Давление света. Опыты Лебедева

Впер­вые ги­по­те­за о су­ще­ство­ва­нии све­то­во­го дав­ле­ния была вы­ска­за­на Иоган­ном Кепле­ром в XVII веке для объ­яс­не­ния яв­ле­ния хво­стов комет при по­ле­те их вб­ли­зи Солн­ца.

Макс­велл на ос­но­ве элек­тро­маг­нит­ной тео­рии света пред­ска­зал, что свет дол­жен ока­зы­вать дав­ле­ние на пре­пят­ствие.

Под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го поля волны элек­тро­ны в телах со­вер­ша­ют ко­ле­ба­ния – об­ра­зу­ет­ся элек­три­че­ский ток. Этот ток на­прав­лен вдоль на­пря­жен­но­сти элек­три­че­ско­го поля. На упо­ря­до­чен­но дви­жу­щи­е­ся элек­тро­ны дей­ству­ет сила Ло­рен­ца со сто­ро­ны маг­нит­но­го поля, на­прав­лен­ная в сто­ро­ну рас­про­стра­не­ния волны – это и есть сила све­то­во­го дав­ле­ния (Рис. 1).

Рис. 1. Опыт Макс­вел­ла

Для до­ка­за­тель­ства тео­рии Макс­вел­ла необ­хо­ди­мо было из­ме­рить дав­ле­ние света. Впер­вые дав­ле­ние света из­ме­рил рус­ский физик Петр Ни­ко­ла­е­вич Ле­бе­дев в 1900 году (Рис. 2).

Рис. 2. Петр Ни­ко­ла­е­вич Ле­бе­дев

Рис. 3. При­бор Ле­бе­де­ва

При­бор Ле­бе­де­ва (Рис. 3) со­сто­ит из лег­ко­го стерж­ня на тон­кой стек­лян­ной нити, по краям ко­то­рой при­креп­ле­ны лег­кие кры­лыш­ки. Весь при­бор по­ме­щал­ся в стек­лян­ный сосуд, от­ку­да был вы­ка­чан воз­дух. Свет па­да­ет на кры­лыш­ки, рас­по­ло­жен­ные по одну сто­ро­ну стер­жень­ка. О зна­че­нии дав­ле­ния можно су­дить по углу за­кру­чи­ва­ния нити. Труд­ность точ­но­го из­ме­ре­ния дав­ле­ния света была свя­за­на с тем, что из со­су­да невоз­мож­но было вы­ка­чать весь воз­дух. При про­ве­де­нии экс­пе­ри­мен­та на­чи­на­лось дви­же­ние мо­ле­кул воз­ду­ха, вы­зван­ное неоди­на­ко­вым на­гре­вом кры­лы­шек и сте­нок со­су­да. Кры­лыш­ки невоз­мож­но по­ве­сить аб­со­лют­но вер­ти­каль­но. На­гре­тые по­то­ки воз­ду­ха под­ни­ма­ют­ся на­верх, дей­ству­ют на кры­лыш­ки, что при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию до­пол­ни­тель­ных вра­ща­ю­щих мо­мен­тов. Также на за­кру­чи­ва­ние нити вли­я­ет неод­но­род­ный на­грев сто­рон кры­лы­шек. Сто­ро­на, об­ра­щен­ная к ис­точ­ни­ку света, на­гре­ва­ет­ся боль­ше, чем про­ти­во­по­лож­ная. Мо­ле­ку­лы, от­ра­жа­ю­щи­е­ся от более на­гре­той сто­ро­ны, пе­ре­да­ют кры­лыш­ку боль­ший им­пульс.

Рис. 4. При­бор Ле­бе­де­ва

Рис. 5. При­бор Ле­бе­де­ва

Ле­бе­дев сумел пре­одо­леть все труд­но­сти, несмот­ря на низ­кий уро­вень экс­пе­ри­мен­таль­ной тех­ни­ки в те вре­ме­на. Он взял очень боль­шой сосуд и очень тон­кие кры­лыш­ки. Кры­лыш­ко со­сто­я­ло из двух пар тон­ких пла­ти­но­вых кру­жоч­ков. Один из кру­жоч­ков каж­дой пары был бле­стя­щим с обеих сто­рон. У дру­гих сто­рон одна сто­ро­на была по­кры­та пла­ти­но­вой чер­нью. При этом обе пары кру­жоч­ков раз­ли­ча­лись тол­щи­ной.

