Obrazložitev pritiska svetlobe. Svetlobni tlak

13.2. Svetlobni in mikrodelci, kot so predmeti kvantne teorije

13.2.3. Svetlobni tlak

Svetloba ima pritisk na površino.

Tlak svetlobe je enak impulzu, ki prenaša fotone eno površino, ki se nahaja pravokotno na fotone žarke, na enoto časa:

p \u003d (1 + ρ) p γ (n / t) s,

kjer je ρ je koeficient odsev površin; N / T - Število fotonov, ki padajo na površino, vsako sekundo (na čas enol); P γ je Photon Pulse, P γ \u003d H ν / C ali P γ \u003d H λ; S je površina, ki se nahaja pravokotna na padajoči žarek fotonov.

Koeficient odsev - delež fotona se odbija s površine; Koeficient odsev je določen z razmerjem

ρ \u003d n OTR N,

kjer je n število fotonov, ki pade na površino; N OTP - Število fotonov se odbije s površine.

Za površine z različnimi lastnostmi ima koeficient odboja različne vrednosti:

za zrcalno površino ρ \u003d 1;
zdrobljena površina ρ \u003d 0.

Koeficient absorpcije - delež fotonov, ki jih absorbira površina; Koeficient absorpcije je določen z razmerjem

ρ * \u003d n teže n,

kjer je n število fotonov, ki jih absorbira površina.

Za površine z različnimi lastnostmi ima absorpcijski koeficient različne vrednosti:

za zrcalno površino ρ * \u003d 0;
shredded Površina ρ * \u003d 1.

Napajalni tlak svetlobe Na površini

F \u003d PS,

kjer je P pritisk svetlobe; S je površina, ki se nahaja pravokotna na padajoči žarek fotonov.

Tlačna sila je povezana z močjo svetlobe Formne barve

F \u003d (1 + ρ) p c,

kjer je ρ koeficient odsev; P - foton moč, p \u003d NH ν / t \u003d NHC / λt; ν - Frekvenca Photon; λ - fotonska valovna dolžina; C je hitrost svetlobe v vakuumu; H - Stalni Planck, H \u003d 6,626 ⋅ 10 -34 J ⋅ C; N / T - Število fotonov, ki pade na površino vsako sekundo.

Sila svetlobe na površini ni odvisna od površine, vendar se določi le z močjo padajočega žarka in odsevne površinske lastnosti.

Primer 6. Na neki površini, 1,0 ⋅ 10 19 fotonov z valovno dolžino 560 nm zmanjšala. Z normalnim padcem na platformi 10 cm 2 je svetloba pritiska 20 MCP. Poiščite koeficient absorpcije te površine.

Sklep. Tlak svetlobe je enak impulzu, ki prenaša vse fotone enote površine, ki se nahaja pravokotno na foton žarek, na enoto časa:

p \u003d (1 + ρ) p γ (n / t) s \u003d (1 + ρ) h n λ s t,

kjer je ρ koeficient odsev; P γ - impulz enega fotona, p γ \u003d H / λ; λ je valovna dolžina svetlobe, ki pade na površino, λ \u003d 560 nm; H - Stalni Planck, H \u003d 6,63 ⋅ 10 -34 J ⋅ C; N / T - Število fotonov, ki padajo na površino vsako sekundo, N / T \u003d 1,0 × 10 C -1; S je površina, ki se nahaja pravokotna na padec žarka fotonov, s \u003d 10 cm 2.

Izrazite koeficient površine:

ρ \u003d p λ s h (n / t) - 1,

kjer je P tlak svetlobe na površini, p \u003d 20 μp.

Absorpcijski in odsevni koeficienti iste površine so med seboj povezani s formulo

kjer je ρ je koeficient odsev površin; ρ * - absorpcijski koeficient iste površine.

To pomeni

ρ * \u003d 1 - ρ,

ali ob upoštevanju izrecnega tipa izraza za koeficient odsev

ρ * \u003d 1 - (p λ s h (n / t) - 1) \u003d 2 - p λ s h (n / t).

Izračunajte:

ρ * \u003d 2 - 20 ⋅ 10 - 6 ⋅ 560 ⋅ 10 - 9 ⋅ 10 ⋅ 10 - 4 6,63 ⋅ 10 - 34 ⋅ 1,0 ⋅ 10 19 \u003d 0,31.

Koeficient absorpcije te površine je 0,31.

Koeficient absorpcije je delež fotonov, ki jih absorbira površina; Posledično je mogoče trditi, da se 31% fotona, ki pade na površino, absorbira to površino.

Stran 1.
§ 36. Svetlobni tlak. Fotoni.

Osnovne formule

Tlak, ki ga povzroča svetloba pri normalnem padcu,

p \u003d (e / c) * (1 + ρ) ali p \u003d  (1 + ρ),

kjer je E E. - površinsko obsevanje; od - Hitrost elektromagnetnega sevanja v vakuumu;  - Volumetrična gostota sevalne energije; ρ je koeficient odsev.

