>> Áp lực nhẹ

§ 91 ÁP LỰC ÁNH SÁNG

dựa trên Maxwell lý thuyết điện từánh sáng dự đoán rằng ánh sáng sẽ gây áp lực lên chướng ngại vật.

Dưới tác dụng của điện trường của sóng tới trên bề mặt vật thể, ví dụ như kim loại, một electron tự do sẽ chuyển động theo hướng ngược lại với vectơ(Hình 11.7). Một electron chuyển động chịu tác dụng của lực Lorentz hướng theo phương truyền sóng. Tổng lực, tác dụng lên các electron của bề mặt kim loại và xác định lực ép của ánh sáng.

Để chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết Maxwell, điều quan trọng là phải đo áp suất ánh sáng. Nhiều nhà khoa học đã cố gắng làm điều này nhưng không thành công vì áp suất ánh sáng rất thấp. Vào một ngày nắng đẹp, một lực chỉ bằng 4 10 -6 N tác dụng lên một bề mặt có diện tích 1 m 2. Áp suất ánh sáng lần đầu tiên được đo bởi nhà vật lý người Nga Pyotr Nikolaevich Lebedev vào năm 1900.

Lebedev Petr Nikolaevich (1866-1912)- Nhà vật lý người Nga là người đầu tiên đo được áp suất của ánh sáng lên chất rắn và chất khí. Những công trình này đã xác nhận một cách định lượng lý thuyết của Maxwell. Trong nỗ lực tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm mới về lý thuyết điện từ của ánh sáng, ông đã thu được sóng điện từ có bước sóng milimet và nghiên cứu tất cả các tính chất của chúng. Được tạo ra đầu tiên ở Nga trường thể chất. Nhiều nhà khoa học kiệt xuất của Liên Xô từng là học trò của ông. Tên của Lebedev là viện vật lý Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô (FIAN).

Thiết bị của Lebedev bao gồm một thanh rất nhẹ trên một sợi thủy tinh mỏng, nhưng các cạnh của thanh này có các cánh nhẹ được dán vào chúng (Hình 11.8). Toàn bộ thiết bị được đặt trong một bình mà từ đó không khí được bơm ra ngoài. Ánh sáng rơi xuống đôi cánh nằm ở một bên của thanh. Giá trị áp suất có thể được đánh giá bằng góc xoắn của sợi. Khó khăn đo lường chính xácáp suất nhẹ có liên quan đến việc không thể bơm hết không khí ra khỏi tàu (sự chuyển động của các phân tử không khí gây ra bởi sự nóng lên không đồng đều của cánh và thành tàu dẫn đến mô-men xoắn bổ sung). Ngoài ra, độ xoắn của sợi còn bị ảnh hưởng do nhiệt độ không đồng đều ở hai bên của cánh (phía đối diện với nguồn sáng nóng lên hơn phía đối diện). Các phân tử phản xạ từ phía nóng hơn truyền nhiều động lượng đến cánh nhỏ hơn các phân tử phản xạ từ phía ít nóng hơn.

Lebedev đã vượt qua được tất cả những khó khăn này, mặc dù mức độ thấp kỹ thuật thử nghiệm thời đó, sử dụng một chiếc tàu rất lớn và đôi cánh rất mỏng. Cuối cùng, sự tồn tại của áp suất ánh sáng lên chất rắn đã được chứng minh và đo lường. Giá trị thu được trùng khớp với dự đoán của Maxwell. Sau đó, sau ba năm làm việc, Lebedev đã thực hiện được một thí nghiệm thậm chí còn tinh tế hơn: đo áp suất của ánh sáng lên chất khí.

Sự xuất hiện của lý thuyết lượng tử ánh sáng đã giúp giải thích đơn giản hơn nguyên nhân của áp suất ánh sáng. Photon, giống như các hạt vật chất có khối lượng nghỉ, có động lượng. Khi được cơ thể hấp thụ, chúng sẽ truyền xung lực của mình đến cơ thể. Theo định luật bảo toàn động lượng thì động lượng của vật trở thành bằng xung lực photon bị hấp thụ. Do đó, một vật đang đứng yên sẽ chuyển động. Theo định luật thứ hai của Newton, sự thay đổi động lượng của một vật có nghĩa là có một lực tác dụng lên vật.

Các thí nghiệm của Lebedev có thể được coi là bằng chứng thực nghiệm cho thấy photon có động lượng.

Mặc dù áp suất ánh sáng rất thấp trong điều kiện bình thường, tuy nhiên tác dụng của nó có thể rất đáng kể. Bên trong các ngôi sao, ở nhiệt độ vài chục triệu Kelvin, áp suất của bức xạ điện từ sẽ đạt tới giá trị rất lớn. Lực ép nhẹ cùng với lực hấp dẫnđóng một vai trò quan trọng trong các quá trình sao.

Theo điện động lực học Maxwell, áp suất ánh sáng phát sinh do tác dụng của lực Lorentz lên các electron của môi trường dao động dưới tác dụng của điện trường sóng điện từ. Theo quan điểm của lý thuyết lượng tử, áp suất xuất hiện là kết quả của việc truyền các xung photon đến cơ thể khi chúng được hấp thụ.

