>> Hafif basınç

§ 91 IŞIK BASINCI

Maxwell merkezli elektromanyetik teoriışık, ışığın engellere baskı uygulaması gerektiğini öngördü.

Bir cismin, örneğin bir metalin yüzeyine gelen bir dalganın elektrik alanının etkisi altında, serbest bir elektron şu yönde hareket eder: vektörün tersi(Şekil 11.7). Hareket eden bir elektron, dalga yayılımı yönünde yönlendirilen bir Lorentz kuvveti tarafından etkilenmektedir. Toplam güç metal yüzeyin elektronlarına etki eder ve hafif basınç kuvvetini belirler.

Maxwell'in teorisinin geçerliliğini kanıtlamak için ışık basıncını ölçmek önemliydi. Birçok bilim adamı bunu yapmayı denedi ancak ışık basıncı çok düşük olduğundan başarılı olamadı. Parlak güneşli bir günde, 1 m2 alana sahip bir yüzeye yalnızca 4 10 -6 N'ye eşit bir kuvvet etki eder. Işığın basıncı ilk olarak 1900 yılında Rus fizikçi Pyotr Nikolaevich Lebedev tarafından ölçüldü.

Lebedev Petr Nikolayeviç (1866-1912)- Işığın katılar ve gazlar üzerindeki basıncını ölçen ilk Rus fizikçi. Bu çalışmalar Maxwell'in teorisini niceliksel olarak doğruladı. Işığın elektromanyetik teorisine ilişkin yeni deneysel kanıtlar bulmak amacıyla milimetre dalga boyunda elektromanyetik dalgalar elde etti ve bunların tüm özelliklerini inceledi. Rusya'da ilki yarattı beden okulu. Pek çok seçkin Sovyet bilim adamı onun öğrencisiydi. Lebedev'in adı fiziki enstitü SSCB Bilimler Akademisi (FIAN).

Lebedev'in cihazı, ince bir cam iplik üzerinde çok hafif bir çubuktan oluşuyordu, ancak kenarlarına hafif kanatlar yapıştırılmıştı (Şekil 11.8). Cihazın tamamı, havanın dışarı pompalandığı bir kaba yerleştirildi. Işık, çubuğun bir tarafında bulunan kanatlara düştü. Basınç değeri ipliğin bükülme açısına göre değerlendirilebilir. Zorluklar hassas ölçüm hafif basınçlar, tüm havanın kaptan dışarı pompalanamamasıyla ilişkilendirildi (kanatların ve geminin duvarlarının eşit olmayan ısınmasının neden olduğu hava moleküllerinin hareketi, ek torklara yol açar). Ek olarak, ipliğin bükülmesi kanatların yanlarının eşit olmayan ısınmasından etkilenir (ışık kaynağına bakan taraf daha fazla ısınır) karşı taraf). Sıcak taraftan yansıyan moleküller, daha az ısıtılan taraftan yansıyan moleküllere göre kanatçığa daha fazla momentum aktarır.

Lebedev tüm bu zorlukların üstesinden gelmeyi başardı. düşük seviye o zamanın deneysel tekniği, çok büyük bir kap ve çok ince kanatlar alıyor. Sonunda katılar üzerindeki hafif basıncın varlığı kanıtlandı ve ölçüldü. Elde edilen değer Maxwell'in öngördüğü değerle örtüşüyordu. Daha sonra, üç yıllık çalışmanın ardından Lebedev daha da incelikli bir deney gerçekleştirmeyi başardı: ışığın gazlar üzerindeki basıncını ölçmek.

Işığın kuantum teorisinin ortaya çıkışı, ışık basıncının nedenini daha basit bir şekilde açıklamayı mümkün kıldı. Fotonlar, durgun bir kütleye sahip olan madde parçacıkları gibi momentuma sahiptir. Vücut tarafından emildiğinde dürtülerini ona aktarırlar. Momentumun korunumu kanununa göre cismin momentumu şöyle olur: dürtüye eşit fotonları emer. Bu nedenle dinlenme halindeki bir cisim harekete geçer. Newton'un ikinci yasasına göre bir cismin momentumundaki değişiklik, cisme bir kuvvetin etki ettiği anlamına gelir.

Lebedev'in deneyleri fotonların momentuma sahip olduğunun deneysel kanıtı olarak değerlendirilebilir.

Işık basıncı çok düşük olmasına rağmen normal koşullar etkisi yine de önemli olabilir. On milyonlarca Kelvin sıcaklıktaki yıldızların içinde, elektromanyetik radyasyonun basıncı çok büyük değerlere ulaşmalıdır. Hafif basınç kuvvetleri ile birlikte yerçekimi kuvvetleri yıldız süreçlerinde önemli bir rol oynar.

Maxwell'in elektrodinamiğine göre, ışığın basıncı, Lorentz kuvvetinin, bir elektrik alanının etkisi altında salınan ortamın elektronları üzerindeki etkisi nedeniyle ortaya çıkar. elektromanyetik dalga. Kuantum teorisi açısından bakıldığında basınç, foton darbelerinin emildiğinde vücuda aktarılması sonucu ortaya çıkar.

