lebedev-Flügel“ fällt, in ihnen seine eigene Wärme, so ist die Natur.

Und nun zum Thema und zur Aufgabe für zukünftige Nobelpreisträger: Ich schlage vor, das Design von Lebedews Flügeln leicht zu ändern. Sie müssen in die entgegengesetzte Richtung gehen – die Dicke des Ziels nicht verringern, sondern erhöhen und ein Sandwich herstellen. Auf der beleuchteten Seite befindet sich ein absolut schwarzes Ziel 1 und auf der Rückseite ein Wärmereflektor 2 (Abb. 2). In diesem Fall sollte der gegenteilige Effekt eintreten – der Flügel sollte sich trotz des „leichten Drucks“ in Richtung der Lichtströmung bewegen. Damit beweisen Sie den gegenteiligen Effekt des Lichtdrucks bzw. der Lichtanziehung. Und im Allgemeinen ist die Drehung der schwarzen Flügel entlang des Vektors des einfallenden Lichts (der Quelle) ein Beweis dafür, dass die Schwerkraft durch Wärme erzeugt wird.

Natürlich muss das Vakuum 100 Prozent betragen. Möglicherweise sollte die Lichtquelle in derselben Glühbirne wie der Empfänger untergebracht werden, nur die Glühbirne sollte ein großes Volumen haben.

Ich wünsche den Forschern viel Erfolg.

Was sind meine Annahmen, basierend darauf, dass sich das Ziel in Richtung der Quelle bewegen wird? In der Physik gibt es mehrere Analogien dieser Art. Zum Beispiel photoelektrischer Effekt, Röntgenstrahlen, γ-Strahlung. Beim photoelektrischen Effekt strömen von der Kathode emittierte Elektronen in Richtung UV-Strahlung. Bei der Bremsstrahlung der Röntgenstrahlung werden Photonen (Quanten) erzeugt, die ebenfalls entgegen dem Emitter emittieren. Sie alle sind Teilchen, Wellen, die Energieimpulse transportieren. Aber im Gegensatz zu einem Elektron sind Photonen masselose Teilchen und fliegen bei Zufuhr von äußerer Energie ohne Rückstoß aus, nehmen aber den Impuls der Substanz mit. Der Stoff erhält den Impuls der Addition – „“. Das Ziel muss sich in Richtung der Quelle bewegen.

Dem oben Gesagten möchte ich hinzufügen, dass einst der Astrophysiker N.A. Kozyrev verwendete für Experimente mehrarmige Torsionswaagen (ich werde darauf im Artikel „Quantengravitation“ eingehen). Dieses Gerät war also hitze- und kälteempfindlich. Einige dieser Experimente konnte ich wiederholen; der Effekt ist tatsächlich vorhanden.

Ich möchte Schulkinder darauf aufmerksam machen – im Video dreht sich der Spinner aufgrund der Aktion nicht Gerät, Messungen auf ihren Flügeln, aber nach dem Willen des Programmierers. Im Experiment von P. Lebedev drehte sich nichts, sondern drehte sich nur ein wenig. Aber welche Kraft drehte die Flügel? Darüber habe ich bereits gesprochen.

Ich schlage vor, 0,01 % des LHC-Budgets abzuschneiden, dann wird es etwa 1 Million US-Dollar sein. Ich denke, Lebedews Experiment wird ausreichen, um es zu wiederholen.

Oh! Wissenschaftliche Gemeinschaft! Endlich muss der Frage ein Ende gesetzt werden: Drückt das Licht auf uns oder nicht, sonst kann jeder Mensch bis zum Ende seines Lebens nicht herausfinden, ob er übergewichtig geworden ist, als er aus dem Schatten in die Sonne kam?

>> Leichter Druck

§ 91 LEICHTER DRUCK

Basierend auf der elektromagnetischen Theorie des Lichts sagte Maxwell voraus, dass Licht Druck auf Hindernisse ausüben sollte.

Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes einer auf die Oberfläche eines Körpers, beispielsweise eines Metalls, einfallenden Welle bewegt sich ein freies Elektron entgegen dem Vektor (Abb. 11.7). Auf ein bewegtes Elektron wirkt eine Lorentzkraft, die in Richtung der Wellenausbreitung gerichtet ist. Die Gesamtkraft, die auf die Elektronen der Metalloberfläche wirkt, bestimmt die Lichtdruckkraft.

Um die Gültigkeit von Maxwells Theorie zu beweisen, war es wichtig, den Lichtdruck zu messen. Viele Wissenschaftler haben dies versucht, jedoch ohne Erfolg, da der Lichtdruck sehr gering ist. An einem hellen, sonnigen Tag wirkt auf eine Oberfläche mit einer Fläche von 1 m 2 eine Kraft von nur 4 · 10 -6 N. Der Lichtdruck wurde erstmals 1900 vom russischen Physiker Pjotr Nikolajewitsch Lebedew gemessen.

Lebedew Petr Nikolajewitsch (1866-1912)- Russischer Physiker, der als erster den Lichtdruck auf Festkörper und Gase maß. Diese Arbeiten bestätigten quantitativ Maxwells Theorie. Um neue experimentelle Beweise für die elektromagnetische Theorie des Lichts zu finden, erhielt er elektromagnetische Wellen im Millimeterwellenlängenbereich und untersuchte alle ihre Eigenschaften. Er gründete die erste Sportschule in Russland. Viele herausragende sowjetische Wissenschaftler waren seine Schüler. Das Physikinstitut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (FIAN) trägt den Namen Lebedew.

Lebedews Gerät bestand aus einem sehr leichten Stab an einem dünnen Glasfaden, an dessen Rändern jedoch leichte Flügel angeklebt waren (Abb. 11.8). Das gesamte Gerät wurde in ein Gefäß gestellt, aus dem die Luft abgepumpt wurde. Das Licht fiel auf die Flügel, die sich auf einer Seite der Stange befanden. Der Druckwert konnte anhand des Drehwinkels des Fadens beurteilt werden. Schwierigkeiten bei der genauen Messung des Lichtdrucks waren mit der Unfähigkeit verbunden, die gesamte Luft aus dem Gefäß abzupumpen (die Bewegung von Luftmolekülen, die durch ungleiche Erwärmung der Flügel und Wände des Gefäßes verursacht wird, führt zu zusätzlichen Drehmomenten). Darüber hinaus wird die Drehung des Fadens durch eine ungleichmäßige Erwärmung der Flügelseiten beeinträchtigt (die der Lichtquelle zugewandte Seite erwärmt sich stärker als die gegenüberliegende Seite). Von der heißeren Seite reflektierte Moleküle übertragen mehr Impuls auf das Winglet als Moleküle, die von der weniger erhitzten Seite reflektiert werden.

All diese Schwierigkeiten konnte Lebedew trotz des damals geringen Niveaus der experimentellen Technologie überwinden, indem er ein sehr großes Schiff und sehr dünne Flügel verwendete. Schließlich wurde die Existenz eines leichten Drucks auf Festkörper nachgewiesen und gemessen. Der erhaltene Wert stimmte mit dem von Maxwell vorhergesagten überein. Anschließend gelang es Lebedev nach dreijähriger Arbeit, ein noch subtileres Experiment durchzuführen: den Lichtdruck auf Gase zu messen.

Die Entstehung der Quantentheorie des Lichts ermöglichte eine einfachere Erklärung der Ursache des Lichtdrucks. Photonen haben wie Materieteilchen mit Ruhemasse einen Impuls. Wenn sie vom Körper aufgenommen werden, übertragen sie ihre Impulse auf ihn. Nach dem Impulserhaltungssatz ist der Impuls des Körpers gleich dem Impuls der absorbierten Photonen. Daher kommt ein ruhender Körper in Bewegung. Eine Änderung des Impulses eines Körpers bedeutet nach dem zweiten Newtonschen Gesetz, dass eine Kraft auf den Körper einwirkt.

Lebedevs Experimente können als experimenteller Beweis dafür angesehen werden, dass Photonen einen Impuls haben.