Myakishev G. Ya., Vật lý. Lớp 11: giáo dục. cho giáo dục phổ thông tổ chức: cơ bản và hồ sơ. cấp độ / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; được chỉnh sửa bởi V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - Tái bản lần thứ 17, có sửa đổi. và bổ sung - M.: Education, 2008. - 399 tr.: ill.

Tải sách giáo khoa các môn, soạn giáo án cho giáo viên, Vật lý và thiên văn lớp 11 trực tuyến

Nội dung bài học ghi chú bài học hỗ trợ phương pháp tăng tốc trình bày bài học khung công nghệ tương tác Luyện tập nhiệm vụ và bài tập hội thảo tự kiểm tra, đào tạo, tình huống, nhiệm vụ bài tập về nhà vấn đề gây tranh cãi câu hỏi tu từ từ sinh viên Minh họa âm thanh, video clip và đa phương tiện hình ảnh, hình ảnh, đồ họa, bảng biểu, sơ đồ, hài hước, giai thoại, truyện cười, truyện tranh, ngụ ngôn, câu nói, ô chữ, trích dẫn Tiện ích bổ sung tóm tắt bài viết thủ thuật cho trẻ tò mò sách giáo khoa từ điển cơ bản và bổ sung các thuật ngữ khác Cải thiện sách giáo khoa và bài họcsửa lỗi trong sách giáo khoa cập nhật một đoạn trong sách giáo khoa, những yếu tố đổi mới trong bài, thay thế kiến ​​thức cũ bằng kiến ​​thức mới Chỉ dành cho giáo viên bài học hoàn hảo kế hoạch lịch trong một năm khuyến nghị về phương pháp chương trình thảo luận Bài học tích hợp

48. Yếu tố quang học lượng tử. Năng lượng, khối lượng và động lượng của photon. Suy ra công thức áp suất ánh sáng dựa trên ý tưởng lượng tử về bản chất của ánh sáng.

Vì vậy, sự truyền ánh sáng không được coi là sự truyền sóng liên tục

mà là một dòng gồm các hạt rời rạc định vị trong không gian, chuyển động với tốc độ truyền ánh sáng trong chân không. Sau đó (năm 1926) những hạt này được gọi là photon. Photon có tất cả các tính chất của một hạt (tiểu thể).

Sự phát triển giả thuyết của Planck đã dẫn đến việc tạo ra các ý tưởng về tính chất lượng tử Sveta. Lượng tử ánh sáng được gọi là photon. Theo định luật tỉ lệ khối lượng, năng lượng và giả thuyết Planck, năng lượng của photon được xác định bởi các công thức

.

Đánh đồng vế phải của các phương trình này, chúng ta thu được biểu thức cho khối lượng photon

hoặc có tính đến điều đó,

Động lượng của photon được xác định theo công thức:

Khối lượng nghỉ của photon bằng không. lượng tử bức xạ điện từ chỉ tồn tại khi truyền với tốc độ ánh sáng, đồng thời sở hữu các giá trị năng lượng và động lượng hữu hạn. Trong ánh sáng đơn sắc có tần số ν, mọi photon đều có cùng năng lượng, động lượng và khối lượng.

Áp lực nhẹ

Bức xạ ánh sáng có thể truyền năng lượng của nó đến cơ thể dưới dạng áp suất cơ học.

Ông đã chứng minh rằng ánh sáng bị hấp thụ hoàn toàn bởi một tấm đen sẽ tác dụng một lực lên nó. Áp suất ánh sáng biểu hiện ở chỗ một lực phân bố tác dụng lên bề mặt được chiếu sáng của vật thể theo hướng truyền ánh sáng tỷ lệ thuận với mật độ năng lượng ánh sáng và phụ thuộc vào tính chất quang học các bề mặt.

Nhờ áp dụng các định luật cơ học vào các phép đo quang học của Lebedev, người ta đã thu được một mối liên hệ cực kỳ quan trọng chứng tỏ rằng năng lượng luôn tương đương với khối lượng. Einstein là người đầu tiên chỉ ra rằng phương trình mc 2 = E là phổ quát và có giá trị đối với mọi loại năng lượng.

Hiện tượng này có thể được giải thích từ quan điểm của cả khái niệm sóng và hạt về bản chất của ánh sáng. Trong trường hợp đầu tiên, đây là kết quả của sự tương tác dòng điện gây ra trong cơ thể điện trường sóng ánh sáng có từ trường tuân theo định luật Ampe. Điện trường và từ trường của sóng ánh sáng thay đổi tuần hoàn theo không gian và thời gian khi tương tác với bề mặt của một chất sẽ tác dụng một lực lên các electron của các nguyên tử của chất đó. Điện trường của sóng làm cho các electron dao động. Lực Lorentz từ bên cạnh từ trường sóng được định hướng dọc theo hướng truyền sóng và đại diện cho lực ép nhẹ. Thuyết lượng tử giải thích áp suất của ánh sáng là do các photon có động lượng nhất định và khi tương tác với vật chất, chúng truyền một phần động lượng sang các hạt của chất đó, từ đó tạo ra áp suất lên bề mặt của nó (có thể rút ra một sự tương tự với các tác động của các phân tử trên thành bình, trong đó động lượng truyền vào thành bình xác định áp suất khí trong bình).