Myakishev G.Ya., Fizik. 11. sınıf: eğitici. genel eğitim için kurumlar: temel ve profil. seviyeler / G.Ya Myakishev, B.V. Bukhovtsev, V.M. Charugin; tarafından düzenlendi V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17. baskı, revize edildi. ve ek - M.: Eğitim, 2008. - 399 s.: hasta.

Tüm konular için ders kitapları indirme, öğretmenler için ders planlarının geliştirilmesi, 11. sınıf için fizik ve astronomi çevrimiçi

Ders içeriği ders notları destekleyici çerçeve ders sunumu hızlandırma yöntemleri etkileşimli teknolojiler Pratik görevler ve alıştırmalar kendi kendine test atölyeleri, eğitimler, vakalar, görevler ödev tartışmalı konular retorik sorularöğrencilerden İllüstrasyonlar ses, video klipler ve multimedya fotoğraflar, resimler, grafikler, tablolar, diyagramlar, mizah, anekdotlar, şakalar, çizgi romanlar, benzetmeler, sözler, bulmacalar, alıntılar Eklentiler özetler makaleler meraklı beşikler için püf noktaları ders kitapları temel ve ek terimler sözlüğü diğer Ders kitaplarının ve derslerin iyileştirilmesiDers kitabındaki hataların düzeltilmesi Ders kitabındaki bir parçanın güncellenmesi, dersteki yenilik unsurları, eski bilgilerin yenileriyle değiştirilmesi Sadece öğretmenler için mükemmel dersler takvim planı bir yıl boyunca metodolojik öneriler tartışma programları Entegre Dersler

48. Elementler kuantum optiği. Bir fotonun enerjisi, kütlesi ve momentumu. Işığın doğası hakkındaki kuantum fikirlerine dayanarak ışık basıncı formülünün türetilmesi.

Bu nedenle ışığın yayılması sürekli bir dalga yayılımı olarak düşünülmemelidir.

süreç, ancak uzayda lokalize olan ve boşlukta ışığın yayılma hızıyla hareket eden ayrı parçacıklardan oluşan bir akış olarak. Daha sonra (1926'da) bu parçacıklara foton adı verildi. Fotonlar bir parçacığın (cisim) tüm özelliklerine sahiptir.

Planck'ın hipotezinin gelişimi şu konularda fikirlerin oluşmasına yol açtı: kuantum özellikleri Sveta. Işık kuantumlarına foton denir. Kütle ve enerjinin orantılılığı yasasına ve Planck'ın hipotezine göre foton enerjisi aşağıdaki formüllerle belirlenir:

.

Bu denklemlerin sağ taraflarını eşitleyerek foton kütlesi için bir ifade elde ederiz.

veya bunu dikkate alarak,

Foton momentumu aşağıdaki formüllerle belirlenir:

Fotonun geri kalan kütlesi sıfırdır. Kuantum elektromanyetik radyasyon Sonlu enerji ve momentum değerlerine sahipken yalnızca ışık hızında yayılarak var olur. Frekansı ν olan monokromatik ışıkta tüm fotonlar aynı enerjiye, momentuma ve kütleye sahiptir.

Hafif basınç

Işık radyasyonu enerjisini mekanik basınç şeklinde vücuda aktarabilir.

Karartılmış bir plaka tarafından tamamen emilen ışığın, ona bir kuvvet uyguladığını kanıtladı. Işık basıncı, vücudun aydınlatılmış yüzeyine, ışık enerjisinin yoğunluğuyla orantılı ve bağlı olarak ışığın yayılımı yönünde dağıtılmış bir kuvvetin etki etmesiyle kendini gösterir. optik özellikler yüzeyler.

Lebedev'in optik ölçümlerine mekanik yasalarının uygulanması sonucunda, enerjinin her zaman kütleye eşdeğer olduğunu gösteren son derece önemli bir ilişki elde edildi. Einstein mc 2 =E denkleminin evrensel olduğunu ve her türlü enerji için geçerli olması gerektiğini belirten ilk kişiydi.

Bu olgu, ışığın doğasına ilişkin hem dalga hem de parçacık kavramları açısından açıklanabilir. İlk durumda, bu etkileşimin sonucudur elektrik akımı vücutta tetiklenen elektrik alanı Ampere yasasına göre manyetik alanı olan ışık dalgası. Bir maddenin yüzeyi ile etkileşime girdiğinde, uzay ve zamanda periyodik olarak değişen bir ışık dalgasının elektrik ve manyetik alanları, maddenin atomlarının elektronları üzerinde bir kuvvet uygular. Dalganın elektrik alanı elektronların salınmasına neden olur. Lorentz kuvveti yandan manyetik alan dalga, dalga yayılma yönü boyunca yönlendirilir ve temsil eder hafif basınç kuvveti. Kuantum teorisi, ışığın basıncını, fotonların belirli bir momentuma sahip olması ve madde ile etkileşime girdiğinde momentumun bir kısmını maddenin parçacıklarına aktarması ve böylece yüzeyine basınç uygulamasıyla açıklamaktadır (çarpışmalarla bir benzetme yapılabilir). Bir kabın duvarındaki moleküllerin sayısı, burada duvara aktarılan momentum, kaptaki gaz basıncını belirler).

