В.А. Алекшевич - Оптика (1120564), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Íà ðèñ. 2.1Ðèñ. 2.2öâ. âêë. ïîêàçàíà îäíà èç òàêèõ êîìåò.Òåîðèÿ ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ áûëà ïîñòðîåíà Äæ. Ìàêñâåëëîì (1873). Ïî ýòîéòåîðèè ñâåòîâîå äàâëåíèå ýòî ðåçóëüòàò äåéñòâèÿ ïîíäåðîìîòîðíûõ ñèëñî ñòîðîíû ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ íà äâèæóùèåñÿ çàðÿäû â ìàòåðèàëüíîìòåëå.Äëÿ ðàñ÷åòà ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ ðàññìîòðèì íîðìàëüíîå ïàäåíèå ëèíåéíîïîëÿðèçîâàííîé ïëîñêîé âîëíû íà ïîâåðõíîñòü òâåðäîãî òåëà (ðèñ. 2.2).Ïðè âîçäåéñòâèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ íà ÷àñòèöó ñ çàðÿäîì q, âõîäÿùóþâ ñîñòàâ àòîìà, îíà ïðèîáðåòåò ñêîðîñòü Lxex. Ìàãíèòíîå ïîëå, âîçäåéñòâóÿ íàäâèæóùóþñÿ ÷àñòèöó, íà÷íåò åå «çàòàëêèâàòü» âíóòðü òåëà.
Ó ÷àñòèöû ïîÿâèòñÿè âòîðàÿ êîìïîíåíòà ñêîðîñòè Lzez. ×åðåç ïîëïåðèîäà èçìåíÿòñÿ íàïðàâëåíèÿâåêòîðîâ E, H è Lxex íà ïðîòèâîïîëîæíûå, íî ìàãíèòíîå ïîëå ïî-ïðåæíåìóáóäåò «çàòàëêèâàòü» ÷àñòèöó âäîëü îñè Oz âíóòðü òåëà. Ýòî è ÿâëÿåòñÿ ïðè÷èíîéñâåòîâîãî äàâëåíèÿ.Ïîäñ÷èòàåì ñðåäíþþ çà ïåðèîä ñèëó, ñèëó Ëîðåíöà, äåéñòâóþùóþ íà ýòîòçàðÿä. Ìãíîâåííîå çíà÷åíèå ñèëû ðàâíîf = qE + q v ´ B = qE x e x + q (L x e x + L y e y + L z e z ) ´ B y e y .(2.25)Âû÷èñëÿÿ âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå è óñðåäíÿÿ çíà÷åíèå ñèëû ïî âðåìåíè,ïîëó÷àåìáf ñ =t1f (t ) dt = qáE x ñe x - qáL z B y ñe x + qáL x B y ñe z .t ò0(2.26)Î÷åâèäíî, ÷òî áE x ñ = 0.