Energy Photon.

ε \u003d h \u003d HC / λ, ali ε \u003d ,

kje h.- stalna deska; ħ \u003d h / (2π); υ - pogostost svetlobe;  - Krožna frekvenca; λ - Valovna dolžina.

Masovni in pulzni foton sta izražena v skladu s formulami

m \u003d ε / c2 \u003d h / (cλ); P \u003d mc \u003d h / λ.
Primeri reševanja problemov

Primer 1. Kup monokromatske svetlobe z valovno dolžino λ \u003d 663 nm pade na ogledalo ploske površine pretoka energije f e \u003d 0,6 W. Določite silo F. Pritiske, ki jih ima ta površina, kot tudi število N. Photoni padajo na to \u003d 5 s

Sklep Moč svetlobnega tlaka na površini je enak produktu svetlobnega tlaka r. Na površini kvadrata:

F.= pS.. (1)

Svetlobni tlak lahko najdete s formulo

P \u003d e e (ρ + l) / c (2)

Zamenjavo izraza (2) svetlobe v formuli (1), dobimo

F \u003d [(E E S) / C] * (ρ + 1). (3)

Ker je produkt obsevanja E E na površino S enak pretoku sevalne energije, ki pade na površino, je lahko razmerje (3) napisano kot

F \u003d (f e / c) * (ρ + 1).

Po zamenjavi vrednostih f e in od Ob upoštevanju, da je ρ \u003d 1 (zrcalno površino), dobimo

Številka N. Fotoci, ki segajo med Δt na površino, se določi s formulo

N \u003d ΔW / ε \u003d f e Δt / ε,

kjer je ΔW energija sevanja, pridobljena s površino v času ∆ t.

Izražanje fotonove energije v tej formuli z valovno dolžino (ε \u003d HC / λ), dobimo

N.= F e λΔt / (hc).

Zamenjava v tej formuli številske vrednosti velikosti, bomo našli

N \u003d.10 19 fotonov.

Primer 2. Vzporedni žarek svetlobe valovne dolžine λ \u003d 500 nm kapljic običajno na drobljeni površini, ki proizvaja tlak p \u003d 10 mcp. Določite: 1) Koncentracija str Fotoni v žarku, 2) številka n 1 fotonov, ki padajo na površino 1 m 2 za čas 1 s.

Sklep. Ena. Koncentracija str Fotoni v žarku lahko najdete kot zasebnik iz delitve razsutega energetske gostote  na energiji ε ene Photon:

n \u003d  / ε (1)

Iz formule p \u003d  (1 + ρ), ki določa tlak svetlobe, kjer je ρ-koeficient refleksije, bomo našli

 \u003d p / (ρ + 1). (2)

Zamenjavo izraza za  iz enačbe (2) v formuli (1), dobimo

n \u003d ρ / [(ρ + 1) * ε]. (3)

Energija fotona je odvisna od frekvence υ, zato od dolžine svetlobnega vala λ:

ε \u003d h \u003d hc / λ (4)

Namestite izraz za fotonasto energijo v formuli (3), smo opredelili želeno koncentracijo fotonov:

n \u003d (ρλ) / [(ρ + 1) * ε]. (pet)

Koeficient refleksije ρ za razrezano površino je vzet enak nič.

Zamenjava številskih vrednosti v formuli (5), dobimo

n \u003d 2.52 * 10 13 m -3.

2. Številka n1 fotonov, ki padajo na površino 1 m 2 za čas 1 s, bomo našli iz razmerja n. 1 = N./(St.), Kje N - Število fotonov, ki segajo med t. na površino S. Toda N.= ncst., zato,

n 1 \u003d (ncst) / (st) \u003d nc

Zamenjavo tukaj str in od, Prejeti

n 1 \u003d 7.56 * 10 21 m -2 * C -1.

Primer3 . Monokromatski (λ \u003d 0,582 μm) Svetlobni žarek se običajno na površini z odsevnim koeficientom ρ \u003d 0,7. Določite število fotonov, vsako sekundo padca za 1 cm 2 te površine, če pritisk svetlobe na to površino p \u003d 1.2MCPA. Poiščite koncentracijo fotonov v 1 cm 3 incident svetlobnega žarka.

Sklep.Tlak, ki ga prinaša svetloba na površini pri normalnem padcu, se določi s formulo:

kjer je E energetska padanje na enoto površine na enoto časa (energetska osvetlitev), C je hitrost svetlobe, ρ je koeficient odsev površin.

Po drugi strani pa se lahko osvetlitev energije izrazi v številu incidentnih fotonov n:

(2)

kje
- Energija padajočega fotona. Nato na podlagi (1) in (2) dobimo:

(3)

Zamenjava številskih podatkov, dobimo število fotonov, ki spadajo na 1 m 2 površine za 1 s. V skladu s tem, število fotonov n "pade na spletno stran s \u003d 1 cm 2:

(4)

Zamenjava številskih podatkov v sistemu SI (S \u003d 10-4 m 2), dobimo
Fotoni.