Fotonlar emildiğinde momentumlarını etkileşime girdikleri cisme aktarırlar. Hafif baskının nedeni budur.

Kuantum radyasyon teorisini kullanarak ışığın bir yüzey üzerindeki basıncını belirleyelim.

Frekansı ν olan radyasyonun bir yüzeye dik olarak düşmesine izin verin (Şekil 5). N sayıda fotondan oluşan bu radyasyonun düz bir yüzeye düşmesine izin verin.

∆ t zamanı için ∆ S'yi ayırın. Yüzey N 1 fotonunu emer ve yansıtır

Xia N 2, yani N = N 1 + N 2.

	Devamı 48
Absorbe edilen her foton (esnek olmayan etki) momentumu yüzeye aktarır				Ve herkes...
etkilenen foton (elastik etki) ona momentum aktarır			Daha sonra gelen tüm fotonlar iletilir
eşit bir darbe üfleyin
Bu durumda ışık yüzeye kuvvetle etki edecektir.
onlar. baskı uygulamak

Bu eşitliğin sağ tarafını N ile çarpıp bölersek şunu elde ederiz:

Nihayet

birim zamanda birim alan başına gelen tüm N fotonun enerjisi nerede, boyut-

ity; – yansıma katsayısı.

Siyah bir yüzey için ρ = 0 ve basınç eşit olacaktır.

temsil etmek toplu yoğunluk enerji, boyutu .

Daha sonra yüzeye gelen bir ışındaki n adet fotonun konsantrasyonu şu şekilde olacaktır:

.

Hafif basınç denkleminde (2.2)'yi yerine koyarsak şunu elde ederiz:

Işığın düz bir yüzeye düştüğünde oluşturduğu basınç aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

burada E yüzey ışınımının (veya aydınlatmanın) yoğunluğudur, c elektromanyetik dalgaların vakumda yayılma hızıdır, α, gelen enerjinin vücut tarafından emilen kısmıdır (soğurma katsayısı)

ρ, gelen enerjinin cisim tarafından yansıtılan kısmıdır (yansıma katsayısı), θ, radyasyonun yönü ile ışınlanan yüzeyin normali arasındaki açıdır. Eğer vücut şeffaf değilse yani her şey

Gelen ışınım yansıtılır ve emilir, bu durumda α +ρ =1 olur.

49 Kuantum optiğinin unsurları. Compton etkisi. Işığın parçacık-dalga dualizmi (radyasyon).

3) Elektromanyetik radyasyonun dalga-parçacık ikiliği

Yani, çalış termal radyasyon, fotoelektrik etki, Compton etkisi, elektromanyetik radyasyonun (özellikle ışığın) bir parçacığın (cisim) tüm özelliklerine sahip olduğunu gösterdi. Fakat büyük grup optik fenomen- girişim, kırınım, polarizasyon gösterir dalga özellikleri elektromanyetik radyasyon, özellikle ışık.

Bir kaynaktan veya bir elektromanyetik dalga için rastgele olarak ayrı bir foton akışından yayılan ışık - sürekli elektromanyetik dalgaları oluşturan şey, fotonların ayrık özelliklerini dışlamaz.

Işık (elektromanyetik radyasyon) aynı anda sürekli elektromanyetik dalgaların özelliklerine ve ayrık fotonların özelliklerine sahiptir. Bu, elektromanyetik radyasyonun parçacık-dalga ikiliğidir (ikiliği).

2) Compton etkisi Dalga boyunun arttırılmasından oluşur x-ışını radyasyonu madde tarafından dağıldığında. Dalgaboyu değişimi

K (1-cos)=2k sin2 (/2),(9) "

burada k =h/(mc) Compton dalga boyudur, m ise geri kalan kütledir.

taht. k =2,43*10 -12 m=0,0243 A(1 A=10-10 m).

Saçılma bir süreç olarak ele alınarak Compton etkisinin tüm özellikleri açıklanmıştır. elastik çarpışma Enerjinin korunumu yasasının ve momentumun korunumu yasasının gözlendiği serbest elektronlu X-ışını fotonları.

(9)'a göre dalga boyundaki değişim sadece saçılma açısına bağlıdır ve X-ışınının dalga boyuna veya maddenin türüne bağlı değildir.

1) Kuantum optiğinin unsurları. Bir fotonun fotonları, enerjisi, kütlesi ve momentumu

Planck, termal radyasyon spektrumunda enerjinin dağılımını açıklamak için elektromanyetik dalgaların kısımlar halinde (kuanta) yayıldığını varsaydı. 1905'te Einstein, radyasyonun sadece yayılmadığı, aynı zamanda kuantum formunda yayıldığı ve absorbe edildiği sonucuna vardı. Bu sonuç, klasik elektrodinamik tarafından açıklanamayan tüm deneysel gerçeklerin (fotoelektrik etki, Compton etkisi vb.) radyasyonun özelliklerine ilişkin dalga kavramlarına dayanarak açıklanmasını mümkün kıldı. Bu nedenle ışığın yayılması sürekli olarak düşünülmemelidir. dalga süreci ancak uzayda lokalize olan ve boşlukta ışığın yayılma hızıyla hareket eden ayrı parçacıklardan oluşan bir akış olarak. Daha sonra (1926'da) bu parçacıklara foton adı verildi. Fotonlar bir parçacığın (cisim) tüm özelliklerine sahiptir.