Obwohl der Lichtdruck unter normalen Bedingungen sehr gering ist, kann seine Wirkung dennoch erheblich sein. Im Inneren von Sternen dürfte der Druck elektromagnetischer Strahlung bei Temperaturen von mehreren zehn Millionen Kelvin enorme Werte erreichen. Leichte Druckkräfte spielen neben Gravitationskräften eine bedeutende Rolle bei Sternprozessen.

Nach Maxwells Elektrodynamik entsteht der Lichtdruck durch die Einwirkung der Lorentzkraft auf die Elektronen des Mediums, die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Welle schwingen. Aus quantentheoretischer Sicht entsteht Druck durch die Übertragung von Photonenimpulsen auf den Körper, wenn diese absorbiert werden.

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Durch den Druck des Lichts ist der Druck, der durch elektromagnetische Lichtwellen entsteht, die auf die Oberfläche eines Körpers einfallen. Die Existenz von Druck wurde von J. Maxwell in seiner elektromagnetischen Lichttheorie vorhergesagt.

Fällt beispielsweise eine elektromagnetische Welle auf ein Metall (Abb. 19.9), so werden unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes einer Welle mit der Intensität \(\vec E\) die Elektronen der Oberflächenschicht des Metalls zerstört bewegen sich in entgegengesetzter Richtung zum Vektor \(\vec E,\) mit der Geschwindigkeit \(\vec \upsilon = const.\) Das Magnetfeld einer Welle mit Induktion \(~B\) wirkt auf sich bewegende Elektronen mit der Lorentz-Bewegung Gewalt F L in einer Richtung senkrecht zur Metalloberfläche (gemäß der Linke-Hand-Regel). Druck P, Die von einer Welle auf die Oberfläche eines Metalls ausgeübte Kraft kann als Verhältnis der resultierenden Lorentzkräfte, die auf freie Elektronen in der Oberflächenschicht des Metalls wirken, zur Oberfläche des Metalls berechnet werden:

\(p = \dfrac( \sum_(n=1)^n \vec F_(iL) )(S).\)

Basierend auf der elektromagnetischen Theorie erhielt Maxwell eine Formel für den Lichtdruck. Mit seiner Hilfe berechnete er den Druck des Sonnenlichts am hellen Mittag auf einen völlig schwarzen Körper, der senkrecht zu den Sonnenstrahlen steht. Es stellte sich heraus, dass dieser Druck 4,6 μPa betrug:

\(~p = (1 + \rho)\dfrac(J)(c).\)

Wo J- Lichtintensität, \(~\rho\) - Lichtreflexionskoeffizient (siehe § 16.3), Mit- Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Für Spiegelflächen \(~\rho = 1,\) mit vollständiger Absorption (für einen absolut schwarzen Körper) \(~\rho = 0\)

Aus quantentheoretischer Sicht ist Druck eine Folge der Tatsache, dass das Photon den Impuls \(p_f = \dfrac(h \nu)(c).\) hat. Lassen Sie Licht senkrecht zur Oberfläche des Körpers und nach innen fallen 1 s N fällt auf 1 m 2 der Oberflächenphotonen. Ein Teil von ihnen wird von der Oberfläche des Körpers absorbiert (inelastischer Stoß), und jedes der absorbierten Photonen überträgt seinen Impuls auf diese Oberfläche \(p_f = \dfrac(h \nu)(c).\) Ein Teil der Photonen reflektiert wird (elastischer Stoß). Das reflektierte Photon fliegt in die entgegengesetzte Richtung von der Oberfläche weg. Der vom reflektierten Photon auf die Oberfläche übertragene Gesamtimpuls ist gleich

\(\Delta p_f = p_f - (-p_f) = 2p_f = 2\dfrac(h \nu)(c).\)

