Масса и импульс фотона. Давление света

Одним из экспериментальных подтверждений наличия у фотонов массы и импульса является существование светового давления. Мысль о том, что свет при встрече с телами должен оказывать на них давление, была высказана ещё немецким астрономом И.Кеплером в XVII веке.

Согласно кван­товым гипотезам Планка и Эйнштейна свет испускается, распростра­няется и поглощается дискретными порциями – квантами. Свет представляет собой поток отдельных частиц - фотонов.

До сих пор при объяснении квантовых оптических явлений ис­пользовалась одна характеристика фотона - его энергия: ε_ф = h n.

Помимо энергии фотон обладает массой и импульсом.

ε_ф = h n; ε_ф = m _ф c ² ; h ν = m _ф c ² (7)

Масса фотона существенно отличается от массы макроскопических тел. Это отличие состоит в том, что фотон не обладает массой по­коя m ₀. Если считать, что фотон обладает массой покоя и движется со скоростью с, применение формулы, выражающей зависимость массы от скорости

приводит к абсурду (m = ¥). Таким образом, покоящихся фотонов не существует.

Импульс фотона (n= c/ l):

. (8)

Итак, фотон, как и любая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Одним из подтверждений этого является световое давление.

(9)

При отражении ,

при поглощении .

Пусть на поверхность с коэффициентом отражения r в единицу времени на единицу площади падает N фотонов, тогда вызываемое ими давление

. (10)

энергетическая освещенность поверхности - энер­гия всех фотонов, падающих в единицу времени на единицу поверхности.

, -

Объемная плотность энергии излучения - коли­­чество энергии в единице объема.

, -

, . (11)

Давление света на зеркальную поверхность (r = 1) вдвое больше давления света на зачерненную поверхность (r = 0). Световое давление ничтожно мало. Так, прямые солнечные лучи в яркий день оказывают при полном поглощении давление 4×10^-7 Н/м².

Впервые экспериментально световое давление на твердые тела было обнаружено и измерено русским физиком П.Н. Лебедевым в 1901 году. В 1908 году Лебедев решил ещё более трудную задачу - экспе­риментально обнаружил и измерил световое давление на газы. Эта работа подтвердила правильность гипотезы русского астронома Ф.А. Бредихина об образовании кометных хвостов: тот факт, что кометные хвосты всегда отклонены от Солнца, объясняется световым давлением.

Несмотря на малое значение светового давления, с ним приходится считаться. Так, неравномерное освещение искусственных спутников Земли приводит к возникновению нежелательных вращаю­щих моментов, что приходится учитывать при расчете условий полета космических аппаратов. Световое давление играет большую роль в эволюции горячих звезд, так как препятствует сжатию звезды под действием гравитационных сил.

Дата добавления: 2013-12-13