Ìîæíî òàêæå ïîëîæèòü áL z B y ñ » L z áB y ñ = 0, ïîñêîëüêó çà ïåðèîä êîëåáàíèé ñêîðîñòü Lz, íàïðàâëåííàÿ âñåãäà âäîëü ïîëîæèòåëüíîãî íàïðàâëåíèÿ îñè Oz, èçìåíÿåòñÿ íåçíà÷èòåëüíî, â òî âðåìÿ êàê By ÿâëÿåòñÿáûñòðî îñöèëëèðóþùåé ôóíêöèåé.Òàêèì îáðàçîì, âåêòîð ñðåäíåé ñèëû íàïðàâëåí âäîëü îñè Oz è ðàâåíá f ñ = q áL x B y ñe z .(2.27)Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ñîâåðøàåò ðàáîòó íàä çàðÿäîì. Ìîùíîñòü ñèëû f ðàâíà ýíåðãèè W, ïåðåäàâàåìîé îò âîëíû ê çàðÿäó â åäèíèöóâðåìåíè. Ïîýòîìó ìîæíî çàïèñàòüdW= f × v = qE x L x = cqL x B y .dtÇäåñü ó÷òåíî, ÷òî E x =(2.28)m0H y = cB y .e021Óñðåäíÿÿ (2.28) ïî âðåìåíè è ñðàâíèâàÿ ýòî âûðàæåíèå ñ (2.27), ìîæíîçàïèñàòü1 dW(2.29)áñe z .ñ dtÏðè ïåðåõîäå ê åäèíèöå ïëîùàäè ñðåäíåå çíà÷åíèå ñèëû ìîæíî çàìåíèòüäàâëåíèåì, à ñðåäíåå çíà÷åíèå ýíåðãèè â åäèíèöó âðåìåíè èíòåíñèâíîñòüþ.ÏîýòîìóI(2.30)ð= .cÍî äàâëåíèå ÷èñëåííî ðàâíî ñðåäíåìó èìïóëüñó, ïåðåäàâàåìîìó âîëíîéåäèíèöå ïëîùàäè çà åäèíèöó âðåìåíè:áf ñ =dK,dtïîýòîìó èìïóëüñ K , ïåðåíîñèìûé âîëíîé çà êîíå÷íîå âðåìÿ, ðàâåíð=(2.31)1(2.32)I (t )dt .ñòÎòìåòèì, ÷òî ôîðìóëà (2.30) ïîëó÷åíà â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî èìïóëüñ âîëíûïîëíîñòüþ ïåðåäàåòñÿ ìàòåðèàëüíîìó òåëó.
Ïðè ïàäåíèè íà ÷àñòè÷íîîòðàæàþùóþ ïîâåðõíîñòü äàâëåíèå óâåëè÷èâàåòñÿ, ïîñêîëüêó ÷àñòü èìïóëüñàâîëíû óíîñèòñÿ â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Ïîýòîìó äàâëåíèå ñâåòà áóäåò çàâèñåòüîò êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ R äëÿ èíòåíñèâíîñòè:K=I(2.33)(1 + R ).ñÏðè ïàäåíèè íà èäåàëüíóþ çåðêàëüíóþ ïîâåðõíîñòü (R = 1) äàâëåíèå óâåëè÷èòñÿ âäâîå ïî ñðàâíåíèþ ñ (2.30).Èìïóëüñ ôîòîíà. Åñëè â (2.32) ïîäñòàâèòü âûðàæåíèå äëÿ èíòåíñèâíîñòè(2.22) â êâàíòîâîì ïðåäñòàâëåíèè, òî ïðè I = constp=1(2.34)nchnt .ñÐàçóìíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ýòîò èìïóëüñ ðàâåí ñóììå èìïóëüñîâ îòäåëüíûõ ôîòîíîâ, ÷èñëî êîòîðûõ ðàâíî nct.
Òîãäà íà äîëþ êàæäîãî ôîòîíà ïðèõîäèòñÿ èìïóëüñK=hn(2.35).ñÈìïóëüñ ôîòîíà ðàâåí åãî ýíåðãèè, äåëåííîé íà ñêîðîñòü ñâåòà, è ñîíàïðàâëåíñ âåêòîðîì ñêîðîñòè ôîòîíà.Ìîìåíò èìïóëüñà âîëíû. Ýëëèïòè÷åñêè ïîëÿðèçîâàííàÿ âîëíà îáëàäàåòìîìåíòîì èìïóëüñà. Åãî ìîæíî îïðåäåëèòü, èñïîëüçóÿ ñëåäóþùèå ðàññóæäåíèÿ.Ó ÷àñòèöû ìàññîé m, âðàùàþùåéñÿ âîêðóã îñè Oz ñî ñêîðîñòüþ L ïî îêðóæíîñòè ðàäèóñîì r0, ìîìåíò èìïóëüñà ðàâåípô =L = mL r0 A z =22mL 2Az ,w(2.36)ãäå w = L/r0 óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ÷àñòèöû.  îïòèêå áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òîw ÷àñòîòà âîëíû, èëè óãëîâàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ âåêòîðîâ E è H.Ìîìåíò èìïóëüñà âîëíû â åäèíèöå îáúåìà ïîëó÷àåòñÿ èç (2.36), åñëè mL 2çàìåíèòü îáúåìíîé ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ u.