Koncentracija fotonov blizu površine v incident Ray je določena s formulo:

kjer je n 0 število fotonov v 1 m 3. Potem je število fotonov v 1 cm 3 enako

(5)

Substituiranje številskih podatkov v (5), ob upoštevanju dejstva, da v = 10 -6 m 3, dobimo

4. Monokromatska svetloba s kapljico valovne dolžine na drobljeni površini λ \u003d 0,65 μm, proizvodnja tlaka str.\u003d 510 -6 PA. Določite koncentracijo fotonov blizu površine in število fotonov, ki spadajo na območje S. \u003d 1 m 2 v t. \u003d 1 s.

ali
, (1)

kje E. e. - energetska osvetlitev površine;

od - hitrost svetlobe v vakuumu; ω - gostota v razsutem stanju.

Volumetrična gostota energije je enaka produktu koncentracije fotonov (število fotonov na volumen enote) na energijo enega fotona:

.
Od!
. (2)

Iz izraza (1) smo določimo gostoto volumetrične energije
.

Potem
kje ρ \u003d 0 (zdrobljena površina).

Število fotonov, ki spadajo na območje S. \u003d 1 m 2 v 1 sekundo, numerično enaka razmerju svetlobne osvetlitve na energijo enega fotona:

Iz ekspresije (1) Energetska razsvetljava

Intenzivnost luminiscence se lahko izračuna s formulo:

I l \u003d 2.3 I 0  D, od koder

Upoštevana formula je opredelitev kvantnega donosa luminiscence, ki jo bomo nadomestili število in računanje:

= .

Odgovor: kvantni donos snovi luminescence 0,6.

stran 1.

Pritisk svetlobe imenovan pritisk, ki je elektromagnetna lahki valoviPadajo na površino katerega koli telesa. Obstoj pritiska je napovedal J. Maxwell v njegovem elektromagnetna teorija Sveta.

Če na primer elektromagnetni val pade na kovino (sl. 19.9), nato pod delovanjem električnega polja vala z napetostjo (VEC E) se bo elektron kovinske površine premaknil v smer nasproti vektorja (VEC E, hitrost (VEC UPSILON \u003d CONST.) Magnetno polje vala z indukcijo (~ v) deluje na premikajoče se elektrone s silo Lorenz F L. V smeri pravokotno na kovinsko površino (glede na pravilo na levi strani). Pritisk r, Nastali val na površini kovine se lahko izračuna kot razmerje nastalih sil lorentz, ki deluje na prostih elektronih v površinski plasti kovine, na kovinsko površino:

(P \u003d RFRAC (SUM_ (n \u003d 1) ^ n VEC F_ (IL)) (S). \\ T

Na podlagi elektromagnetne teorije je Maxwell prejel formulo za svetlobni tlak. Z njim je izračunal pritisk sončna svetloba V svetlem dnem na popolnoma črnem telesu, ki se nahaja pravokotno na sončne žarke. Ta tlak se je izkazal za 4,6 MCPA:

(~ p \u003d (1 + RHO) \\ tffrac (j) (c). \\ T

kje J. - intenzivnost svetlobe, (~ RHO \\) - koeficient odsev (glej § 16.3), \\ t od - hitrost svetlobe v vakuumu. Za zrcalne površine (~ rho \u003d 1, s polno absorpcijo (za absolutno črno telo) (~ RHO \u003d 0) \\ t

Z vidika kvantne teorije je tlak posledica dejstva, da ima foton pulz (P_F \u003d DFRAC (H NU) (C).) Naj svetloba pade na površino Telo in za 1 s na 1 m 2 površine pade n fotonov. Nekatere od njih se absorbirajo na površini telesa (neelastični trk), in vsaka absorbirana fotonas prenese to površino na njen impulz \\ t (P_F \u003d DFRAC (H NU) (C).) Del Fotoni bodo odražali (elastični trk). Odsevni foton bo letel s površine v nasprotni smeri. Poln impulz, ki se prenaša na površino z odmično fotomono, bo enaka

(\\ _-P_f \u003d p_f - (-P_F) \u003d 2P_F \u003d 2 DFRAC (H NU) (C). \\ T

Pritisk svetlobe na površini bo enak impulzu, ki se prenaša v 1 s vseh fotonih, ki pade na 1 m 2 telesnih površin ((F DELTA T \u003d DELTA P \\ tIrclow f \u003d \\ t DELTA P) (DELTA T); P \u003d FRAC (F) (S) \u003d FRAC (DELTA P) (S DELTA T)). Če je (~ RHO) koeficient refleksije svetlobe iz poljubne površine, je koeficient prenosa svetlobe, nato pa je (~ RHO CDOT N) je število odražanih fotonov, in \\ t (~ (1 - 1 K - rho) n) - število absorbiranih fotonov. Posledično pritisk svetlobe