Der Lichtdruck auf der Oberfläche ist gleich dem Impuls, der in 1 s von allen N Photonen übertragen wird, die auf 1 m 2 der Körperoberfläche einfallen (\(F\Delta t=\Delta p \Rightarrow F=\ frac(\Delta p)(\Delta t ); p = \frac(F)(S)=\frac(\Delta p)(S\Delta t)\)). Wenn \(~\rho\) der Koeffizient der Lichtreflexion von einer beliebigen Oberfläche ist, \(k\) die Lichtdurchlässigkeit, dann ist \(~\rho \cdot N\) die Anzahl der reflektierten Photonen und \ (~(1 - k - \rho)N\) – Anzahl der absorbierten Photonen. Daher der leichte Druck

\(p = 2 \rho N \dfrac(h \nu)(c)+(1-k-\rho)N\dfrac(h \nu)(c) = (1 - k + \rho) N \dfrac (h\nu)(c).\)

Das Produkt stellt die Energie aller Photonen dar, die in 1 s auf 1 m 2 Oberfläche einfallen. Dies ist die Lichtintensität (Oberflächenflussdichte des einfallenden Lichts):

\(Nh\nu = \dfrac(W)(S \cdot t) = I.\)

Somit ist der Lichtdruck \(p = (1 - k + \rho)\dfrac(I)(c).\)

Der von Maxwell vorhergesagte Lichtdruck wurde experimentell vom russischen Physiker P. N. Lebedev entdeckt und gemessen. Im Jahr 1900 maß er den Lichtdruck auf Festkörper und in den Jahren 1907–1910. - leichter Druck auf Gase.

Das von Lebedev entwickelte Gerät zur Messung des Lichtdrucks war ein sehr empfindliches Torsionsdynamometer (Torsionswaage). Sein beweglicher Teil war ein leichter Rahmen, der an einem dünnen Steinbruchfaden aufgehängt war und an dem Flügel befestigt waren – leichte und schwarze Scheiben mit einer Dicke von bis zu 0,01 mm. Die Flügel wurden aus Metallfolie hergestellt (Abb. 19.10). Der Rahmen war in einem Gefäß aufgehängt, aus dem die Luft abgepumpt wurde.

Das auf die Flügel fallende Licht übte unterschiedliche Drücke auf die helle und die schwarze Scheibe aus. Dadurch wirkte ein Drehmoment auf den Rahmen, das das Aufhängungsgewinde verdrehte. Zur Bestimmung des Lichtdrucks wurde der Drehwinkel des Fadens herangezogen.

Schwierigkeiten bei der Messung des Lichtdrucks wurden durch seinen extrem geringen Wert und das Vorhandensein von Phänomenen verursacht, die die Genauigkeit der Messungen stark beeinflussen. Dazu gehörte die Unfähigkeit, die Luft vollständig aus dem Gefäß abzupumpen, was zum Auftreten des sogenannten radiometrischer Effekt.

Der Kern dieses Phänomens ist wie folgt. Die der Lichtquelle zugewandte Seite der Flügel erwärmt sich stärker als die gegenüberliegende Seite. Daher übertragen Luftmoleküle, die von der heißeren Seite reflektiert werden, mehr Impuls auf das Winglet als Moleküle, die von der weniger erhitzten Seite reflektiert werden. Dadurch entsteht zusätzliches Drehmoment.

Ein Diagramm von Lebedevs Installation zur Messung des Lichtdrucks auf Gase ist in Abbildung 19.11 dargestellt. Licht dringt durch eine Glaswand A, Wirkt auf Gas, das in einem zylindrischen Kanal eingeschlossen ist IN. Unter Lichtdruck strömt Gas aus Kanal B in den damit kommunizierenden Kanal MIT. Im Kanal MIT Es gibt einen leicht beweglichen Kolben D, Aufgehängt an einem dünnen elastischen Faden E, senkrecht zur Zeichenebene. Der Lichtdruck wurde anhand des Drehwinkels des Fadens berechnet.