Khi được hấp thụ, các photon truyền động lượng của chúng đến vật thể mà chúng tương tác. Đây là nguyên nhân gây ra áp lực nhẹ.

Hãy xác định áp suất của ánh sáng trên một bề mặt bằng lý thuyết lượng tử của bức xạ.

Cho bức xạ có tần số ν rơi vuông góc với một bề mặt nào đó (Hình 5). Cho bức xạ này gồm N photon rơi xuống bề mặt của một mặt phẳng

dành ∆ S cho thời gian ∆ t. Bề mặt hấp thụ N 1 photon và phản xạ

Hạ N 2, tức là N = N 1 + N 2.

	Tiếp theo 48
Mỗi photon bị hấp thụ (tác động không đàn hồi) truyền động lượng lên bề mặt				Và mọi người từ-
photon bị ảnh hưởng (tác động đàn hồi) truyền động lượng cho nó			Sau đó tất cả các photon tới được truyền đi
thổi một xung bằng
Trong trường hợp này, ánh sáng sẽ tác dụng lên bề mặt một lực
những thứ kia. gây áp lực

Nhân và chia vế phải của đẳng thức này cho N, ta được

Cuối cùng

đâu là năng lượng của tất cả N photon tới trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian, kích thước-

ity; – hệ số phản xạ.

Đối với bề mặt màu đen ρ = 0 và áp suất sẽ bằng nhau.

đại diện cho mật độ lớn năng lượng, kích thước của nó .

Khi đó nồng độ của n photon trong một chùm tia tới trên bề mặt sẽ là

.

Thay (2.2) vào phương trình áp suất nhẹ, ta thu được

Áp suất do ánh sáng tạo ra khi rơi xuống mặt phẳng có thể tính bằng công thức

Trong đó E là cường độ chiếu xạ bề mặt (hoặc độ chiếu sáng), c là tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không, α, là tỷ lệ năng lượng tới được cơ thể hấp thụ (hệ số hấp thụ

tion), ρ là phần năng lượng tới được phản xạ bởi vật thể (hệ số phản xạ), θ là góc giữa hướng của bức xạ và pháp tuyến của bề mặt được chiếu xạ. Nếu cơ thể không trong suốt, nghĩa là mọi thứ

bức xạ tới bị phản xạ và hấp thụ thì α +ρ =1.

49 Các yếu tố của quang học lượng tử. Hiệu ứng Compton Thuyết nhị nguyên sóng hạt của ánh sáng (bức xạ).

3) Nhị nguyên sóng-hạt của bức xạ điện từ

Vì vậy, học bức xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton cho thấy bức xạ điện từ (cụ thể là ánh sáng) có đầy đủ tính chất của một hạt (tiểu thể). Tuy nhiên nhóm lớn hiện tượng quang học- Giao thoa, nhiễu xạ, phân cực biểu thị tính chất sóng bức xạ điện từ, đặc biệt là ánh sáng.

Những gì tạo nên ánh sáng - sóng điện từ liên tục phát ra từ một nguồn hoặc một dòng photon rời rạc, ngẫu nhiên đối với một sóng điện từ, không loại trừ các tính chất rời rạc đặc trưng của photon.

Ánh sáng (bức xạ điện từ) đồng thời có tính chất của sóng điện từ liên tục và tính chất của các photon rời rạc. Đây là thuyết nhị nguyên sóng hạt (lưỡng tính) của bức xạ điện từ.

2) Hiệu ứng Compton Bao gồm việc tăng bước sóng bức xạ tia X khi nó bị phân tán bởi vật chất. Thay đổi bước sóng

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

trong đó k =h/(mc) là bước sóng Compton, m là khối lượng nghỉ của

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

Tất cả các đặc điểm của hiệu ứng Compton được giải thích bằng cách coi tán xạ là một quá trình va chạm đàn hồi Các photon tia X có electron tự do, trong đó tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng.

Theo (9), sự thay đổi bước sóng chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ và không phụ thuộc vào bước sóng tia X hoặc loại chất.

1) Các yếu tố của quang học lượng tử. Photon, năng lượng, khối lượng và động lượng của photon

Để giải thích sự phân bố năng lượng trong phổ bức xạ nhiệt, Planck cho rằng sóng điện từ được phát ra theo từng phần (lượng tử). Einstein vào năm 1905 đã đi đến kết luận rằng bức xạ không chỉ được phát ra mà còn lan truyền và bị hấp thụ dưới dạng lượng tử. Kết luận này giúp giải thích được tất cả các sự kiện thực nghiệm (hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, v.v.) mà điện động lực học cổ điển không thể giải thích được, dựa trên các khái niệm sóng về các tính chất của bức xạ. Vì vậy, sự truyền ánh sáng không được coi là liên tục quá trình sóng, mà là một dòng gồm các hạt rời rạc định vị trong không gian, chuyển động với tốc độ truyền ánh sáng trong chân không. Sau đó (năm 1926) những hạt này được gọi là photon. Photon có tất cả các tính chất của một hạt (tiểu thể).