Для ис­клю­че­ния кон­век­ци­он­ных по­то­ков, Ле­бе­дев на­прав­лял пучки света на кры­лыш­ки то с одной, то с дру­гой сто­ро­ны. Таким об­ра­зом, силы, дей­ству­ю­щие на кры­лыш­ки, урав­но­ве­ши­ва­лись (Рис. 4–5).

Рис. 6. При­бор Ле­бе­де­ва

Рис. 7. При­бор Ле­бе­де­ва

Так дав­ле­ние света на твер­дые тела было до­ка­за­но и из­ме­ре­но (Рис. 6–7). Зна­че­ние этого дав­ле­ние сов­па­ло с пред­ска­зан­ным дав­ле­ни­ем Макс­вел­ла.

Через три года Ле­бе­де­ву уда­лось со­вер­шить еще один экс­пе­ри­мент – из­ме­рить дав­ле­ние света на газы (Рис. 8).

Рис. 8. Уста­нов­ка для из­ме­ре­ния дав­ле­ния света на газы

Лорд Кель­вин: «Вы, может быть, зна­е­те, что я всю жизнь во­е­вал с Макс­вел­лом, не при­зна­вая его све­то­во­го дав­ле­ния, и вот ваш Ле­бе­дев за­ста­вил меня сдать­ся перед его опы­та­ми».

По­яв­ле­ние кван­то­вой тео­рии света поз­во­ли­ло более про­сто объ­яс­нить при­чи­ну дав­ле­ния света.

Фо­то­ны об­ла­да­ют им­пуль­сом. При по­гло­ще­нии их телом они пе­ре­да­ют ему свой им­пульс. Такое вза­и­мо­дей­ствие можно рас­смат­ри­вать как аб­со­лют­но неупру­гий удар.

На по­верх­ность со сто­ро­ны каж­до­го фо­то­на дей­ству­ет сила:

Дав­ле­ние света на по­верх­ность:

Вза­и­мо­дей­ствие фо­то­на с зер­каль­ной по­верх­но­стью

В слу­чае дан­но­го вза­и­мо­дей­ствия по­лу­ча­ет­ся аб­со­лют­но упру­гое вза­и­мо­дей­ствие. При па­де­нии фо­то­на на по­верх­ность он от­ра­жа­ет­ся от нее с той же ско­ро­стью и им­пуль­сом, с ко­то­ры­ми упал на эту по­верх­ность. Из­ме­не­ние им­пуль­са будет в два раза боль­ше, чем при па­де­нии фо­то­на на чер­ную по­верх­ность, дав­ле­ние света уве­ли­чит­ся в два раза.

В при­ро­де не су­ще­ству­ет ве­ществ, по­верх­ность ко­то­рых пол­но­стью бы по­гло­ща­ла или от­ра­жа­ла фо­то­ны. По­это­му для рас­че­та дав­ле­ния света на ре­аль­ные тела необ­хо­ди­мо учи­ты­вать, что часть фо­то­нов по­гло­тит­ся этим телом, а часть от­ра­зит­ся.

Опыты Ле­бе­де­ва можно рас­смат­ри­вать как экс­пе­ри­мен­таль­ное до­ка­за­тель­ство того, что фо­то­ны об­ла­да­ют им­пуль­сом. Хотя в обыч­ных усло­ви­ях све­то­вое дав­ле­ние очень мало, его дей­ствие может ока­зать­ся су­ще­ствен­ным. На ос­но­ве дав­ле­ния Солн­ца был раз­ра­бо­тан парус для кос­ми­че­ских ко­раб­лей, ко­то­рый поз­во­лит пе­ре­ме­щать­ся в кос­мо­се под дав­ле­ни­ем света (Рис. 11).