Òîãäà ìîìåíò èìïóëüñà, ïåðåíîñèìûé âîëíîé ÷åðåç åäèíè÷íóþ ïëîùàäêó â åäèíèöóâðåìåíè, ðàâåíL =ñuAz .w(2.37)Åñëè ñ÷èòàòü, ÷òî L ðàâåí ñóììå ìîìåíòîâ èìïóëüñîâ ôîòîíîâ, ÷èñëî êîòîðûõ ðàâíî nc, u = nhn, òî ìîìåíò èìïóëüñà îäíîãî ôîòîíà âû÷èñëÿþò ïî ôîðìóëålf =Lcnhvhez==2pncnc w(2.38)Ìîìåíò èìïóëüñà ôîòîíà íàçûâàþò ñïèíîì. Ñïèí ôîòîíà íå çàâèñèò îò ÷àñòîòû ñâåòà è ÿâëÿåòñÿ åãî ôóíäàìåíòàëüíîé êâàíòîâîé õàðàêòåðèñòèêîé. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå ïîäòâåðæäåíèå ñóùåñòâîâàíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà ó âîëíûñ êðóãîâîé ïîëÿðèçàöèåé áûëî ïîëó÷åíî ïðè ïðîõîæäåíèè òàêîé âîëíû ÷åðåçïîëóâîëíîâóþ ïëàñòèíêó, ïðèíöèï ðàáîòû êîòîðîé îïèñàí â ðàçäåëå 7 «Âîëíû â àíèçîòðîïíûõ ñðåäàõ».Ñåé÷àñ ëèøü îòìåòèì, ÷òî ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ òàêîé ïëàñòèíêè íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ âåêòîðîâ E è H èçìåíèòñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíîå.
Ñîîòâåòñòâåííîèçìåíèò ñâîå íàïðàâëåíèå è ìîìåíò èìïóëüñà âîëíû. Ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà ñèñòåìû «âîëíà ïëàñòèíêà», ïîñëåäíÿÿ äîëæíàïðèéòè âî âðàùåíèå âîêðóã îñè, ñîâïàäàþùåé ñ íàïðàâëåíèåì ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëíû.Åñëè ïðîäîëæèòü ñîïîñòàâëåíèå êëàññè÷åñêèõ è êâàíòîâûõ õàðàêòåðèñòèêñâåòà, òî ìîæíî ñäåëàòü ñëåäóþùèå âûâîäû.
Ó âîëíû ñ ëåâîé ýëëèïòè÷åñêîéïîëÿðèçàöèåé ñïèíû ôîòîíîâ îðèåíòèðîâàíû ïðåèìóùåñòâåííî âäîëü íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ. Ó âîëíû ñ ïðàâîé ýëëèïòè÷åñêîé ïîëÿðèçàöèåé ïðåèìóùåñòâåííàÿ îðèåíòàöèÿ ñïèíîâ ñòàíîâèòñÿ ïðîòèâîïîëîæíîé. Ó âîëíûñ ëåâîé êðóãîâîé ïîëÿðèçàöèåé âñå ñïèíû íàïðàâëåíû âäîëü íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ, à ñ ïðàâîé â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè.