1. Năng lượng photon

Do đó, hằng số Planck đôi khi được gọi là lượng tử tác dụng. Ví dụ, thứ nguyên trùng với thứ nguyên của động lượng góc (L=r mv).

Như sau từ (1), năng lượng photon tăng khi tần số tăng (hoặc bước sóng giảm),

2. Khối lượng photon được xác định dựa trên định luật về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng (E=mc 2)

3. Xung quang. Đối với bất kỳ hạt tương đối tính nào, năng lượng của nó Vì photon có m 0 = 0 nên động lượng của photon

những thứ kia. bước sóng tỉ lệ nghịch với động lượng

50. Mô hình hạt nhân nguyên tử theo Rutherford. Quang phổ của nguyên tử hydro. Công thức Balmer tổng quát. Chuỗi quang phổ của nguyên tử hydro. Khái niệm về terma.

1) Rutherford đề xuất mô hình hạt nhân nguyên tử. Theo mô hình này, một nguyên tử gồm một hạt nhân dương có điện tích Ze (Z - số seri nguyên tố trong bảng tuần hoàn, e - điện tích cơ bản), kích cỡ 10 -5 -10 -4 A (1A = 10 -10 m) và khối lượng gần như bằng khối lượng nguyên tử. Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo kín, tạo thành vỏ điện tử nguyên tử. Vì các nguyên tử trung hòa nên các electron Z phải quay quanh hạt nhân, tổng điện tích của nó là Zе. Kích thước của nguyên tử được xác định bởi kích thước quỹ đạo bên ngoài của các electron và theo thứ tự đơn vị A.

Khối lượng của electron chiếm một phần rất nhỏ khối lượng hạt nhân (đối với hydro 0,054%, đối với các nguyên tố khác nhỏ hơn 0,03%). Khái niệm “kích thước electron” không thể được xây dựng một cách nhất quán, mặc dù ro 10-3 A được gọi là bán kính electron cổ điển. Vì vậy, hạt nhân nguyên tử chiếm một phần không đáng kể trong thể tích của nguyên tử và gần như toàn bộ (99,95%) khối lượng của nguyên tử tập trung ở đó. Nếu hạt nhân nguyên tử nằm gần nhau thì khối cầu sẽ có bán kính 200 m chứ không phải 6400 km (mật độ vật chất

hạt nhân nguyên tử 1.8

2) Quang phổ vạch của nguyên tử hydro

Phổ phát xạ của hydro nguyên tử bao gồm các vạch quang phổ riêng biệt, nằm ở theo một thứ tự nhất định. Năm 1885, Balmer phát hiện ra rằng bước sóng (hoặc tần số) của những vạch này có thể được biểu diễn bằng công thức.

, (9)

trong đó R =1,0974 7 m -1 còn được gọi là hằng số Rydberg.

Trong hình. Hình 1 thể hiện sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử hydro, được tính theo (6) tại z=1.

Khi một electron chuyển từ mức năng lượng cao hơn đến mức n = 1, bức xạ cực tím hoặc bức xạ chuỗi Lyman (SL) sẽ xảy ra.

Khi electron chuyển lên mức n = 2 thì bức xạ nhìn thấy được hoặc bức xạ loạt Balmer (SB).

Khi các electron chuyển động từ nhiều hơn mức độ cao mỗi cấp độ n =

3 phát sinh bức xạ hồng ngoại, hoặc bức xạ chuỗi Paschen (SP), v.v.

Tần số hoặc bước sóng của bức xạ phát sinh trong trường hợp này được xác định theo công thức (8) hoặc (9) với m = 1 đối với chuỗi Lyman, m = 2 đối với chuỗi Balmer và m = 3 đối với chuỗi Paschen. Năng lượng của photon được xác định theo công thức (7), tính đến (6), năng lượng này có thể bị khử đối với các nguyên tử giống hydro về dạng:

eV (10)

50 tiếp tục

4) Chuỗi quang phổ của hydro- tập hợp các dãy quang phổ tạo nên quang phổ của nguyên tử hydro. Vì hydro là nguyên tử đơn giản nhất nên chuỗi quang phổ của nó được nghiên cứu nhiều nhất. Họ tuân thủ tốt công thức Rydberg:

,

trong đó R = 109.677 cm−1 là hằng số Rydberg của hydro, n′ là cấp chính của dãy. vạch quang phổ, phát sinh trong quá trình chuyển đổi sang chính mức năng lượng,

được gọi là cộng hưởng, tất cả những thứ khác được gọi là cấp dưới.

Dòng Lyman

Được phát hiện bởi T. Lyman vào năm 1906. Tất cả các dòng trong loạt đều nằm trong phạm vi tia cực tím. Chuỗi này tương ứng với công thức Rydberg với n′ = 1 và n = 2, 3, 4,

Dòng Balmer

Được phát hiện bởi I. Ya. Balmer vào năm 1885. Bốn dòng đầu tiên của chuỗi nằm trong phạm vi nhìn thấy được. Chuỗi này tương ứng với công thức Rydberg với n′ = 2 và n = 3, 4, 5

5) Thuật ngữ quang phổ hoặc thuật ngữ điện tửnguyên tử, phân tử hoặc ion - cấu hình

máy bộ đàm (tiểu bang) hệ thống con điện tử, xác định mức năng lượng. Đôi khi thuật ngữ này được hiểu là năng lượng. cấp độ này. Sự chuyển tiếp giữa các số hạng xác định phổ phát xạ và hấp thụ của bức xạ điện từ.

