Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 146

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 146)

Идея, согласно которой свет должен давить на освещаемые им тела, была высказана еще Кеплером, который видел в ней объяснение формы кометных хвостов. Идея о световом давлении подсказывалась пьютоновой теорией истечения: световыс частицы, ударяясь об отражающие или поглощающие их тела, должны были бы передавать им часть своего импульса, т.е. производить давление. Теория и эксперимент в этом вопросе пережили длинную историю.

В экспериментальном отношении имелись и совсем наивные попытки, и попытки серьезного характера, вроде тех, которые привели Крукса к открытию особого вида явлений (радиометрическит), связанных с кинетикой разреженных газов. Франклин рассматривал неуда.1и всех известных к его времени попыток обнаружить давление света как один из аргументов против корпускулярной теории света. Впоследствии Юпг также прибегал к этому аргументу, хотя пи Франклин, ни Юнг не имели возможности указать минимальную величину предполагаемого давления, поскольку относительно массы световых частиц нельзя было высказать никакого суждения и, следовательно, нельзя было судить, достаточна ли чувствительность крутильных весов, применявшихся для этих опытов.

Возражения Франклина, имевшие принципиальное значение, поскольку волновая теория света развивалась как теория упрутая, потеряли свою силу в качестве аргумента против корпускулярных представлений, когда Максвелл вывел необходимость светового давления с точки зрения электромагнитной волновой теории и даже вычислил его величину. Так как свет есть электромагнитная поперечная волна,то,падая на поверхность проводника ~зеркального или поглощающего тела), он должсп проиэводить Слсдующие дейетвия: Электричеекий вектор, лсжащий в плоскости освещенной поверхности, вызывает ток в направлении этого вектора; магнитное поле световой волны действует на возникший ток по закону Ампера так, что направление действующей силы совпадает с направлением распространения света.

Таким образом, пондеромоторное взаимодействие между светом и отражающим или поглощающим его телом приводит к возникновению давления на тело. Сила давления зависит от интенсивности света. Для случая, когда световые лучи образуют параллельный пучок, давление р по вычислению Максвелла равняется плотности световой энергии и, т.е. энергии в единице объема. При этом предполагается, что тело, на которое па- ДЕЙСТВИЯ СВЕТА 602 дает свет, абсолютно черное, т.е. сполна поглощает всю падающую на него световую энергию, Если же коэффициент отражения тела не равен нулю, а имеет значение Л, то давление р = и(1+ Л), так что для идеального зеркала (Л = 1) имеем р = 2и.

Если количество энергии, падающей нормально на 1 см2 за 1 с (освещенность), обозначить через Е, то плотность лучистой энергии будет равна Е/с, где с — скорость света. Таким образом, световое давление можно представить в виде (185.1) Для силы, с которой солнечные лучи в яркий день давят на 1 мв черной поверхности, Максвелл получил величину 0,4 мГ. Если свет падает на стенку по всем направлениям внутри полости, то при плотности излучения и давление на черную поверхность будет р = и/3.

Световое давление было обнаружено на опыте и впервые измерено П.Н. Лебедевым в Москве ') при помощи опытов, представлявших для своего времени образец экспериментального искусства,. Прибор Лебедева состоял из легкого подвеса на тонкой нити, по краям которого были прикреплены тонкие и легкие крылышки, одно из которых было зачернено, а другое оставлено блестящим. Подвес Л помещался в откачанном сосуде С (рис. 34.1), образуя весьма чувствительные крутильные весы. Свет от дуговой лампы В концентрировался при помощи системы линз и зеркал на одном из крылыРис. 34.1. Схема опытов П.Н.

Ле- шек и вызывал закручивание подбедева по измерению давления веса В, которое наблюдалось при света помощи трубы и зеркальца, прикрепленного к нити (не показанных на рисунке). Передвигая двойное зеркало з1,з4, можно было направлять свет от дуги В на переднюю или на заднюю поверхность крылышка и таким образом менять направление закручивания. Пластинка Р1 позволяла направлять определенную часть пучка на термоэлемент Т, который служил для измерения величины падающей энергии. Опыты были проведены с подвесами различной формы (рис. 34.2).

') Предварительное сообщение о своих работах П.Н. Лебедев сделал в 1899 г. на с ьезде в Швейцарии, подробный доклад — на конгрессе в Париже в 1900 г. (см. П.Н, Л е б е д е в. Избранные сочинения.— М.: Гостехиздат, 1949, с. 154, 155). ГЛ. ХХХ1У. ДАВЛЕШ1Н СВЕТА 603 1'-1авной трудностью в опытах Лебедева является действие конвекционных потоков газа и наличие радиометрического действия. Эти помехи могут быть в сотни тысяч раз больше светового давления. Рис. 34.2.

Различные системы крепления крылышек в приборе П.Н. Лебедева Конвекционные потоки закручивают подвес при несколько наклонном положении крылышка. Так как действие это не зависит от направления падающего светового потока, то Лебедев изучал и исключал его с помощью изменения направления освещения (подвижное зеркало Я1 Я4). Радиометрические действия возникают в разреженном газе вследствие разности температур освещенной и неосвещенной сторон крылышка.