Åñëè ñïèíûñ ðàâíîé âåðîÿòíîñòüþ îðèåíòèðóþòñÿ â îáîèõ íàïðàâëåíèÿõ, òî âîëíà ïëîñêîïîëÿðèçîâàíà.Òàêèì îáðàçîì, ôîòîí îáëàäàåò ýíåðãèåé, èìïóëüñîì è ìîìåíòîì èìïóëüñà.Îí íå èìååò ìàññû, ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà, ýëåêòðè÷åñêîãî äèïîëüíîãî è ìàãíèòíîãî ìîìåíòîâ. Åãî âðåìÿ æèçíè â âàêóóìå íå îãðàíè÷åíî, ïîýòîìó ôîòîí óñòîé÷èâ è ñàìîïðîèçâîëüíî íå ðàñïàäàåòñÿ.Äàâëåíèå ðàâíîâåñíîãî òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ. Ïîëüçóÿñü êâàíòîâûì ïðåäñòàâëåíèåì îá èìïóëüñå ôîòîíà, ðàññìîòðèì çàäà÷ó î äàâëåíèè ñâåòà íà ñòåíêè ÷åðíîãî íàãðåòîãî ÿùèêà, âíóòðè êîòîðîãî èìååòñÿ èçëó÷àåìîå ýòèìè ñòåíêàìèýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå.
Åñëè ïîëå íàõîäèòñÿ â ðàâíîâåñèè ñî ñòåíêàìè,òî ÷èñëî ôîòîíîâ, èçëó÷àåìûõ ôðàãìåíòàìè ñòåíêè â ëþáîì íàïðàâëåíèè,áóäåò â òî÷íîñòè ðàâíî ÷èñëó ôîòîíîâ, ëåòÿùèõ ê ñòåíêå ñî âñòðå÷íîãîíàïðàâëåíèÿ è ïîãëîùàåìûõ ýòèì ôðàãìåíòîì. Òåðìèí «÷åðíûé ÿùèê»èñïîëüçóåòñÿ â òîì ñìûñëå, ÷òî âñå ïîäëåòàþùèå ê åãî ñòåíêàì ôîòîíûïîëíîñòüþ èìè ïîãëîùàþòñÿ.23Åñëè ôîòîí, èìåþùèé ÷àñòîòó n, ïàäàåò(è èçëó÷àåòñÿ) ïîä óãëîì J ê íîðìàëè ê ñòåíêå, òî íîðìàëüíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ïîëó÷àåìîãîñòåíêîé èìïóëüñà ïðè êàæäîì àêòå «ïîãëîùåhníèå èçëó÷åíèå» ðàâíà 2cos J (ðèñ. 2.3).cÎäíàêî ôîòîíû ëåòÿò ïîä ðàçíûìè óãëàìèè èìåþò ðàçëè÷íûå ÷àñòîòû (ñì. ðàçäåë 2 «Èçëó÷åíèå ñâåòà»).
Åñëè ÷èñëî ôîòîíîâ â åäèíèöå îáúåìà ðàâíî n, òî òîëüêî èõ ÷àñòü dn îáëàäàåò ÷àñòîòàìè, çàêëþ÷åííûìè â èíòåðâàëån ¸ n + d n:Ðèñ. 2.3dn = nf (n)d n,(2.39)ãäå f (n) ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ôîòîíîâ ïî ÷àñòîòàì. Ýòè dn ôîòîíîâ (ñì.ðèñ. 2.3) ëåòÿò èçîòðîïíî ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì âíóòðè òåëåñíîãî óãëà 4p,ïîýòîìó ê åäèíè÷íîé ïëîùàäêå ïîëåòèò ëèøü ÷àñòü èç íèõdW1(2.40)= dnd j sin Jd J,4p4pãäå d W = d j sin Jd J ýëåìåíò òåëåñíîãî óãëà, ïîä êîòîðûì ôîòîíû «âèäÿò»ïëîùàäêó.