1. Foton enerjisi

Bu nedenle Planck sabitine bazen eylemin kuantumu denir. Boyut, örneğin açısal momentumun (L=r mv) boyutuyla örtüşür.

(1)'den de anlaşılacağı gibi, foton enerjisi artan frekans (veya azalan dalga boyu) ile artar,

2. Foton kütlesi, kütle ve enerji arasındaki ilişki yasasına göre belirlenir (E=mc 2)

3.Foton darbesi. Herhangi bir göreli parçacık için enerjisi Fotonların m 0 =0 olması nedeniyle foton momentumu

onlar. dalga boyu momentumla ters orantılıdır

50. Rutherford'a göre atomun nükleer modeli. Bir hidrojen atomunun spektrumu. Genelleştirilmiş Balmer formülü. Hidrojen atomunun spektral serisi. Terma kavramı.

1) Rutherford önerdi nükleer model atom. Bu modele göre bir atom Ze (Z -) yüküne sahip pozitif bir çekirdekten oluşur. seri numarası periyodik tablodaki element, e - temel yük), boyut 10 -5 -10 -4 A (1A = 10 -10 m) ve kütle neredeyse kütleye eşit atom. Elektronlar çekirdeğin etrafında kapalı yörüngelerde hareket ederek elektron kabuğu atom. Atomlar nötr olduğundan, Z elektronları toplam yükü Zе olan çekirdeğin etrafında dönmelidir. Bir atomun boyutları elektronların dış yörüngelerinin boyutlarına göre belirlenir ve A birimi düzeyindedir.

Elektronların kütlesi çekirdeğin kütlesinin çok küçük bir kısmını oluşturur (hidrojen için %0,054, diğer elementler için %0,03'ten az). Ro 10-3 A'ya klasik elektron yarıçapı denmesine rağmen "elektron boyutu" kavramı tutarlı bir şekilde formüle edilemez. Yani bir atomun çekirdeği, atomun hacminin önemsiz bir bölümünü kaplar ve atomun kütlesinin neredeyse tamamı (% 99,95) burada yoğunlaşmıştır. Atom çekirdekleri birbirine yakın yerleştirilmiş olsaydı, o zaman küre yarıçapı 6400 km değil 200 m olacaktır (maddenin yoğunluğu)

atom çekirdeği 1.8

2) Bir hidrojen atomunun çizgi spektrumu

Atomik hidrojenin emisyon spektrumu, ayrı ayrı spektral çizgilerden oluşur. belli bir sırayla. 1885 yılında Balmer bu çizgilerin dalga boylarının (veya frekanslarının) formülle temsil edilebileceğini keşfetti.

, (9)

burada R =1,0974 7 m -1 aynı zamanda Rydberg sabiti olarak da adlandırılır.

Şek. Şekil 1, z=1'de (6)'ya göre hesaplanan hidrojen atomunun enerji seviyelerinin bir diyagramını göstermektedir.

Bir elektron daha yüksek enerji seviyelerinden n=1 seviyesine hareket ettiğinde ultraviyole radyasyon veya Lyman serisi (SL) radyasyon meydana gelir.

Elektronlar n=2 seviyesine hareket ettiğinde, görünür radyasyon veya Balmer serisi (SB) radyasyonu.

Elektronlar daha fazla yerden hareket ettiğinde yüksek seviyeler seviye başına n =

3 ortaya çıkıyor kızılötesi radyasyon veya Paschen serisi radyasyonu (SP), vb.

Bu durumda ortaya çıkan radyasyonun frekansları veya dalga boyları, Lyman serisi için m = 1, Balmer serisi için m = 2 ve Paschen serisi için m = 3 olmak üzere (8) veya (9) formülleriyle belirlenir. Fotonların enerjisi, (6) dikkate alınarak hidrojen benzeri atomlar için aşağıdaki forma indirgenebilen formül (7) ile belirlenir:

evV (10)

50 devam etti

4) Spektral hidrojen serisi- bir hidrojen atomunun spektrumunu oluşturan bir dizi spektral seri. Hidrojen en basit atom olduğundan, onun spektral serileri en çok çalışılanlardır. Rydberg formülüne iyi uyuyorlar:

,

burada R = 109,677 cm−1 hidrojen için Rydberg sabitidir, n' ise serinin ana seviyesidir. Spektral çizgiler ana ana geçişler sırasında ortaya çıkan enerji seviyesi,

rezonans olarak adlandırılır, diğerlerine ikincil denir.