(P \u003d 2 RHO N RFRAC (H NU) (C) + (1-K- RHO) N DFRAC (H NU) (C) \u003d (1 - K + RHO) n (h) (c). \\ T

Izdelek je energija vseh fotonov, ki spadajo na 1 m 2 površine za 1 s. To je intenzivnost svetlobe (površinska gostota lahkega sevanja incident):

(NH \\ nf \u003d rfrac (w) (s cdot t) \u003d I. \\ t

Tako pritisk svetlobe (P \u003d (1 - K + RHO) DFRAC (I) (C). \\ T

Svetlobni tlak, ki ga je napovedal Maxwell, je bil eksperimentalno zaznan in merjen z ruskim fizikom P. N. LEBEDEV. Leta 1900 je izmeril pritisk svetlobe na trdnih telesih in leta 1907-1910. - pritisk svetlobe na pline.

Naprava, ki jo je ustvaril Lebedev za merjenje tlaka svetlobe, je bil zelo občutljiv dinamometer (tweeted lestvice). Njegov valjarni del je bil lahek okvir z lahkim okvirjem s svetlobnimi in črnimi diski na debeline 0,01 mm in črnih diskov na 0,01 mm debeline na njem. Krila so izdelana iz kovinskih folij (sl. 19.10). Okvir je bil suspendiran v plovilu, iz katerega je bil zrak vrgel ven.

Svetloba, ki pada na krila, postavite svetle in črne diske. Razni pritisk. Posledica tega je, da je tekoči moment deloval na okvirju, ki je zavijal nit suspenzije. Na vogalu navoja za zvijanje je bil določen tlak svetlobe.

Težave pri merjenju svetlobnega tlaka so bile posledica izjemno majhne vrednosti in obstoja pojavov, ki močno vplivajo na točnost meritev. Ti vključujejo nezmožnost popolnoma črpala zrak iz plovila, ki je privedla do nastanka tako imenovanega radiometrični učinek.

Bistvo tega pojava je naslednje. Stran krila, s katerimi se sooča svetlobni vir, se segreje močnejša od nasprotne strani. Zato zračne molekule, ki se odražajo od ogrevane strani, oddajajo večjega pulza kot molekul, ki odražajo manj ogrevane strani. To se prikaže dodaten navor.

Namestitvena shema LEBEDEV za merjenje svetlobnega tlaka na plinih je prikazana na sliki 19.11. Svetloba, ki poteka skozi stekleno steno Ampak, deluje na plin, ki je zaprt v cilindričnem kanalu V. Pod pritiskom svetlobe se plin iz kanala v pretoku na kanal, ki komunicira z njim Od. V kanalu Od Obstaja lahek premični bat D, Obesil na tanki elastični niti E, pravokotna risba ravnine. Svetlobni tlak je bil izračunan na vogalu vrtenja nit.

Tlak CBETA, tlak, ki se prikaže na odsevni in absorbirajoči telesa, delce, kot tudi posamezne molekule in atome; Eno od ponderomotornih dejanj svetlobe, povezane s prenosom impulz elektro magnetno polje snov. Hipoteza o obstoju tlaka svetlobe je najprej izrazila I. Kepler v 17. stoletju, da bi razložil odstopanje repov kometa iz Sonca. Teorija svetlobnega tlaka v okviru klasične elektrodinamike je podan z J. K. Maxwell leta 1873. V njem je tlak tlaka pojasnjen z razprševanjem in absorpcijo elektromagnetnega vala z delci snovi. V okviru kvantne teorije svetlobnega tlaka - rezultat prenosa zagona s strani fotonov fotonov.

Z normalnim padcem svetlobe na površini trdnega tlaka tlaka svetlobe P, je formula določena s formulo:

p \u003d S (1 + R) / S, kje

S je energetska gostota pretoka (intenzivnost svetlobe), R je koeficient refleksije svetlobe s površine, C - hitrosti svetlobe. V normalnih pogojih je pritisk svetlobe manjša. Tudi v močnem laserskem žarku (1 W / cm 2) svetlobnega tlaka okoli 10 -4 g / cm 2. Širok prečni prerez laserskega žarka je mogoče osredotočiti, nato pa lahko moč svetlobnega tlaka v središču žarka drži miligramske delce na težo.

Eksperimentalno je pritisk svetlobe na trdnih telesih prvič študiral P. N. Lebedev leta 1899. Glavne težave pri eksperimentalnem odkrivanju pritiska svetlobe so bile poudarjene v ozadju radiometričnih in konvektivnih sil, katerih velikost je odvisna od tlaka s plinom okoliškega telesa in z nezadostno vakuumom lahko preseže tlak svetlobe več naročil. V poskusih Lebedeva v vakuumu (tlak reda 10 -4 mm živosrjenega živosrenega stebra) stekleno plovilo na tankem srebrovem nitku lačnih modernih rockerjev z rahlim diskami, ki so obsevane. Krila so iz različnih kovin in sljude z enakimi nasprotnimi površinami. Dosledno obseganje sprednjih in zadnjih površin kril različnih debelin je LEBEDEV uspelo izravnati preostali učinek radiometričnih sil in zadovoljivo (z napako ± 20%) soglasje s teorijo Maxwell. Lebedev je leta 1907-10 raziskoval pritisk svetlobe na pline.