- Druck, den Licht auf reflektierende und absorbierende Körper, Partikel sowie einzelne Moleküle und Atome ausübt; einer von Ponderomotive Wirkung des Lichts im Zusammenhang mit der Übertragung elektromagnetischer Feldimpuls Substanz. Zunächst wurde die Hypothese über die Existenz von Lichtdruck aufgestellt I. Kepler (J.Kepler) im 17. Jahrhundert. um die Abweichung zu erklären Kometenschweife von der Sonne. Die Theorie des Lichtdrucks im Rahmen der klassischen Elektrodynamik wird gegeben J. Maxwell (J. Maxwell) im Jahr 1873. Darin steht der Lichtdruck in engem Zusammenhang mit Streuung und Absorption elektromagnetische Welle Teilchen der Materie. Innerhalb Quantentheorie Lichtdruck ist das Ergebnis einer Impulsübertragung Photonen zum Körper.

Im Jahr 1873 sagte Maxwell basierend auf Ideen über die elektromagnetische Natur des Lichts voraus, dass Licht Druck auf Hindernisse ausüben sollte. Dieser Druck wird durch die Kräfte verursacht, die von den elektrischen und magnetischen Komponenten des elektromagnetischen Feldes der Welle auf die Ladungen im beleuchteten Körper wirken.

Lassen Sie das Licht auf eine leitende (Metall-)Platte fallen. Die elektrische Komponente des Wellenfeldes wirkt mit einer Kraft auf freie Elektronen

F el =q E,

wobei q die Elektronenladung ist. E ist die elektrische Feldstärke der Welle.

Die Elektronen beginnen sich mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen V(Abb.1) Da die Richtung E in der Welle ändert sich periodisch in die entgegengesetzte Richtung, dann ändern die Elektronen periodisch die Richtung ihrer Bewegung in die entgegengesetzte Richtung, d.h. führen erzwungene Schwingungen entlang der Richtung des elektrischen Feldes der Welle aus.

Abbildung 1 – Elektronenbewegung

Magnetische Komponente IN Das elektromagnetische Feld einer Lichtwelle wirkt mit der Lorentzkraft

F l = q V B,

Deren Richtung stimmt nach der Linke-Hand-Regel mit der Ausbreitungsrichtung des Lichts überein. Wenn Wegbeschreibung E Und B ins Gegenteil ändern, dann ändert sich auch die Richtung der Elektronengeschwindigkeit, die Richtung der Lorentzkraft bleibt jedoch unverändert. Die Resultierende der Lorentzkräfte, die auf freie Elektronen in der Oberflächenschicht einer Substanz wirken, ist die Kraft, mit der Licht auf die Oberfläche drückt.

Abbildung 2

1- Spiegelflügel; 2- geschwärzter Flügel; 3-Spiegel; 4-Skala zur Messung des Drehwinkels; 5 Glasfaden

Anhand dessen lässt sich auch leichter Druck erklären Quantum Ideen zum Thema Licht. Wie oben erwähnt, haben Photonen einen Impuls. Wenn Photonen mit Materie kollidieren, werden einige der Photonen reflektiert und andere absorbiert. Beide Prozesse gehen mit der Impulsübertragung von Photonen auf die beleuchtete Oberfläche einher. Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz führt eine Änderung des Impulses eines Körpers dazu, dass die Kraft eines leichten Drucks auf den Körper einwirkt F geben. Das Verhältnis des Moduls dieser Kraft zur Körperoberfläche ist gleich dem Lichtdruck auf die Oberfläche: P = F Druck /S.

Die Existenz von Lichtdruck wurde von Lebedew experimentell bestätigt. Das von Lebedev entwickelte Gerät war eine sehr empfindliche Torsionswaage. Der bewegliche Teil der Waage war ein heller Rahmen mit hellen und dunklen Flügeln von 0,01 mm Dicke, der an einem dünnen Quarzfaden aufgehängt war. Das Licht übte unterschiedlichen Druck auf die hellen (reflektierenden) und dunklen (absorbierenden) Flügel aus. Dadurch wirkte ein Drehmoment auf den Rahmen, das das Aufhängungsgewinde verdrehte. Zur Bestimmung des Lichtdrucks wurde der Drehwinkel des Fadens herangezogen.