Lyman serisi

1906 yılında T. Lyman tarafından keşfedilmiştir. Serideki tüm hatlar ultraviyole aralığındadır. Seri, n′ = 1 ve n = 2, 3, 4 ile Rydberg formülüne karşılık gelir,

Balmer serisi

1885 yılında I.Ya.Balmer tarafından keşfedilmiştir. Serinin ilk dört satırı görünür aralıktadır. Seri, n′ = 2 ve n = 3, 4, 5 ile Rydberg formülüne karşılık gelir

5) Spektral terim veya elektronik terimatom, molekül veya iyon konfigürasyonu

telsiz (devlet) elektronik alt sistem, enerji seviyesini belirler. Bazen kelime terimi enerjinin kendisi olarak anlaşılır. bu seviye. Terimler arasındaki geçişler, elektromanyetik radyasyonun emisyon ve absorpsiyon spektrumlarını belirler.

Bir atomun terimleri genellikle belirtilir büyük harflerle Kuantum sayısının değerine karşılık gelen S,P,D,F vb. yörüngesel açısal momentum L =0, 1, 2, 3, vb. Kuantum numarası Toplam açısal momentum J sağ alttaki simge ile verilmektedir. Sol üstteki küçük sayı çokluğu gösterir ( çokluk) term. Örneğin, ²P 3/2 bir çift P'dir. Bazen (kural olarak, tek elektronlu atomlar ve iyonlar için) terim sembolü ile gösterilir. baş kuantum sayısı(örneğin, 2²S 1/2).

CBETA BASINCI, ışığın yansıtan ve soğuran cisimler, parçacıklar ve bireysel moleküller ve atomlar üzerinde uyguladığı basınç; dürtü aktarımıyla ilişkili ışığın son derece motive edici eylemlerinden biri elektromanyetik alan madde. Işık basıncının varlığına ilişkin hipotez ilk olarak 17. yüzyılda I. Kepler tarafından kuyruklu yıldızların kuyruklarının Güneş'ten sapmasını açıklamak için ortaya atılmıştır. Işık basıncı teorisi klasik elektrodinamik J.C. Maxwell tarafından 1873 yılında verilmiştir. Burada ışığın basıncı, elektromanyetik dalgaların madde parçacıkları tarafından saçılması ve emilmesiyle açıklanmaktadır. Kuantum teorisi çerçevesinde ışık basıncı, momentumun fotonlar tarafından vücuda aktarılmasının sonucudur.

Katı bir cismin yüzeyine normal ışık gelmesi durumunda, ışık basıncı p aşağıdaki formülle belirlenir:

р = S(1 + R)/с, burada

S, enerji akısı yoğunluğudur (ışık yoğunluğu), R, ışığın yüzeyden yansıma katsayısıdır, c, ışığın hızıdır. Normal koşullar altında hafif basınç neredeyse hiç fark edilmez. Güçlü bir lazer ışınında (1 W/cm2) bile ışık basıncı yaklaşık 10-4 g/cm2'dir. Geniş kesitli bir lazer ışını odaklanabiliyor ve ardından ışının odağındaki hafif basınç kuvveti, bir miligram parçacığı asılı tutabiliyor.

Işığın katı maddeler üzerindeki basıncı ilk kez 1899'da P. N. Lebedev tarafından deneysel olarak incelenmiştir. Işık basıncının deneysel olarak tespit edilmesindeki ana zorluklar, büyüklüğü vücudu çevreleyen gazın basıncına bağlı olan ve yetersiz vakum durumunda ışık basıncını aşabilen radyometrik ve konvektif kuvvetlerin arka planından izole edilmesiydi. birkaç büyüklük sırasına göre. Lebedev'in deneylerinde, içi boşaltılmış (10-4 mm Hg düzeyinde basınç) bir cam kapta, ince disk kanatların tutturulduğu bir burulma terazisinin külbütör kolları, ışınlanmış ince bir gümüş ip üzerine asıldı. Kanatlar, aynı karşılıklı yüzeylere sahip çeşitli metallerden ve mikadan yapılmıştır. Lebedev, çeşitli kalınlıklardaki kanatların ön ve arka yüzeylerini sırayla ışınlayarak, radyometrik kuvvetlerin kalan etkisini nötralize edebildi ve Maxwell'in teorisiyle tatmin edici (±% 20 hatayla) bir uyum elde edebildi. 1907-10'da Lebedev ışığın gazlar üzerindeki basıncını araştırdı.

Hafif basınç oynuyor büyük rol astronomik ve atomik olaylar. Yıldızlardaki ışık basıncı, gaz basıncıyla birlikte, yerçekimi kuvvetlerine karşı koyarak onların stabilitesini sağlar. Hafif basınç eylemi kuyruklu yıldız kuyruklarının bazı şekillerini açıklıyor. Atomlar tarafından bir foton yayınlandığında, ışığın geri tepmesi adı verilen olay meydana gelir ve atomlar, fotonun momentumunu alır. Yoğunlaştırılmış maddede hafif basınç, yük taşıyıcılarında bir akıma neden olabilir (bkz. Elektronların fotonlar tarafından sürüklenmesi). Basınç güneş radyasyonu Bunu, güneş yelkeni adı verilen bir tür uzay itme cihazı yaratmak için kullanmaya çalışıyorlar.