Svetlobni tlak igra veliko vlogo v astronomskih in atomskih pojavih. Tlak svetlobe v zvezdah skupaj s plinskim tlakom zagotavlja njihovo stabilnost, preprečevanje gravitacijskih sil. Dejanje tlaka svetlobe je pojasnjeno z nekaterimi oblikami komentarjev. Ko foton oddajajo atomi, se pojavi tako imenovana svetlobna donosnost, atomi pa prejmejo Photon Pulse. V kondenziranih medijih lahko svetlobni tlak povzroči naboj prevoza napolnjenosti (glej strast elektronov s strani fotonov). Tlak sončnega sevanja poskuša uporabiti za ustvarjanje različnih prostora pogona - tako imenovano sončno jadro.

Posebne značilnosti svetlobnega tlaka se odkrijejo v redkih atomskih sistemih z resonančnim razprševanjem intenzivne svetlobe, ko je frekvenca lasersko sevanje Enaka je pogostost atomskega prehoda. Z absorpcijo fotona, atom prejme impulz v smeri laserskega žarka in gre v navdušeno stanje. Nadalje, spontano, Emit Photon, atom pridobi impulz (svetlobno vrnitev) v poljubno smer. Z naknadno absorpcijo in spontano emisijo fotonov, atom prejme nenehno impulze, usmerjene vzdolž svetlobnega žarka, ki ustvarja pritisk tlaka.

Sila f resonančnega tlaka svetlobe na atomu je definirana kot impulz, ki ga prenaša fotonski tok z gostoto n na enoto časa: f \u003d nћkσ, kjer je ћk \u003d 2πћ / λ impulz enega fotona, σ ≈ λ 2 je absorpcijski del resonančne foton, λ je svetloba valovne dolžine, K je valovna številka, ћ - stalni Planck. Z relativno majhnimi gostotami sevanja je resonančni tlak svetlobe neposredno sorazmeren z intenzivnostjo svetlobe. Pri visokih gostotah fotonskega toka N, nasičenost absorpcije in nasičenost resonančnega tlaka svetlobe se pojavi (glej nasičenost učinka). V tem primeru pritisk tlaka ustvari fotone spontano oddajajo atomi s povprečno frekvenco γ (inverzno življenjsko dobo vzbujenega atoma) v naključni smeri. Moč svetlobnega tlaka, ki je odvisen od intenzivnosti, in je določen s hitrostjo spontanih dejanj emisije: F≈ћKγ. Za tipične vrednosti γ ≈ 10 8 C -1 in λ ≈0,6 μm, moč tlaka svetlobe .f5 · 10 -3 eV / cm; Ko je nasičen, lahko resonančni tlak svetlobe ustvari pospešek atomov do 10 5 g (g - pospeševanje prostega pada). Tako velike moči Dovoljeno selektivno nadzorovati atomske nosilce, ki razlikujejo pogostost svetlobe in dejansko vplivajo na atome z majhnimi frekvencami resonančne absorpcije. Zlasti je mogoče stisniti maxwellean distribucijo v hitrostih, odstranjevanje hitrih atomov iz žarka. Laserska svetloba je usmerjena proti atomski žarek, izbiro frekvence in oblike sevalnega spektra, tako da se svetlobni tlak upočasni s hitrimi atomi z velikim premikom resonančne frekvence (glej učinek DOPPLER). Resonančni tlak svetlobe se lahko uporablja za ločevanje plinov: Ko je dvokomorska posoda obsevana z mešanico dveh plinov, se atomi enega od katerih so v resonanci z sevanjem, resonantnimi atomi pod vplivom svetlobnega tlaka bodo šli na dolge komore.