Молекулы газа, остающиеся в баллоне, отражаются от более теплой стороны с большей скоростью,и вследствие отдачи крылышки стремятся повернуться в том же направлении,что и под действием светового давления. Радиометрическое действие уменьшается, если применять очень тонкие металлические крылышки для уменьшения разности температур и увеличить разрежение газа в баллоне. Когда свет направлен на блестящее крылышко, то световое давление должно быть приблизительно в два раза больше, чем при воздействии света на зачерненное крылышко.

Наоборот, радиометрическое действие больше при освещении черного крылышка, ибо при зтом больше нагревание последнего. В опыте Лебедева действительно наблюдалось примерно вдвое большее действие на зеркальное крылышко, чем на черное, что доказывает практическое исключение радиометрического действия.

Измерения Лебедева дали величину, согласующуюся с теорией Максвелла (с точностью до 20%). Много лет спустя (1923 г.) Герлах повторил опыты Лебедева, пользуясь современными более совер- действия сВетА б04 шенными методами получения вакуума. Благодаря этому не только значительно облегчилось выполнение опытов, но и удалось получить лучшее (до 2%) совпадение с теоретическими величинами. Лебедев экспериментально решил также и другую несравненно более трудную задачу, обнаружив и измерив давление света на газы (1909 г.) '). я 186.

Давление света в рамках теории фотонов В рамках фотонной теории световое давление следует интерпретировать как результат передачи импульса фотонов поглощающей или отражающей стенке. Поток монохроматического света частоты и, падающий нормально на стенку и приносящий за 1 с на 1 см энергию, равную Е, содержит Х фотонов, где Х определяется из условия ~тЬ Е т.е. Х = Е/Ьг . Так как каждый фотон обладает импульсом Ьи/с, то он сообщает поглощающей стенке импульс Ьи/с, а, отражающей стенке импульс 2Ьи/с (ибо при отражении импульс фотона изменяется от +Ьи/с до — Ьи/с, т.е. на. 2Ьи/с).

Итак, импульс, сообщаемый 1 см2 абсолютно поглощающей стенки за 1 с, равен ХЬи Е с с Но импульс, сообщаемый 1 см'-' поверхности за 1 с, и есть давление на эту поверхность. Итак, давление на поглощающую стенку равно р = Е/с, а на полностью отражалощую р = 2Е/с. В общем случае, когда коэффициент отражения равен В, из полного числа Х фотонов, падающих за 1 с, поглощается (1 †.Й)Х и отражается ЛХ фотонов. Сообщаемый ими единице поверхности импульс равен (1 Д)У ~ +Р~т.2 ~ ~„тЬ"' (1+Д) (1+Д) в согласии с формулой Максвелла. Как бы ни было истолковано явление светового давления в рамках корпускулярной или волновой теорий. сам факт его экспериментально установленного существования имеет большое зна |ение.

Этот факт доказывает наличие у света не только энергии, но и импульса, с несомненностью свидетельствуя о материальности света, о том, что свет наряду с веществом является одной из форм материи. й 187. Роль светового давления в некоторых космических явлениях Как уже упоминалось, световое давление позволило объяснить ряд явлений, происходящих во Вселенной. ') Хоротпий обзор работ П.Н. Лебедева по световому давлению составлен В.А.

Фабрикантом (УФН. 1950. Т. 42, вып. 2). 1 Л ХХХУ ХИМИЧЕСКИЕ ДЕЙСТВИЯ СВЕТА 6О5 Образование кометных хвостов, развивающихся по мере приближения кометы к Солнцу и располагающихся в направлении от Солнца, заставило еще Кеплера высказать предположение, что кометные хвосты представляют собой поток частиц, отбрасываемых действием давления света прочь от Солнца, когда комета подходит к нему достаточно близко. Расчеты и особенно экспериментальные исследования Лебедева подкрепили такое предположение. По этим данным можно оценить, что частицы достаточно малых размеров будут испытывать более сильное отталкивание вследствие излучения Солнца, чем притяжение массой Солнца, ибо с уменьшением радиуса частицы притяжение уменьшается пропорционально кубу радиуса (массе), а отталкивание падает как квадрат радиуса (поверхность).

Для частиц подходящего размера преобладание отталкивания над притяжением (или наоборот) будет иметь место на любом расстоянии от Солнца, ибо как плотность излучения, так и гравитационное действие одинаково изменяются с расстоянием (1/г-"). То обстоятельство, что кометные хвосты начинают развиваться только вблизи Солнца, можно было бы объяснить тем, что лишь вблизи Солнца образуются в результате испарения частицы достаточно мальгх размеров.

Впрочем, в последнее время выяснилось, что образование кометных хвостов представляет весьма сложный процесс, и световое давление, по-видимому, не объясняет всего разнообразия явлений. Сравнительно недавно было показано, что световое давление играет важную роль в вопросе о предельном размере звезд. Из астрономических данных известно, что звезды, массы которых превосходят известный максимум, не наблюдаются. Э,чдингтон обратил внимание на то, что увеличению размеров звезды должно препятствовать следующее обстоятельство. С увеличением массы звезды и ростом тяготения ее наружных слоев к центру повышается работа сжатия внутренних слоев звезды и растет соответственно температура этих слоев, достигая миллионов градусов. Однако повышение температуры означает повышение плотности лучистой энергии внутри звезды, а следовательно, и величины светового давления.

Характеристики

Список файлов книги