Yoğun ışığın rezonans saçılımı sırasında, seyrekleştirilmiş atom sistemlerinde ışık basıncının belirli özellikleri, frekans aşağıdaki durumlarda tespit edilir: lazer radyasyonu frekansa eşit atomik geçiş. Bir fotonu soğuran atom, lazer ışını yönünde bir dürtü alır ve uyarılmış bir duruma geçer. Ayrıca, kendiliğinden bir foton yayan atom, keyfi bir yönde momentum (ışık çıkışı) kazanır. Daha sonra fotonların emilmesi ve kendiliğinden yayılmasıyla, atom sürekli olarak ışık ışını boyunca yönlendirilen darbeleri alır ve bu da hafif bir basınç oluşturur.

Işığın bir atom üzerindeki rezonans basıncının F kuvveti, birim zaman başına yoğunluğu N olan bir foton akışı tarafından aktarılan momentum olarak tanımlanır: F = Nћkσ, burada ћk = 2πћ/λ bir fotonun momentumudur, σ ≈ λ 2 rezonans fotonun soğurma kesitidir, λ ışığın dalga boyudur, k - dalga numarasıdır, ћ - Planck sabiti. Nispeten düşük radyasyon yoğunluklarında, ışığın rezonans basıncı ışık yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Şu tarihte: yüksek yoğunluklar Foton akışı N'de, soğurma doygunluğu ve rezonans ışık basıncı doygunlaşır (bkz. Doygunluk etkisi). Bu durumda, ortalama frekans γ (uyarılmış bir atomun ömrünün tersi) olan atomlar tarafından rastgele bir yönde kendiliğinden yayılan fotonlar tarafından hafif basınç oluşturulur. Işık basıncının gücü artık yoğunluğa bağlı değildir, ancak kendiliğinden emisyon olaylarının hızıyla belirlenir: F≈ћkγ. İçin tipik değerlerγ ≈ 10 8 s -1 ve λ ≈0,6 μm hafif basınç kuvveti F≈5·10 -3 eV/cm; Doyduğunda, ışığın rezonans basıncı atomlarda 10 5 g'a kadar bir ivme yaratabilir (g ivmedir) serbest düşüş). Bu tür büyük kuvvetler, ışığın frekansını değiştirerek ve biraz farklı rezonans soğurma frekanslarına sahip atomları farklı şekilde etkileyerek atomik ışınları seçici olarak kontrol etmeyi mümkün kılar. Özellikle, yüksek hızlı atomları ışından uzaklaştırarak Maxwell hız dağılımını sıkıştırmak mümkündür. Lazer ışığı atom ışınına doğru yönlendirilirken radyasyon spektrumunun frekansı ve şekli seçilir, böylece ışık basıncı büyük bir yer değiştirmeyle hızlı atomları yavaşlatır. rezonans frekansı(bkz. Doppler etkisi). Işığın rezonans basıncı, gazları ayırmak için kullanılabilir: biri atomları radyasyonla rezonansta olan iki gazın karışımıyla dolu iki odacıklı bir kap ışınlandığında, rezonans atomları etkisi altında hafif basınç, uzak odaya doğru hareket edecektir.

Işığın yoğun bir alana yerleştirilen atomlar üzerindeki rezonans basıncının bazı özellikleri vardır. duran dalga. İLE kuantum noktası Görünüşe göre, fotonların karşıt akışları tarafından oluşturulan bir duran dalga, fotonların soğurulması ve bunların uyarılmış emisyonu nedeniyle atomda şoklara neden olur. Ortalama güç Atoma etki eden , dalga boyundaki alanın homojen olmaması nedeniyle sıfıra eşit değildir. Klasik bakış açısına göre, ışık basıncının kuvveti, uzaysal olarak homojen olmayan bir alanın, onun tarafından indüklenen atomik dipol üzerindeki etkisinden kaynaklanmaktadır. Bu kuvvet, dipol momentinin indüklenmediği düğümlerde ve alan gradyanının kaybolduğu antinodlarda minimumdur. Maksimum ışık basıncı kuvveti, büyüklük sırasına göre F≈ ±Ekd'ye eşittir (işaretler, E kuvvetine sahip alana göre d momentli dipollerin faz içi ve antifaz hareketini belirtir). Bu kuvvet devasa değerlere ulaşabilir: d≈ 1 debye, λ≈0,6 μm ve E≈ 10 6 V/cm kuvvet F≈5∙10 2 eV/cm. Duran bir dalganın alanı, bir ışık ışınından geçen bir atom ışınını katmanlaştırır, çünkü antifazda salınan dipoller, Stern-Gerlach deneyindeki atomlar gibi farklı yörüngeler boyunca hareket eder. Lazer ışını boyunca hareket eden atomlar, yoğunluğun radyal homojensizliğinden kaynaklanan radyal ışık basınç kuvvetinden etkilenir. ışık alanı. Hem duran hem de ilerleyen dalgada, atomların yalnızca deterministik hareketi değil aynı zamanda faz uzayındaki difüzyonları da meydana gelir, çünkü fotonların soğurulması ve emisyonu kuantumdur. rastgele süreçler. Yarı parçacıklar katılar: elektronlar, eksitonlar vb.