Nekatere funkcije imajo resonančni svetlobni pritisk na atome, nameščene na področju intenzivnega stoječega vala. Od kvantnega vidika, ki ga tvorijo prihajajoči fotonski tokovi, povzroči atomski vtis zaradi absorpcije fotonov in njihove stimulirane emisije. Povprečna sila, ki deluje na atomu, ni nič zaradi nehomogenosti polja pri valovna dolžinah. S klasičnega vidika je moč tlaka svetlobe posledica delovanja prostorsko nehomogenega polja na atomskem dipolu, ki jih povzroča. Ta sila je minimalna v vozliščih, kjer dipoln trenutek ni vodena, in v nosilcih, kjer se poljski gradient pritoži na nič. Največja moč svetlobnega tlaka v vrstnem redu velikosti je f≈ ± EKD (znaki se nanašajo na siphan in protifazno dipola gibanje z navorom D glede na polje z ethentude e). Ta sila lahko doseže ogromne vrednosti: D≈ 1 OBAN, λ≈0.6 μm in E≈ 10 6 V / CM moč F≈5 ∙ 10 2 EV / cm. Področje stoječega vala razmaščeni žarek atomov, ki prehajajo skozi žarek svetlobe, kot dipoli, nihajo v antifazni, se gibljejo po različnih poteh, kot so atomi v Stern-Gerlacha izkušenj. Atomi, ki se gibljejo po laserskem nosilcu, deluje radialno silo svetlobnega tlaka, zaradi radialne heterogenosti gostote svetlobnega polja. Tako v stoječa kot v tekočem valu, ne le deterministično gibanje atomov, ampak tudi njihova difuzija v faznem prostoru, kot absorpcija in emisija fotonov - kvantni naključni procesi. Resonančni svetlobni tlak lahko doživi navidezne navidezne trdna telesa: Elektroni, Excitons itd.

Lit.: LEBEDEV P. N. SOB. CIT. M., 1963; Eskkin A. Laserski sevalni tlak // Uspehi fizičnih znanosti. 1973. T. 110. Vol. eno; Kazantsev A. P. Resonančni svetlobni tlak // Ibid. 1978. T. 124. Vol. eno; YEHLOHOV V.S., Minogin V. G. Tlak laserskega sevanja na atome. M., 1986.

S. G. POLYBELSKY.

48. Elementi kvantne optike. Energija, masna in Momenta Photon. Izhod svetlobne tlačne formule, ki temelji na kvantnih idejah o naravi svetlobe.

Tako je treba širjenje svetlobe obravnavati kot neprekinjen val

kot pretok lokaliziranih diskretnih delcev, ki se gibljejo s hitrostjo s širjenjem svetlobe v vakuumu. Nato (leta 1926) so ti delci prejeli ime fotonov. Fotoni imajo vse lastnosti delcev (korpus).

Razvoj hipoteze planeta je pripeljal do ustvarjanja idej o kvantnih lastnostih svetlobe. Light Quanta je prejel ime fotonov. Po zakonodaji sorazmernosti mase in energije ter hipoteze Plank, je fotona energija določena s formulami

Izenačiti prave dele teh enačb, dobimo izraz za maso fotona

ali upošteva to

Photon Pulse določajo formule:

Masa preostalega fotona je nič. Quantum. elektromagnetno sevanje Obstaja le širjenje s hitrostjo svetlobe, medtem ko ima končne vrednosti energije in impulza. V monokromatski svetlobi s frekvenco ν, vsi fotoni imajo enako energijo, impulz in maso.

Svetlobni tlak

Svetlo sevanje lahko prenaša svojo energijo telesu v obliki mehanskega tlaka.

Dokazal je, da ima svetlobo, ki jo je popolnoma absorbirala pokopano ploščo, učinek sile nanj. Svetlobni tlak se kaže v tem, da se porazdeljena sila nanaša na osvetljeno površino telesa v smeri lahkega razmnoževanja svetlobe, sorazmerna z gostoto svetlobne energije in odvisno od optične lastnosti Površine.

Posledica tega je, da so bile aplikacije za optične meritve zakonov družbe Lebedevovo dobile izjemno pomembno razmerje, ki je pokazalo, da je energija vedno enakovredna mase. Prvič Einstein je pokazal, da je Equation MC 2 \u003d E univerzalno in bi moral biti pošten za kakršno koli energijo.

Ta pojav lahko razložite z vidika obeh valov in korpuskularnih idej o naravi svetlobe. V prvem primeru je to rezultat interakcije električnega toka, ki se inducira v televizijskem električnem polju svetlobnega vala, z magnetnim poljem v skladu z Amperjevo zakonodajo. Periodično menjava v prostoru in pravočasno, električno in magnetno polje svetlobnega vala med interakcijo s površino snovi, vpliva na električno energijo na elektrone atomov snovi. Električno polje vala povzroča elektrone za izvajanje nihanj. Lorentzova moč na strani magnetnega polja vala je usmerjena vzdolž smeri razmnoževanja vala in je tlačna moč. Kvantna teorija pojasnjuje tlak svetlobe, da imajo fotoni določeni impulzni in pri interakciji s snovjo, prenašajo del impulza do delcev snovi, s čimer se zagotovi pritisk na njegovo površino (analogija z udarci molekul o Stena plovila, v kateri impulz, ki ga prenaša zid, določi tlak plina v posodi).

Pri absorpciji fotoni prenašajo svoj impulz na telo, s katerim sodelujejo. To je razlog za pritisk svetlobe.

Določite tlak svetlobe na površini quantum teorija Sevanje.

Naj sevanje s frekvenco ν (Sl.5) pade pravokotno na določeno površino. Pustite, da se ta sevanje sestavlja n fotoni pade na površino

odobreno Δ s za čas Δ t. Površina se absorbira N1 fotona in se odseva

n 2, i.e. N \u003d n 1 + n 2.