Các thuật ngữ của một nguyên tử thường được ký hiệu bằng chữ in hoa S,P,D,F, v.v., tương ứng với giá trị của số lượng tử xung lượng góc quỹ đạo L = 0, 1, 2, 3, v.v. Số lượng tử Tổng xung lượng góc J được cho bởi chỉ số dưới cùng bên phải. Số nhỏ ở trên cùng bên trái biểu thị bội số ( sự đa dạng) hạn. Ví dụ: ²P 3/2 là cặp đôi P. Đôi khi (theo quy luật, đối với các nguyên tử và ion có một electron), ký hiệu thuật ngữ được biểu thị bằng số lượng tử chính(ví dụ: 2²S 1/2).

ÁP SUẤT CBETA, áp suất do ánh sáng tác dụng lên các vật thể, hạt, và các phân tử và nguyên tử riêng lẻ; một trong những hành động suy ngẫm của ánh sáng liên quan đến việc truyền xung lực trường điện từ chất. Giả thuyết về sự tồn tại của áp suất ánh sáng lần đầu tiên được I. Kepler đưa ra vào thế kỷ 17 để giải thích sự lệch của đuôi sao chổi so với Mặt trời. Lý thuyết áp suất ánh sáng bên trong điện động lực học cổ điển do J.C. Maxwell đưa ra năm 1873. Trong đó, áp suất của ánh sáng được giải thích bằng sự tán xạ và hấp thụ sóng điện từ bởi các hạt vật chất. Trong khuôn khổ lý thuyết lượng tử, áp suất ánh sáng là kết quả của sự truyền động lượng của các photon tới vật thể.

Với ánh sáng tới bình thường trên bề mặt vật rắn, áp suất ánh sáng p được xác định theo công thức:

р = S(1 + R)/с, trong đó

S là mật độ dòng năng lượng (cường độ ánh sáng), R là hệ số phản xạ ánh sáng từ bề mặt, c là tốc độ ánh sáng. Trong điều kiện bình thường, áp suất ánh sáng hầu như không đáng kể. Ngay cả trong chùm tia laser mạnh (1 W/cm 2 ), áp suất ánh sáng vào khoảng 10 -4 g/cm 2 . Một chùm tia laser có tiết diện rộng có thể được tập trung, và khi đó lực áp suất ánh sáng tại tiêu điểm của chùm tia có thể giữ một hạt miligam lơ lửng.

Áp suất của ánh sáng lên chất rắn được nghiên cứu thực nghiệm lần đầu tiên bởi P. N. Lebedev vào năm 1899. Khó khăn chính trong việc phát hiện thực nghiệm áp suất ánh sáng là cô lập nó khỏi nền của lực bức xạ và đối lưu, độ lớn của chúng phụ thuộc vào áp suất của khí xung quanh vật thể và, trong trường hợp không đủ chân không, có thể vượt quá áp suất ánh sáng. theo nhiều bậc độ lớn. Trong các thí nghiệm của Lebedev, trong một bình thủy tinh chân không (áp suất khoảng 10 -4 mm Hg), các cánh tay đòn của một cân xoắn có cánh đĩa mỏng gắn vào chúng được treo trên một sợi bạc mỏng, được chiếu xạ. Đôi cánh được làm bằng nhiều kim loại và mica khác nhau với các bề mặt đối lập giống hệt nhau. Bằng cách chiếu xạ tuần tự bề mặt phía trước và phía sau của các cánh có độ dày khác nhau, Lebedev có thể vô hiệu hóa hiệu ứng dư của lực phóng xạ và đạt được sự phù hợp thỏa đáng (với sai số ± 20%) với lý thuyết của Maxwell. Năm 1907-10 Lebedev nghiên cứu áp suất của ánh sáng lên chất khí.

Áp lực nhẹ đang phát vai trò lớn trong thiên văn học và hiện tượng nguyên tử. Áp suất ánh sáng trong các ngôi sao, cùng với áp suất của khí, đảm bảo sự ổn định của chúng, chống lại lực hấp dẫn. Tác động của áp suất ánh sáng giải thích một số hình dạng của đuôi sao chổi. Khi một photon được các nguyên tử phát ra, cái gọi là hiện tượng giật lại ánh sáng xảy ra và các nguyên tử nhận được động lượng của photon. Trong vật chất ngưng tụ, áp suất ánh sáng có thể tạo ra dòng điện mang điện (xem Sự cuốn theo electron của photon). Áp lực bức xạ mặt trời Họ đang cố gắng sử dụng nó để tạo ra một loại thiết bị đẩy không gian - cái gọi là cánh buồm mặt trời.