Aydınlatılmış: Lebedev P.N. Koleksiyonu. operasyon M., 1963; Ashkin A. Lazer radyasyonunun basıncı // Gelişmeler fizik bilimleri. 1973. T. 110. Sayı. 1; Kazantsev A.P. Rezonans ışık basıncı // Ibid. 1978. T. 124. Sayı. 1; Letokhov V. S., Minogin V. G. Lazer radyasyonunun atomlar üzerindeki basıncı. M., 1986.

S. G. Przhibelsky.

Işığın kuantum teorisi, fotonların momentumlarını maddenin atomlarına veya moleküllerine aktarmasının bir sonucu olarak ışık basıncını açıklar.

Alanın yüzeyine izin verin S normalde her saniye ona düşüyor

N foton frekansı v . Her fotonun momentumu vardır yg/c . Eğer

R yüzey yansımasıdır, o zaman pN fotonlar yüzeyden yansıtılacaktır ( 1-p) N fotonlar emilecektir.

Emilen her ışık kuantumu yüzeye bir itici güç aktaracaktır. yg/c ve her yansıtılan dürtü [(hv/c) - (-hv/c)] = 2hv/c Çünkü yansıma üzerine fotonun momentumunun yönü tersine değişir ve onun tarafından madde parçacıklarına aktarılan momentum şu şekildedir: 2hv/c . Tam dolu Vücudun yüzeyi tarafından alınan darbe

Işık basıncını hesaplayalım. Bunu yapmak için (20.18)'i "kanadın" S alanına böleriz: (20.19)

hvN/S = Ee olduğunu dikkate alırsak formül (20.19) şu formu alacaktır:

(20.20)

Elektromanyetik ve çerçeve çerçevesinde türetilen (20.17) ve (20.20) ifadeleri kuantum teorileri, çakışıyor.

Bu sonuçların geçerliliği P.N.'nin deneyleriyle deneysel olarak kanıtlanmıştır. Lebedeva.

Basınç doğal ışıkçok az. Yüzey emme katsayısı birliğe yakınsa uygulanan basınç güneş ışınları Dünya'da bulunan bu tür yüzeylere yaklaşık olarak

5 10 Pa (yani 3,7 10 mmHg) . Bu basınç on kat daha az atmosferik basınç Dünya'nın yüzeyinde.

P.N. Lebedev, bu kadar düşük basıncı ancak deneyi kurma ve yürütme konusunda olağanüstü bir ustalık ve beceri göstererek ölçebildi.

Yaşamda karşılaştığımız olaylarda ışık basıncının hiçbir rolü yoktur. Ancak kozmik ve mikroskobik sistemlerde rolü önemlidir.

Mikrokozmosta, ışığın basıncı, uyarılmış bir atomun ışık yayarken deneyimlediği ışık çıkışında kendini gösterir. Yerçekimi çekimi yıldız maddesinin merkeze doğru dış katmanları, yıldızın derinliklerinden dışarıya doğru gelen ışığın basıncının önemli bir katkısı olan bir kuvvetle dengelenir.

Kimyasal etki Sveta

Işığın etkisi sonucu bazı maddelerde kimyasal dönüşümler meydana gelir. - fotokimyasal reaksiyonlar . Fotokimyasal dönüşümler çok çeşitlidir. Işığın etkisi altında karmaşık moleküller bileşen parçalarına ayrışabilir (örneğin gümüş bromürün gümüş ve broma dönüşmesi) veya. aksine karmaşık moleküller oluşur (örneğin, bir klor ve hidrojen karışımını aydınlatırsanız, oluşum reaksiyonu hidrojen klorür o kadar şiddetli ilerliyor ki buna bir patlama eşlik ediyor).

Fotokimyasal reaksiyonların birçoğu doğada ve teknolojide büyük bir rol oynamaktadır. Asıl olan karbondioksitin fotokimyasal ayrışması Bitkilerin yeşil kısımlarında ışığın etkisi altında meydana gelir. Bu reaksiyon var büyük önem, çünkü uzun vadeli varlığın imkansız olduğu karbon döngüsünü sağlar organik yaşam Dünya'da. Hayvan ve bitkilerin yaşamsal faaliyetleri (solunum) sonucunda, sürekli süreç karbon oksidasyonu (oluşumu CO2 ). Ters süreç Bitkilerin yeşil kısımlarında ışığın etkisiyle karbon azalması meydana gelir. Bu reaksiyon şemaya göre ilerler 2СО2 2СО + О2

Gümüş bromürün ayrışmasının fotokimyasal reaksiyonu, fotoğrafın ve onun tüm bilimsel ve teknik uygulamalar Esas olarak bu boyaların fotokimyasal oksidasyonundan kaynaklanan boya solması olgusu çok önemlidir. büyük değerİnsanların ve hayvanların gözünde meydana gelen süreçleri ve bunların altında yatan süreçleri anlamak görsel algı. Günümüzde birçok fotokimyasal reaksiyon kullanılmaktadır. kimyasal üretim ve böylece doğrudan endüstriyel önem kazanır.