	Nadaljevanje 48.
Vsak absorbiran foton (neelastična stavba) prenaša površino impulza			In vsak
crane Photon (Elastic Strike) prenaša njen impulz		Potem vsi incidentni fotoni prehodov
crane Photon (Elastic Strike) prenaša njen impulz		Potem vsi incidentni fotoni prehodov
pulse, enako
pulse, enako
V tem primeru bo svetloba delovala na površini s silo

ti. pritiska

Pomnožite in razdelite desno stran te enakosti na n, dobimo

Končno

kjer - energija vseh n fotonov, ki padajo na enoto površine na enoto časa, \\ t

; - Koeficient odsev.

Za železne površine ρ \u003d 0 in tlak bo enak.

Je gostota v razsutem stanju, dimenzija .

Potem bo koncentracija N fotonov v žarku, ki pade na površino, bo

Zamenjava v enačbo svetlobnega tlaka (2.2), dobimo

Tlak, ki ga povzroča svetloba, ko se pada na ravno površino, se lahko izračuna s formulo

kjer je intenzivnost obsevanja površine (ali osvetlitve), C - hitrost razmnoževanja elektromagnetnih valov v vakuumu, α, - delež incident energije, ki jo absorbira telo (koeficient absorpcije

ρ je del naključne energije, ki se odraža v telesu (koeficient refleksije), θ je kot med smerjo sevanja in normalno na obsevano površino. Če telo ni pregledno, to je vse

padanje sevanja se odraža in absorbira, nato α + ρ \u003d 1.

49 elementov kvantne optike. COMPTON učinek. Dualizem svetlobe (sevanje).

3) Corpustic Dualizem elektromagnetnega sevanja

Torej, študija toplotnega sevanja, fotoeffect, učinek kompontona je pokazala, da ima elektromagnetno sevanje (zlasti svetloba), vse lastnosti delcev (korpus). Vendar pa je velika skupina optičnih pojavov motnje, difrakcija, polarizacija označuje lastnosti valov elektromagnetnega sevanja, zlasti svetlobe.

Kaj je lahka - neprekinjeno elektromagnetni valoviOddajajo vir ali tok diskretnih fotonov naključno za elektromagnetni val, ne izključujejo lastnosti diskretnosti, značilnosti fotonov.

Svetloba (elektromagnetno sevanje) istočasno ima lastnosti neprekinjenih elektromagnetnih valov in lastnosti diskretnih fotonov. To je fualizem (dvojnost) elektromagnetnega sevanja.

2) EffectChonton.To je povečanje valovne dolžine rentgenske sevanja med njegovim razprševanjem s snovjo. Spreminjanje valovne dolžine

K (1-cos) \u003d 2 do greha2 (/ 2), (9) "

kjer je k \u003d h / (mc) valovna dolžina Compton, m - masa

prestol. K \u003d 2.43 * 10 -12 m \u003d 0,0243 A (1 A \u003d 10-10 m).

Vse značilnosti COMPTON-a, ki jih je uspelo pojasniti, razmisliti o razmadevanju kot proces elastičnega trka rentgenskih fotonov z brezplačnimi elektroni, v katerih se upošteva zakon ohranjanja energije in zakonodaje o ohranjanju impulza.

V skladu z (9) je sprememba valovne dolžine odvisna samo od kota sipanja in ni odvisna od valovne dolžine rentgenske sevanja ali na vrsto snovi.

1) Elementi kvantne optike.Fotoni, energija, mas in Photon Pulse

Da bi pojasnili distribucijo energije v spektru toplotnega sevanja placka, da elektromagnetni valovi oddajajo dele (Quanta). Einstein leta 1905 je prišel do zaključka, da sevanje ni le izpuščeno, ampak velja tudi in se absorbira v obliki Quanta. Ta sklep nam je omogočil, da pojasnimo vsa eksperimentalna dejstva (fotoeff, učinek kompontona itd.), Ki ni mogel pojasniti klasične elektrodinamike, ki je potekala iz reprezentacij valov o lastnostih sevanja. Tako je treba razmnoževanje svetlobe šteti, da ne kot stalni valovski proces, temveč kot pretok lokaliziranega v prostoru diskretnih delcev, ki se gibljejo s hitrostjo s širjenjem svetlobe v vakuumu. Nato (leta 1926) so ti delci prejeli ime fotonov. Fotoni imajo vse lastnosti delcev (korpus).

1. Photon Energy.

stalna palica se včasih imenuje kvantni ukrep. Dimenzija sovpada na primer z dimenzijo trenutka impulza (L \u003d R mV).

Kot izhaja iz (1), se fotonava energija poveča s povečevanjem frekvence (ali z zmanjšanjem valovne dolžine),

2. Fotona masa se določi na podlagi zakona o razmerju mase in energije (E \u003d MC 2)

3. Fulse Photon. Za vsako relativno energijo relativne delce Od fotonasta M 0 \u003d 0, potem Photon Pulse

ti. Valovna dolžina je obratno sorazmerna s pulzom.