Íà ðèñóíêå èçîáðàæåíû ëèøü äâà åäèíè÷íûõ îáúåìà ñ êîîðäèíàòàìè (J, j = 0) è (J, j = p), èç êîòîðûõ ôîòîíû ëåòÿò ê ïëîùàäêå. Íàêîíåö,çà åäèíèöó âðåìåíè ñ ïëîùàäêîé «âñòðåòÿòñÿ» ôîòîíû, çàêëþ÷åííûå â îáúåìåc cos J, ÷èñëî êîòîðûõ áóäåò ðàâíîdn ¢ = dn(2.41)dn ¢¢ = dn ¢c cos J.Ïåðåäàâàåìûé èìè èìïóëüñ áóäåò ðàâåí ýëåìåíòàðíîìó äàâëåíèþdp = 2hndn ¢¢ cos J.c(2.42)Ñ ó÷åòîì (2.40) è (2.41) çàìåíèì â (2.42) dn² âåëè÷èíîé dn è ïðîâåäåìèíòåãðèðîâàíèå (2.42) ïî óãëàì j è J, à òàêæå ïî ÷àñòîòàì n:p = ò dp =¥12p2pp/200ò dj ò¥cos 2 J sin J d J ò hndn =01u.3(2.43)Çäåñü u = ò h ndn = náh nñ îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî0ïîëÿ, âåëè÷èíà êîòîðîé (à, ñëåäîâàòåëüíî, è ôóíêöèÿ f (n)) çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû ñòåíîê. Îíà ðàâíà ïðîèçâåäåíèþ êîíöåíòðàöèè ôîòîíîâ íà âåëè÷èíóñðåäíåé ýíåðãèè ôîòîíîâ áhnñ.
Ôîðìóëà (2.43) áóäåò èñïîëüçîâàíà â ñëåäóþùåì ðàçäåëå ïðè èçó÷åíèè çàêîíîâ òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ.Îïòè÷åñêàÿ ëåâèòàöèÿ. Äàâëåíèå ñâåòà Ñîëíöà, ñîãëàñíî (2.30), ðàâíî p == IC /c » 0,45 × 10-5 Ïà (IC ñîëíå÷íàÿ ïîñòîÿííàÿ), îíî íà äåñÿòü ïîðÿäêîâìåíüøå àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ. 1899 ã. Ï. Í. Ëåáåäåâûì áûëè âûïîëíåíû ïðåöèçèîííûå ýêñïåðèìåíòûïî îáíàðóæåíèþ è èññëåäîâàíèþ äàâëåíèÿ ñâåòà ýëåêòðè÷åñêîé äóãè.  åãî îïûòàõíà òîíêîé ñåðåáðÿíîé íèòè ïîäâåøèâàëîñü êîðîìûñëî, íà êîíöàõ êîòîðîãî áûëè24óñòàíîâëåíû òîíêèå äèñêè-êðûëûøêè.Ôîòîãðàôèè èñïîëüçóåìûõ â îïûòàõ êîðîìûñåë ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.4.Òàêèì îáðàçîì, èçìåðèòåëüíîå óñòðîéñòâî ïðåäñòàâëÿëî ñîáîé êðóòèëüíûåâåñû, ïî óãëó çàêðó÷èâàíèÿ êîòîðûõèçìåðÿëîñü ñâåòîâîå äàâëåíèå. Âåñû íàõîäèëèñü â âàêóóìå ( p » 10-4 ìì ðò.
ñò.).Âîçäóõ îòêà÷èâàëñÿ äëÿ óìåíüøåíèÿ òàêíàçûâàåìûõ ðàäèîìåòðè÷åñêèõ ñèë, ìàñêèðóþùèõ ñâåòîâîå äàâëåíèå. Ðàäèîìåòðè÷åñêèå ñèëû îáóñëîâëåíû áîìáàðäèðîâêîé êðûëûøåê ìîëåêóëàìè âîçäóõà,èìåþùåãî ðàçíûå òåìïåðàòóðû âáëèçèîñâåùåííîé è òåíåâîé ïîâåðõíîñòåéÐèñ. 2.4êðûëûøåê. Ïðîèçâåäåííûå èçìåðåíèÿïîêàçàëè, ÷òî â çåìíûõ óñëîâèÿõ ñâåòîâîå äàâëåíèå íå èãðàåò íèêàêîé ðîëè.Âî Âñåëåííîé ñèòóàöèÿ èíàÿ. Íàïðèìåð, â íåäðàõ ðàñêàëåííûõ çâåçä îãðîìíà ïëîòíîñòü ýíåðãèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Òîãäà, ñîãëàñíî (2.43), âîçíèêàþò ãðîìàäíûå ñèëû äàâëåíèÿ, êîòîðûå óðàâíîâåøèâàþò îãðîìíûå ñèëû ãðàâèòàöèè, ïðåäîòâðàùàÿ òåì ñàìûì êîëëàïñ çâåçä. çåìíûõ óñëîâèÿõ òîëüêî ïîñëå èçîáðåòåíèÿ ëàçåðîâ (1961) ñâåòîâîå äàâëåíèå ñòàëè èñïîëüçîâàòü äëÿ ïðàêòè÷åñêèõ öåëåé.