Các đặc điểm cụ thể của áp suất ánh sáng được phát hiện trong các hệ nguyên tử loãng trong quá trình tán xạ cộng hưởng của ánh sáng cường độ cao, khi tần số bức xạ laze bằng tần số chuyển tiếp nguyên tử. Sau khi hấp thụ một photon, nguyên tử nhận được một xung lực theo hướng của chùm tia laser và chuyển sang trạng thái kích thích. Hơn nữa, khi phát ra một photon một cách tự phát, nguyên tử thu được động lượng (phát sáng) theo một hướng tùy ý. Với sự hấp thụ và phát xạ tự phát tiếp theo của các photon, nguyên tử liên tục nhận được các xung hướng dọc theo chùm sáng, tạo ra áp suất ánh sáng.

Lực F của áp suất cộng hưởng của ánh sáng lên một nguyên tử được định nghĩa là động lượng được truyền bởi dòng photon có mật độ N trên một đơn vị thời gian: F = Nћkσ, trong đó ћk = 2πћ/λ là động lượng của một photon, σ ≈ λ 2 là tiết diện hấp thụ của photon cộng hưởng, λ là bước sóng ánh sáng, k - số sóng, ћ - hằng số Planck. Ở mật độ bức xạ tương đối thấp, áp suất cộng hưởng của ánh sáng tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng. Tại mật độ cao Trong dòng photon N, độ bão hòa hấp thụ và áp suất ánh sáng cộng hưởng bão hòa (xem hiệu ứng Bão hòa). Trong trường hợp này, áp suất ánh sáng được tạo ra bởi các photon phát ra tự phát từ các nguyên tử có tần số trung bình γ (ngược lại với thời gian tồn tại của nguyên tử bị kích thích) theo hướng ngẫu nhiên. Cường độ của áp suất ánh sáng không còn phụ thuộc vào cường độ mà được xác định bởi tốc độ của các sự kiện phát xạ tự phát: F≈ћkγ. Vì giá trị điển hìnhγ ≈ 10 8 s -1 và λ ≈0,6 μm lực ép nhẹ F≈5·10 -3 eV/cm; khi bão hòa, áp suất cộng hưởng của ánh sáng có thể tạo ra gia tốc của các nguyên tử lên tới 10 5 g (g là gia tốc rơi tự do). Những lực lớn như vậy cho phép điều khiển có chọn lọc các chùm nguyên tử, làm thay đổi tần số ánh sáng và tác động khác nhau đến các nguyên tử có tần số hấp thụ cộng hưởng hơi khác nhau. Đặc biệt, có thể nén phân bố vận tốc Maxwell bằng cách loại bỏ các nguyên tử tốc độ cao khỏi chùm tia. Ánh sáng laser hướng về phía chùm tia nguyên tử, đồng thời lựa chọn tần số và hình dạng của phổ bức xạ sao cho áp suất ánh sáng làm chậm các nguyên tử nhanh có độ dịch chuyển lớn. tần số cộng hưởng(xem hiệu ứng Doppler). Áp suất cộng hưởng của ánh sáng có thể được sử dụng để tách các chất khí: khi một bình hai buồng chứa đầy hỗn hợp hai chất khí, các nguyên tử của một trong hai chất khí đó cộng hưởng với bức xạ, được chiếu xạ, các nguyên tử cộng hưởng, dưới tác dụng của áp suất nhẹ sẽ di chuyển vào buồng xa.

Áp suất cộng hưởng của ánh sáng lên các nguyên tử đặt trong trường cường độ cao có một số đặc điểm. sóng dừng. VỚI chấm lượng tử Theo quan điểm, một sóng đứng được hình thành bởi các dòng photon ngược chiều gây ra những chấn động cho nguyên tử do sự hấp thụ các photon và sự phát xạ kích thích của chúng. Sức mạnh trung bình, tác dụng lên nguyên tử, không bằng 0 do tính không đồng nhất của trường ở bước sóng. Theo quan điểm cổ điển, lực của áp suất ánh sáng là do tác động của một trường không đồng nhất về mặt không gian lên lưỡng cực nguyên tử do nó gây ra. Lực này là tối thiểu tại các nút nơi mô men lưỡng cực không được tạo ra và tại các nút nơi gradient trường biến mất. Lực áp suất ánh sáng cực đại có độ lớn bằng F≈ ±Ekd (các dấu chỉ chuyển động cùng pha và ngược pha của các lưỡng cực có mômen d so với trường có cường độ E). Lực này có thể đạt tới những giá trị khổng lồ: d≈ 1 debye, λ≈0,6 μm và E≈ 10 6 V/cm lực F≈5∙10 2 eV/cm. Trường của sóng dừng phân tầng một chùm nguyên tử truyền qua một chùm ánh sáng, vì các lưỡng cực, dao động ngược pha, di chuyển theo những quỹ đạo khác nhau, giống như các nguyên tử trong thí nghiệm Stern-Gerlach. Các nguyên tử chuyển động dọc theo chùm tia laser bị ảnh hưởng bởi lực áp suất ánh sáng xuyên tâm gây ra bởi mật độ không đồng nhất xuyên tâm trường ánh sáng. Trong cả sóng dừng và sóng truyền, không chỉ xảy ra chuyển động xác định của các nguyên tử mà còn xảy ra sự khuếch tán của chúng trong không gian pha, vì sự hấp thụ và phát xạ của photon là lượng tử. quá trình ngẫu nhiên. Các giả hạt trong chất rắn: electron, kích thích, v.v.