Рис. 11. Парус кос­ми­че­ско­го ко­раб­ля

Дав­ле­ние света, со­глас­но тео­рии Макс­вел­ла, воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те дей­ствия силы Ло­рен­ца на элек­тро­ны, со­вер­ша­ю­щие ко­ле­ба­тель­ные дви­же­ния под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го поля элек­тро­маг­нит­ной волны.

С точки зре­ния кван­то­вой тео­рии дав­ле­ние света воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствия фо­то­нов с по­верх­но­стью, на ко­то­рую они па­да­ют.

Вы­чис­ле­ния, ко­то­рые были про­ве­де­ны Макс­вел­лом, сов­па­ли с теми ре­зуль­та­та­ми, ко­то­рые про­из­вел Ле­бе­дев. Это ярко до­ка­зы­ва­ет кван­то­во-вол­но­вой ду­а­лизм света.

Опыты Крук­са

Ле­бе­дев впер­вые об­на­ру­жил дав­ле­ние света экс­пе­ри­мен­таль­но и смог его из­ме­рить. Опыт был неве­ро­ят­но слож­ным, но су­ще­ству­ет на­уч­ная иг­руш­ка – опыт Крук­са (Рис. 12).

Рис. 12. Опыт Крук­са

Ма­лень­кий про­пел­лер, со­сто­я­щий из че­ты­рех ле­пест­ков, рас­по­ло­жен на игле, ко­то­рая на­кры­та стек­лян­ным кол­па­ком. Если осве­тить этот про­пел­лер све­том, то он на­чи­на­ет вра­щать­ся. Если по­смот­реть на этот про­пел­лер в от­кры­том воз­ду­хе, когда на него дует ветер, его вра­ще­ние ни­ко­го бы не уди­ви­ло, но в дан­ном слу­чае стек­лян­ный кол­пак не поз­во­ля­ет по­то­кам воз­ду­ха дей­ство­вать на про­пел­лер. По­это­му при­чи­ной его дви­же­ния яв­ля­ет­ся свет.

Ан­глий­ский физик Уи­льям Крукс слу­чай­но со­здал первую све­то­вую вер­туш­ку.

В 1873 году Крукс решил опре­де­лить атом­ный вес эле­мен­та Тал­лия и взве­сить его на очень точ­ных весах. Чтобы слу­чай­ные воз­душ­ные по­то­ки не ис­ка­зи­ли кар­ти­ны взве­ши­ва­ния, Крукс решил под­ве­сить ко­ро­мыс­ла в ва­ку­у­ме. Сде­лал и по­ра­зил­ся, так как его тон­чай­шие весы были чув­стви­тель­ны к теплу. Если ис­точ­ник тепла на­хо­дил­ся под пред­ме­том, он умень­шал его вес, если над – уве­ли­чи­вал.

Усо­вер­шен­ство­вав этот свой неча­ян­ный опыт, Крукс при­ду­мал иг­руш­ку – ра­дио­метр (све­то­вая мель­нич­ка). Ра­дио­метр Крук­са – это че­ты­рех­ло­паст­ная крыль­чат­ка, урав­но­ве­шен­ная на игле внут­ри стек­лян­ной колбы с неболь­шим раз­ря­же­ни­ем. При по­па­да­нии на ло­пасть све­то­во­го луча, крыль­чат­ка на­чи­на­ет вра­щать­ся, что ино­гда непра­виль­но объ­яс­ня­ют дав­ле­ни­ем света. На самом деле при­чи­ной кру­че­ния слу­жит ра­дио­мет­ри­че­ский эф­фект. Воз­ник­но­ве­ние силы от­тал­ки­ва­ния за счет раз­ни­цы ки­не­ти­че­ских энер­гий мо­ле­кул газа, на­ле­та­ю­щих на освя­щен­ную (на­гре­тую) сто­ро­ну ло­па­сти и на про­ти­во­по­лож­ную неосве­щен­ную (более хо­лод­ную).