Îäíèì èç òàêèõ åãî ïðèìåíåíèé ÿâëÿåòñÿ âîçäåéñòâèå íà ìàëûå ÷àñòèöû ëó÷à ëàçåðà. Åñëè, íàïðèìåð, èçëó÷åíèå ëàçåðà ñôîêóñèðîâàòü íà ÷àñòèöó ðàäèóñîì r0, òî ñîãëàñíî (2.30) ñèëàñâåòîâîãî äàâëåíèÿ áóäåò ðàâíàF = p pr02 =IPpr02 : ,cc(2.44)ãäå P ìîùíîñòü ñâåòîâîãî ïó÷êà.Ïðè èñïîëüçîâàíèè ëàçåðà ìîùíîñòüþ P = 1 Âò ñèëà F = 3 × 10-9 Í. Åñëèðàäèóñ ÷àñòèöû r0 = 10 ìêì = 10-5 ì, òî åå îáúåì V ~ 4 × 10-15 ì3. Ïðè ïëîòíîñòèr ~ 103 êã/ì3 ìàññà ÷àñòèöû m = rV ~ 4 × 10-12 êã. Î÷åâèäíî, ÷òî ñèëà F ~ 102mg.Òàêàÿ ñèëà ïðèäàñò ÷àñòèöå ãðîìàäíîå óñêîðåíèå a ~ 102g, à áîëåå ìåëêèì÷àñòèöàì ñ r0 ~ 1 ìêì a ~ 105g.
Ñëåäîâàòåëüíî, âîçäåéñòâóÿ èçëó÷åíèåì ëàçåðàíà ÷àñòèöû ðàçëè÷íîé ìàññû (âèðóñû, ìàêðîìîëåêóëû è ò. ä.), ìîæíîïðîèçâåñòè èõ ïðîñòðàíñòâåííîå ðàçäåëåíèå.Åñëè ïîäñâåòèòü ÷àñòèöó ëó÷îì ëàçåðà ñíèçó ââåðõ, òî ìîæíî ïðè îïðåäåëåííîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ ñêîìïåíñèðîâàòü ñèëó òÿæåñòè è òåì ñàìûì óäåðæàòü ÷àñòèöó â «ïîäâåøåííîì» ñîñòîÿíèè. Òàêàÿ «íåâåñîìîñòü» íàçûâàåòñÿ îïòè÷åñêîé ëåâèòàöèåé. Îíà ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ ìàíèïóëÿöèé íàä ìèêðî÷àñòèöàìè.Ìîæíî âîîáùå âîçäåéñòâîâàòü íà îòäåëüíûé àòîì.  ýòîì ñëó÷àå ïîíäåðîìîòîðíûå ñèëû äåéñòâóþò íà îñöèëëèðóþùèé ýëåêòðîí â àòîìå (ñì. ðàçä. 2).Ïðè ñîâïàäåíèè ÷àñòîòû ïîëÿ ñ ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé êîëåáàíèé ýëåêòðîíàâ àòîìå âîçíèêàåò ðåçîíàíñ ñêîðîñòè êîëåáàíèé.