Lít.: Bộ sưu tập Lebedev P. N.. Ồ. M., 1963; Ashkin A. Áp suất của bức xạ laser // Những tiến bộ khoa học vật lý. 1973. T. 110. Số phát hành. 1; Kazantsev A.P. Áp suất ánh sáng cộng hưởng // Ibid. 1978. T. 124. Số phát hành. 1; Letokhov V. S., Minogin V. G. Áp suất của bức xạ laser lên các nguyên tử. M., 1986.

S. G. Przhibelsky.

Lý thuyết lượng tử ánh sáng giải thích áp suất ánh sáng là kết quả của các photon truyền động lượng của chúng tới các nguyên tử hoặc phân tử vật chất.

Hãy để trên bề mặt của khu vực S thường rơi vào cô ấy mỗi giây

N tần số photon v . Mỗi photon đều có động lượng hv/c . Nếu như

r là độ phản xạ bề mặt, khi đó pN photon sẽ bị phản xạ khỏi bề mặt, ( 1-p) N photon sẽ bị hấp thụ.

Mỗi lượng tử ánh sáng được hấp thụ sẽ truyền một xung tới bề mặt hv/c và mỗi xung phản xạ [(hv/c) - (-hv/c)] = 2hv/c , vì khi phản xạ hướng của động lượng photon thay đổi theo hướng ngược lại và động lượng mà nó truyền sang các hạt vật chất là 2hv/c . Đầy xung lực mà bề mặt cơ thể nhận được sẽ là

Hãy tính áp suất ánh sáng. Để làm điều này, chúng ta chia (20.18) cho diện tích S của “cánh”: (20.19)

Nếu chúng ta xét hvN/S = Ee thì công thức (20.19) sẽ có dạng

(20.20)

Biểu thức (20.17) và (20.20), được rút ra trong khuôn khổ điện từ và lý thuyết lượng tử, trùng nhau.

Giá trị của những kết quả này đã được chứng minh bằng thực nghiệm bằng thí nghiệm của P.N. Lebedeva.

Áp lực ánh sáng tự nhiên rất ít. Nếu hệ số hấp thụ bề mặt gần bằng 1 thì áp suất tác dụng tia nắng với các bề mặt như vậy được tìm thấy trên Trái đất là khoảng

5 10 Pa (tức là 3,7 10 mmHg) . Áp suất này nhỏ hơn mười bậc độ lớn áp suất khí quyểnở bề mặt Trái đất.

P.N. Lebedev chỉ có thể đo được áp suất thấp như vậy bằng cách thể hiện sự khéo léo và kỹ năng đặc biệt trong việc thiết lập và tiến hành thí nghiệm.

Áp suất ánh sáng không có vai trò gì trong những hiện tượng chúng ta gặp trong cuộc sống. Nhưng trong các hệ thống vũ trụ và vi mô, vai trò của nó rất quan trọng.

Trong thế giới vi mô, áp suất của ánh sáng được biểu hiện ở mức phát sáng mà một nguyên tử bị kích thích trải qua khi nó phát ra ánh sáng. Lực hấp dẫn các lớp vật chất sao bên ngoài hướng về phía trung tâm của nó được cân bằng bởi một lực, sự góp phần đáng kể vào lực này là do áp suất của ánh sáng đến từ độ sâu của ngôi sao hướng ra ngoài.

Tác dụng hóa học Sveta

Dưới tác dụng của ánh sáng, một số chất xảy ra sự biến đổi hóa học - Phản ứng quang hóa . Các biến đổi quang hóa rất đa dạng. Dưới tác dụng của ánh sáng phân tử phức tạp có thể phân hủy thành các phần cấu thành (ví dụ bạc bromua thành bạc và brom) hoặc. ngược lại, các phân tử phức tạp được hình thành (ví dụ: nếu bạn chiếu sáng hỗn hợp clo và hydro thì phản ứng hình thành hydro clorua diễn ra dữ dội đến mức kèm theo một vụ nổ).

Nhiều phản ứng quang hóa đóng một vai trò lớn trong tự nhiên và công nghệ. Cái chính là phân hủy quang hóa của carbon dioxide , xảy ra dưới tác động của ánh sáng ở các phần xanh của cây. Phản ứng này có tầm quan trọng lớn, bởi vì nó đảm bảo chu trình carbon, nếu không có nó thì không thể tồn tại lâu dài cuộc sống hữu cơ trên Trái đất. Là kết quả của hoạt động sống còn của động vật và thực vật (hô hấp), quá trình liên tục quá trình oxy hóa cacbon (hình thành CO2 ). Quy trình ngược lại Quá trình khử carbon xảy ra dưới tác động của ánh sáng ở các phần xanh của cây. Phản ứng này diễn ra theo sơ đồ 2СО2 2СО + О2

Phản ứng quang hóa của sự phân hủy bạc bromua là nền tảng của nhiếp ảnh và tất cả các kỹ thuật và khoa học của nó. ứng dụng kỹ thuật, hiện tượng phai màu sơn, chủ yếu xảy ra do quá trình oxy hóa quang hóa của các loại sơn này, có tác động rất lớn giá trị lớnđể hiểu các quá trình xảy ra trong mắt con người và động vật và những nguyên nhân cơ bản nhận thức trực quan. Hiện nay có nhiều phản ứng quang hóa được sử dụng trong sản xuất hóa chất và do đó có ý nghĩa công nghiệp trực tiếp.