Die Höhe des Drucks hängt von der Lichtintensität ab. Mit zunehmender Intensität nimmt die Anzahl der Photonen zu, die mit der Körperoberfläche interagieren, und damit auch der von der Oberfläche aufgenommene Impuls.
Leistungsstarke Laserstrahlen erzeugen einen Druck, der über dem Atmosphärendruck liegt.

Bei normalem Lichteinfall auf die Oberfläche eines Festkörpers wird der Lichtdruck durch die Formel bestimmt P = S(1 — R)/C, Wo S — Energieflussdichte (Lichtintensität), R— Reflexionskoeffizient Licht von der Oberfläche.

Der Lichtdruck auf Festkörper wurde erstmals experimentell untersucht P. N. Lebedew im Jahr 1899. Die Hauptschwierigkeiten beim experimentellen Nachweis des Lichtdrucks bestanden darin, ihn vom Hintergrund zu isolieren radiometrische und konvektive Kräfte , dessen Größe vom Druck des den Körper umgebenden Gases und bei unzureichendem Druck abhängt Vakuum kann den Lichtdruck um mehrere Größenordnungen übertreffen. IN Lebedews Experimente In einem evakuierten (mm Hg) Glasgefäß waren Kipphebel an einem dünnen Silberfaden aufgehängt Torsionsskalen mit daran befestigten dünnen Scheibenflügeln, die bestrahlt wurden. Die Flügel bestanden aus verschiedenen Metallen und Glimmer mit identischen gegenüberliegenden Flächen. Durch die sequentielle Bestrahlung der Vorder- und Rückseite von Flügeln unterschiedlicher Dicke gelang es Lebedev, die Restwirkung radiometrischer Kräfte zu neutralisieren und eine zufriedenstellende (mit Fehler) Übereinstimmung mit Maxwells Theorie zu erreichen. In den Jahren 1907–1910 führte Lebedew zu Studienzwecken noch subtilere Experimente durch leichter Druck auf Gase und fand auch eine gute Übereinstimmung mit der Theorie.

Lichtdruck spielt bei astronomischen und atomaren Phänomenen eine große Rolle. In der Astrophysik sorgt der Lichtdruck zusammen mit dem Gasdruck durch Gegenwirkung für die Stabilität von Sternen Gravitationskräfte . Die Wirkung von Lichtdruck erklärt einige Formen von Kometenschweifen. Zu den atomaren Effekten zählen die sogenannten. die Lichtleistung, die ein angeregtes Atom bei der Emission eines Photons erfährt.

In kondensierten Medien leichter Druck kann dazu führen Trägerstrom (siehe Photoelektrischer Effekt).