50. Jedrski model atoma na razponu. Spekter atoma vodika. Formula generalizirane balmerje. Spektralne serije atoma vodika. Izraz mandata.

1) Rutherford je predlagal atomskega modela jedrskega modela. V skladu s tem modelom je atom sestavljen iz pozitivnega jedra, ki ima naboj Ze (Z - zaporedna številka elementa v tabeli MendelEV, E-Osnovni naboj), velikost10 -5 -10 -4 a (1A \u003d 10 -10 m) in masa je skoraj enaka masi atoma. Elektroni se gibljejo po jedru na zaprte orbite, ki tvorijo elektronsko lupino atoma. Ker so atomi nevtralni, se lahko Z elektroni vrtijo okoli jedra, katerega skupni naboj je ZE. Dimenzije atoma določajo velikosti zunanjih orodic elektronov in predstavljajo vrstni red enot A.

Masa elektronov je zelo majhna frakcija mase jedra (za vodik 0,054%, za preostale elemente, manjše od 0,03%). Koncept "velikosti elektrona" ne oblikuje dosledno, čeprav se RO 10-3 A imenuje klasični radij elektron. Torej, atomsko jedro zavzema nepomemben del volumna atoma in je koncentriran skoraj vse (99,95%) maso atoma. Če je bilo jedro atomov blizu drug drugemu, potem zemlja bi imel polmer 200 m in ne 6400 km (gostota snovi

atomska jedra 1.8.

2) Strojnega spektra atoma vodika

Spekter sevanja atomskega vodika je sestavljen iz ločenih spektralnih linij, ki so razporejeni v določenem vrstnem redu. Leta 1885 je Balmer ugotovil, da lahko valovne dolžine (ali frekvence) teh linij zastopajo s formulo.

, (9)

kjer je R \u003d 1,0974 7 m -1 imenuje tudi RIDBERG je stalna.

Na sl. 1 prikazuje diagram energetskih stopenj atoma vodika, izračunan po (6) pri z \u003d 1.

Pri preklapljanju elektrona z višjo energijo na raven N \u003d 1, ultropiolet sevanje ali sevanje likovne serije (SL) se pojavi.

Ko se elektroni obrnejo na raven N \u003d 2, je vidno sevanje ali sevanje balmerske serije (SAT).

Pri premikanju elektronov z več visoke ravni na raven n \u003d

3 je infrardeče sevanje ali sevanje serije Passen Series (SP) itd.

Frekvence ali valovne dolžine, ki izhajajo iz tega sevanja, so določene z formulami (8) ali (9) pri m \u003d 1 - za limsko serijo, pri M \u003d 2 - za serijo balza in pri M \u003d 3 - za serije pastena. Energija Photon se določi s formulo (7), ki se ob upoštevanju (6) lahko daje za vodik podobne atomi v mislih:

eV (10)

50 nadaljeval

4) spektralna spektralna vodika- niz spektralnih serij, ki sestavljajo spekter atoma vodika. Ker je vodik najpreprostejši atom, je njegova spektralna serija najbolj raziskana. Dobro so podrejeni formuli Rydberg:

kjer je R \u003d 109 677 cm-1 stalna Rydberg za vodik, N '- glavna raven serije. Spektralne linije, ki nastanejo pri prehodih na glavnem energetska raven,

vse ostalo so podrejeni.

Serija Lyman.

Odprla je T. Lyman leta 1906. Vse serije linije so v ultravijolični razpon. Serija ustreza RIDBERG formuli za n '\u003d 1 in n \u003d 2, 3, 4,

Balmer serija

Odprto I. Ya. Balmer leta 1885. Prva štiri serije serije so v vidnem območju. Serija ustreza RIDBERG formuli pri n '\u003d 2 in n \u003d 3, 4, 5

5) Spektralni izraz ali elektronski izrazatom, molekule ali ionska konfiguracija

sevanje (stanje) elektronskega podsistema, ki določa energetsko raven. Včasih po besedi, izraz razume energetski sama na tej ravni. Prehodi med termiki določajo emisijske spektre in absorpcijo elektromagnetnega sevanja.

Pogoji atoma so sprejeti za označevanje z velikimi črkami S, P, D, F, itd, ki ustreza vrednosti kvantne številke orbitalni kotni zagonL \u003d 0, 1, 2, 3 itd. Kvantno število polno kotnega momenta J je podan z indeksom na desno spodaj. Nizka številka nad levo je množica ( multiples.) Izraz. Na primer, ²p 3/2 - dvoposteljna R. Včasih (praviloma, za atome in ioni z enim elektronom) pred označevanjem glavna kvantna številka(na primer 2² 1/2).

Obrazložitev pritiska svetlobe. Svetlobni tlak

Svetlobni tlak

Nadaljevanje 48.