Ánh sáng không chỉ được vật chất hấp thụ và phản xạ mà còn tạo ra áp lực lên bề mặt cơ thể. Trở lại năm 1604, nhà thiên văn học người Đức J. Kepler đã giải thích hình dạng của đuôi sao chổi là do tác động của áp suất ánh sáng (Hình 1). nhà vật lý người Anh J. Maxwell 250 năm sau đã tính toán áp suất ánh sáng lên các vật thể bằng cách sử dụng lý thuyết về trường điện từ mà ông đã phát triển. Theo tính toán của Maxwell, hóa ra nếu năng lượng ánh sáng E rơi vuông góc với một đơn vị diện tích có hệ số phản xạ R trong 1 s, thì ánh sáng tác dụng áp suất, biểu thị bằng sự phụ thuộc: trong đó c là tốc độ ánh sáng.

Công thức này cũng có thể thu được bằng cách coi ánh sáng như một dòng photon tương tác với một bề mặt (Hình 2). Một số nhà khoa học nghi ngờ tính toán lý thuyết của Maxwell, nhưng đã xác minh bằng thực nghiệm kết quả của ông trong một thời gian dài nó đã không thành công. Ở vĩ độ trung bình vào buổi trưa mặt trời trên bề mặt phản chiếu hoàn toàn tia sáng, áp suất chỉ bằng . Lần đầu tiên, áp suất ánh sáng được đo vào năm 1899 bởi nhà vật lý người Nga P. N. Lebedev. Anh ta treo hai đôi cánh trên một sợi chỉ mỏng: bề mặt của một trong số chúng có màu đen, và bề mặt còn lại được tráng gương (Hình 3). Ánh sáng gần như bị phản xạ hoàn toàn bề mặt gương, và áp lực của nó lên cánh được tráng gương lớn gấp đôi so với cánh bị đen. Một khoảnh khắc lực được tạo ra làm quay thiết bị. Bằng góc quay người ta có thể đánh giá lực tác dụng lên cánh và do đó đo được áp suất ánh sáng.

Thí nghiệm rất phức tạp bởi các ngoại lực phát sinh khi thiết bị được chiếu sáng, lớn hơn hàng nghìn lần so với áp suất ánh sáng trừ khi có biện pháp phòng ngừa đặc biệt. Một trong những lực này có liên quan đến hiệu ứng đo phóng xạ. Hiệu ứng này xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt được chiếu sáng và mặt tối của cánh. Mặt được làm nóng bằng ánh sáng phản xạ các phân tử khí dư với tốc độ nhanh hơn mặt lạnh hơn, không sáng. Do đó, các phân tử khí truyền xung lực lớn hơn sang phía được chiếu sáng và cánh có xu hướng quay cùng hướng dưới tác động của áp suất ánh sáng - xảy ra hiệu ứng sai. P. N. Lebedev đã giảm hiệu ứng phóng xạ xuống mức tối thiểu bằng cách chế tạo các cánh từ lá mỏng dẫn nhiệt tốt và đặt chúng trong chân không. Kết quả là, cả sự khác biệt về các xung được truyền bởi các phân tử riêng lẻ có bề mặt đen và sáng bóng (do chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn giữa chúng) và tổng số các phân tử rơi trên bề mặt (do áp suất khí thấp).

Các nghiên cứu thực nghiệm của Lebedev ủng hộ giả định của Kepler về bản chất của đuôi sao chổi. Khi bán kính của một hạt giảm, lực hút của nó đối với Mặt trời giảm tỷ lệ với hình lập phương và áp suất ánh sáng giảm tỷ lệ với bình phương bán kính. Các hạt nhỏ sẽ chịu lực đẩy từ Mặt trời bất kể khoảng cách r với nó, vì mật độ bức xạ và lực hấp dẫn giảm theo cùng một định luật. Áp suất ánh sáng giới hạn kích thước tối đa của các ngôi sao tồn tại trong Vũ trụ. Khi khối lượng của một ngôi sao tăng lên, lực hấp dẫn của các lớp của nó hướng vào tâm cũng tăng lên. Do đó, các lớp bên trong của sao bị nén rất nhiều và nhiệt độ của chúng tăng lên hàng triệu độ. Đương nhiên, điều này làm tăng đáng kể áp suất ánh sáng bên ngoài của các lớp bên trong. bạn sao bình thường sự cân bằng nảy sinh giữa lực hấp dẫn làm ổn định ngôi sao và lực áp suất ánh sáng có xu hướng phá hủy nó. Rất dành cho các ngôi sao khối lượng lớn trạng thái cân bằng như vậy không xảy ra, chúng không ổn định và lẽ ra chúng không nên tồn tại trong Vũ trụ. quan sát thiên vănđã xác nhận: những ngôi sao “nặng nhất” có chính xác khối lượng tối đa mà lý thuyết vẫn cho phép, lý thuyết này có tính đến sự cân bằng giữa áp suất hấp dẫn và ánh sáng bên trong các ngôi sao.