Давление света - Световые кванты - Квантовая физика

Цель: рассмотреть давление света как экспериментальное доказательство, что фотоны обладают импульсом.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение

- В чем состоит различие между внешним и внутренним фотоэффектом?

- От чего зависит чувствительность фотоэлемента к падающему на него свету?

- Какие фотоэлементы используются в цепи переменного тока?

- При какой длине волны излучения масса фотона равна массе покоя электрона?

III. Изучение нового материала

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу - свет должен оказывать давление на препятствие.

Под действием электрического поля волны электрона в телах совершают колебания. Образуется электрический ток. Ток направлен вдоль напряженности электрического поля. На движущиеся электроны действует сила Лоренца со стороны магнитного поля. Сила Лоренца в сторону распространения волны это и есть сила светового давления. Для доказательства необходимо измерить это давление.

Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как оно очень мало. Впервые это удалось в 1900 г. русскому ученому П. Н. Лебедеву (1866-1912). Прибор состоял из очень легкого стержня на тонкой стеклянной нити, по краям приклеены легкие крылышки. Весь прибор помещен в сосуд, из которого был выкачан воздух. Свет падал на крылышки. О значении давления можно судить по углу закручивания нити.

Трудности:

1. Невозможность выкачать из сосуда весь воздух.

2. На закручивание влияет неодинаковый нагрев крылышек.

3. Отражение молекул от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.

Лебедев сумел преодолеть все трудности. Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом. Впоследствии, после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы. Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину светового давления.

Падая на тело, фотоны поглощаются или отражаются. Фотоны обладают массой и импульсом. При поглощении света импульсы фотонов передаются телу. Поэтому оно испытывает давление со стороны света. При отражении света направление скорости и импульса каждого фотона меняется на противоположное. При этом тело приобретает импульс, равный изменению суммарного импульса фотонов. Происходит явление отдачи. Тело испытывает световое давление. Давлением света на газы объясняется образование «хвостов».

Лебедев писал:

«1. Падающий пучок света производит давление как на поглощающие, так и на отражающие поверхности: эти кондеромоторные силы не связаны с уже известными вторичными конвекционными и радиометрическими силами, вызываемыми нагреванием.

2. Силы давления света прямо пропорциональны энергии падающего света и не зависят от цвета.

3. Наблюдаемые силы давления света в пределах погрешностей наблюдений, количественно равны максвелл-бартолиевым силам давления лучистой энергии».

Опыты П. Н. Лебедева - экспериментальное доказательство факта: фотон обладает импульсом.

IV. Закрепление изученного материала

- Как на основе электромагнитной теории объясняют давление света?

- Расскажите об опыте П. Н. Лебедева по измерению светового давления.

- Чему равна сила давления, приходящаяся на 1 м²?

- Как объяснить световое давление на основе квантовых представлений о свете?

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 92.

Дополнительный материал

Петр Николаевич Лебедев

Петр Николаевич Лебедев родился 8 марта 1866 года в Москве, в купеческой семье. Грамоте Петя обучался дома. Его отдали в коммерческое отделение Евангелического церковного училища Петра и Павла. С сентября 1884 по март 1887 года Лебедев посещал Московское высшее техническое училище, однако деятельность инженера его не привлекала. Он отправился в 1887 году в Страсбург, в одну из лучших физических школ Европы, школу Августа Кундта. В 1891 году, успешно защитив диссертацию, Лебедев стал доктором философии.

В 1891 году Лебедев возвратился в Москву и по приглашению А. Г. Столетова начал работать в Московском университете в должности лаборанта. Исследование светового давления стало делом всей жизни Петра Николаевича. Основные физические идеи этого плана были напечатаны молодым ученым в Москве, в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел». Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. Лебедев создает свою знаменитую установку - систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры. Вся установка была помещена в наивысший достижимый в то время вакуум. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и давление оставшихся ртутных паров резко уменьшалось.

Предварительное сообщение о давлении света было сделано Лебедевым в 1899 году, затем о своих опытах он рассказал в 1900 году в Париже на Всемирном конгрессе физиков. В 1901 году в немецком журнале «Анналы физики» была напечатана его работа «Опытное исследование светового давления». Из факта существования давления электромагнитных волн следовал вывод о том, что они обладают механическим импульсом, а значит, и массой. Итак, электромагнитное поле обладает импульсом и массой, то есть оно материально, значит, материя существует не только в форме вещества, но и в форме поля.

В 1900 году при защите магистерской диссертации Лебедеву была присуждена степень доктора наук, минуя степень магистра. В 1901 году он становится профессором Московского университета. В 1902 году Лебедев выступил на съезде немецкого астрономического общества с докладом, в котором вновь вернулся к вопросу о космической роли светового давления. На его пути оказались трудности не только экспериментальною, но и теоретического характера. Трудности экспериментального плана состояли в том, что световое давление на газы во много раз меньше, чем давление на твердые тела. К 1900 году все подготовительные работы для решения сложнейшей задачи были выполнены. Только в 1909 году он делает первое сообщение о полученных результатах. Они были опубликованы в «Анналах физики» в 1910 году.

Кроме работ, связанных со световым давлением, Петр Николаевич много сделал для изучения свойств электромагнитных волн. Статья Лебедева «О двойном преломлении лучей электрической силы» появилась одновременно на русском и немецком языках. Усовершенствовав метод Герца, Лебедев получил самые короткие в то время электромагнитные волны длиной в 6 мм, в опытах Герца они были 0,5 м, и доказал их двойное лучепреломление в анизотропных средах. Следует заметить, что приборы ученого были настолько малы, что их можно было носить в кармане.

В последние годы жизни его внимание привлекла проблема ультразвука. В 1911 году Лебедев вместе с другими профессорами покинул Московский университет в знак протеста против действий реакционного министра просвещения Кассо. В этом же году Лебедев дважды получал приглашения из института Нобеля в Стокгольме, где ему предлагали должность директора лаборатории и материальные средства. Был поставлен вопрос о присуждении ему Нобелевской премии. Однако Петр Николаевич остался на родине, со своими учениками. Отсутствие необходимых условий для работы, переживания, связанные с уходом в отставку, окончательно подорвали здоровье Лебедева. Он умер 1 марта 1912 года в возрасте всего лишь сорока шести лет.

Интересный факт

Интересный случай произошел с американским спутником «Эхо». После выхода спутника на орбиту сжатым газом была наполнена большая полиэтиленовая оболочка. Образовался легкий шар диаметром около 30 м. Неожиданно выяснилось, что за один оборот этот шар давлением солнечных лучей смещается с орбиты на 5 м. В результате вместо 20 лет, как было спланировано, спутник удержался на орбите меньше года. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвинов давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль во внутризвездных процессах.