Spezifische Merkmale des Lichtdrucks finden sich in verdünnten Atomsystemen, wenn resonante Streuung intensives Licht, wenn die Frequenz der Laserstrahlung gleich der Frequenz ist Atomübergang . Durch die Absorption eines Photons erhält das Atom einen Impuls in Richtung des Laserstrahls und geht hinein aufgeregter Zustand . Als nächstes emittiert das Atom spontan ein Photon und erhält Impuls ( Lichtausbeute) in jede Richtung. Mit späteren Akquisitionen und spontane Emissionen Photonen, willkürlich gerichtete Lichtimpulse heben sich gegenseitig auf und schließlich erhält das resonante Atom einen entlang des Lichtstrahls gerichteten Impuls resonanter Lichtdruck . Stärke F Der Resonanzdruck von Licht auf ein Atom ist definiert als der Impuls, der von einem Photonenfluss mit einer bestimmten Dichte übertragen wird N pro Zeiteinheit: , wobei – Impuls eines Photons, - Absorptionsquerschnitt resonantes Photon, - Wellenlänge des Lichts . Bei relativ geringen Strahlungsdichten ist der Resonanzdruck des Lichts direkt proportional zur Lichtintensität. Bei hohen Dichten N wegen final() Während der Lebensdauer des angeregten Niveaus ist die Absorption gesättigt und Sättigung des Resonanzdrucks von Licht (siehe. Sättigungseffekt ). In diesem Fall wird Lichtdruck durch Photonen erzeugt, die spontan von Atomen mit einer durchschnittlichen Frequenz (umgekehrt zur Lebensdauer des angeregten Atoms) in einer zufällig bestimmten Richtung emittiert werden Atomemissionsdiagramm . Die Stärke des Lichtdrucks hängt nicht mehr von der Intensität ab, sondern wird durch die Geschwindigkeit spontaner Emissionsvorgänge bestimmt: . Für typische Werte von c -1 und μm beträgt die Lichtdruckkraft eV/cm; Bei Sättigung kann der Resonanzdruck des Lichts eine Beschleunigung von Atomen um bis zu 10 5 bewirken
G (G — Beschleunigung der Schwerkraft ). Derart große Kräfte ermöglichen eine selektive Steuerung Atomstrahlen , die die Frequenz des Lichts variieren und Gruppen von Atomen unterschiedlich beeinflussen, die sich in den Frequenzen der Resonanzabsorption kaum unterscheiden. Insbesondere ist eine Komprimierung möglich Maxwellsche Verteilung durch Geschwindigkeit, wodurch Hochgeschwindigkeitsatome aus dem Strahl entfernt werden. Laserlicht wird auf den Atomstrahl gerichtet, wobei Frequenz und Form des Strahlungsspektrums so gewählt werden, dass die schnellsten Atome aufgrund ihres größeren Lichtdrucks die stärkste Bremswirkung erfahren Doppler-Verschiebung Resonanzfrequenz. Eine weitere mögliche Anwendung des Resonanzdrucks von Licht ist die Trennung von Gasen: Bei der Bestrahlung eines Zweikammergefäßes, das mit einer Mischung aus zwei Gasen gefüllt ist, von denen eines in Resonanz mit der Strahlung steht, werden die resonanten Atome unter dem Einfluss des Lichtdrucks zerstört Gehe in die hintere Kammer.

Der Resonanzdruck von Licht auf Atome, die sich in einem intensiven Feld befinden, weist besondere Merkmale auf. stehende Welle . Aus quantentechnischer Sicht verursacht eine stehende Welle, die durch Gegenströme von Photonen gebildet wird, aufgrund der Absorption von Photonen und ihrer stimulierten Emission Stöße im Atom. Die auf das Atom wirkende durchschnittliche Kraft ist aufgrund der Inhomogenität des Feldes bei der Wellenlänge nicht Null. Aus klassischer Sicht beruht die Kraft des Lichtdrucks auf der Einwirkung eines räumlich inhomogenen Feldes auf das Induzierte Atomdipol . Diese Kraft ist an den Knotenpunkten minimal Dipolmoment wird nicht induziert, und an Schwingungsbäuchen, wo der Feldgradient Null wird. Die maximale Kraft des Lichtdrucks ist größenordnungsmäßig gleich (die Vorzeichen beziehen sich auf die gleichphasige und gegenphasige Bewegung von Dipolen mit einem Moment). D im Verhältnis zum Feld mit Intensität E). Diese Kraft kann gigantische Werte erreichen: Für Debye, µm und V/cm beträgt die Kraft eV/cm.

Das Feld einer stehenden Welle schichtet einen Atomstrahl, der einen Lichtstrahl durchquert, da sich die gegenphasig schwingenden Dipole wie die Atome im Stern-Gerlach-Experiment auf unterschiedlichen Flugbahnen bewegen. Bei Laserstrahlen sind Atome, die sich entlang des Strahls bewegen, einer radialen Lichtdruckkraft ausgesetzt, die durch die radiale Inhomogenität der Lichtfelddichte verursacht wird.

Sowohl im Stehen als auch im Stehen Wanderwelle Es findet nicht nur die deterministische Bewegung der Atome statt, sondern auch deren Diffusion im Phasenraum aufgrund der Tatsache, dass die Absorption und Emission von Photonen reine Quantenzufallsprozesse sind. Räumlicher Diffusionskoeffizient für ein Atom mit Masse M in einer Wanderwelle ist gleich .