Işık yalnızca madde tarafından emilip yansıtılmaz, aynı zamanda vücut yüzeyinde basınç da oluşturur. 1604 yılında Alman gökbilimci I. Kepler, kuyruklu yıldızın kuyruğunun şeklini hafif basınç etkisiyle açıkladı (Şekil 1). İngiliz fizikçi J. Maxwell 250 yıl sonra geliştirdiği elektromanyetik alan teorisini kullanarak cisimler üzerindeki ışık basıncını hesapladı. Maxwell'in hesaplamalarına göre, ışık enerjisi E, 1 s'de yansıma katsayısı R olan bir birim alana dik düşerse, o zaman ışığın, bağımlılıkla ifade edilen basınç uyguladığı ortaya çıktı: burada c, ışığın hızıdır.

Bu formül aynı zamanda ışığın bir yüzeyle etkileşime giren foton akışı olarak ele alınmasıyla da elde edilebilir (Şekil 2). Bazı bilim adamları Maxwell'in teorik hesaplamalarından şüphe duyuyordu ancak sonucunu deneysel olarak doğruladılar uzun zamandır işe yaramadı. Orta enlemlerde, güneş öğle saatlerinde tamamen yansıtıcı bir yüzeyde ışık ışınları, yalnızca eşit bir basınç. Işık basıncı ilk kez 1899'da Rus fizikçi P. N. Lebedev tarafından ölçüldü. İnce bir ipliğe iki çift kanat astı: birinin yüzeyi karartıldı, diğeri aynalandı (Şek. 3). Işık neredeyse tamamen yansıdı ayna yüzeyi ve aynalı kanat üzerindeki basıncı kararmış olanın iki katı kadardı. Cihazı döndüren bir anlık kuvvet yaratıldı. Dönme açısına göre kanatlara etki eden kuvvet değerlendirilebilir ve dolayısıyla hafif basınç ölçülebilir.

Deney, cihaz aydınlatıldığında ortaya çıkan ve özel önlemler alınmadığı sürece ışık basıncından binlerce kat daha fazla olan dış kuvvetler nedeniyle karmaşık hale gelir. Bu kuvvetlerden biri radyometrik etkiyle ilişkilidir. Bu etki, kanadın aydınlık ve karanlık tarafları arasındaki sıcaklık farkından kaynaklanmaktadır. Işıkla ısıtılan taraf, artık gaz moleküllerini daha soğuk, aydınlatılmayan tarafa göre daha hızlı yansıtır. Bu nedenle, gaz molekülleri aydınlatılan tarafa daha büyük bir itme aktarır ve kanatlar, hafif basıncın etkisi altında olduğu gibi aynı yönde dönme eğilimi gösterir - yanlış bir etki oluşur. P. N. Lebedev, ısıyı iyi ileten ince folyodan kanatlar yapıp bunları vakuma yerleştirerek radyometrik etkiyi minimuma indirdi. Sonuç olarak, hem siyah ve parlak yüzeylerin bireysel molekülleri tarafından iletilen impulslardaki fark (aralarındaki daha küçük sıcaklık farkı nedeniyle) hem de toplam sayı yüzeye düşen moleküller (düşük gaz basıncı nedeniyle).

Lebedev'in deneysel çalışmaları Kepler'in kuyruklu yıldız kuyruklarının doğası hakkındaki varsayımını destekledi. Bir parçacığın yarıçapı küçüldükçe küple orantılı olarak Güneş'e olan çekimi azalır, ışık basıncı da yarıçapın karesiyle orantılı olarak azalır. Radyasyon yoğunluğu ve yerçekimi çekim kuvvetleri aynı yasaya göre azaldığından, küçük parçacıklar Güneş'ten uzaklığı ne olursa olsun Güneş'ten itilme yaşayacaklardır. Işık basıncı, Evrende var olan yıldızların maksimum boyutunu sınırlar. Bir yıldızın kütlesi arttıkça katmanlarının merkeze doğru olan çekim kuvveti artar. Bu nedenle yıldızların iç katmanları büyük ölçüde sıkıştırılır ve sıcaklıkları milyonlarca dereceye yükselir. Doğal olarak bu, iç katmanların dışarıya doğru ışık basıncını önemli ölçüde artırır. sen normal yıldızlar Yıldızı sabitleyen yerçekimi kuvvetleri ile onu yok etme eğiliminde olan hafif basınç kuvvetleri arasında bir denge oluşur. Yıldızlar için çok büyük kütle böyle bir denge oluşmaz, kararsızdırlar ve Evrende bulunmamaları gerekir. Astronomik gözlemler doğrulandı: "en ağır" yıldızlar, yıldızların içindeki yerçekimi ve ışık basıncı dengesini hesaba katan teorinin hala izin verdiği maksimum kütleye sahiptir.