Давление света. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Давление света - давление, оказываемое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы; одно из пондеромоторных действий света, связанное с передачей импульса эл--магн. поля веществу. Гипотеза о существовании Д. с. была впервые высказана И. Кеплером (J. Kepler) в 17 в. для объяснения отклонения хвостов комет от Солнца. Теория Д. с. в рамках классич. электродинамики дана Дж. Максвеллом (J. Maxwell) в 1873. В ней Д. с. тесно связано с рассеянием и поглощением эл--магн. волны частицами вещества. В рамках квантовой теории Д. с.- результат передачи импульса фотонами телу.

При нормальном падении света на поверхность твёрдого тела Д. с. определяется формулой p=S(1-R)/c, где S - плотность потока энергии (интенсивность света), R - коэф. отражения света от поверхности.

Экспериментально Д. с. на твёрдые тела было впервые исследовано П. H. Лебедевым в 1899. Осн. трудности в эксперим. обнаружении Д. с. заключались в выделении его на фоне радиометрич. и конвективных сил, величина к-рых зависит от давления окружающего тело газа и при недостаточном вакууме может превышать Д. с. на неск. порядков. В опытах Лебедева в вакуумированном (~10^-4 мм рт. ст.) стеклянном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались коромысла крутильных весов с закреплёнными на них тонкими дисками-крылышками, к-рые и облучались. Крылышки изготавливались из разл. металлов и слюды с идентичными противоположными поверхностями. Последовательно облучая переднюю и заднюю поверхности крылышек разл. толщины, Лебедеву удалось нивелировать остаточное действие радиометрич. сил и получить удовлетворительное (с ошибкой b20%) согласие с теорией Максвелла. В 1907-10 Лебедев выполнил ещё более тонкие эксперименты по исследованию Д. с. на газы и также получил хорошее согласие с теорией.

Д. с. играет большую роль в астр. и атомных явлениях. В астрофизике Д. с. наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитации. Действием Д. с. объясняются нек-рые формы кометных хвостов. К атомным эффектам относится т. н. световая отдача, к-рую испытывает возбуждённый атом при испускании фотона.

В конденсиров. средах Д. с. может вызывать ток носителей (см. Светоэлектрический эффект).

Специфич. особенности Д. с. обнаруживаются в разреженных атомных системах при резонансном рассеянии интенсивного света, когда частота лазерного излучения равна частоте атомного перехода. Поглощая фотон, атом получает импульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбуждённое состояние. Далее, спонтанно испуская фотон, атом приобретает импульс (световая отдача) в произвольном направлении. При последующих поглощениях и спонтанных испусканиях фотонов произвольно направленные импульсы световой отдачи взаимно гасятся, и, в конечном итоге, резонансный атом получает импульс, направленный вдоль светового луча - резонансное Д. с. Сила F резонансного Д. с. на атом определяется как импульс, переданный потоком фотонов с плотностью N в ед. времени: , где - импульс одного фотона,

- сечение поглощения резонансного фотона,

- длина волны света. При относительно малых плотностях излучения резонансное Д. с. прямо пропорционально интенсивности света. При больших плотностях N в связи с конечным (

0) временем жизни возбуждённого уровня происходит насыщение поглощения и насыщение резонансного Д. с. (см. Насыщения эффект ).В этом случае Д. с. создают фотоны, спонтанно испускаемые атомами со средней частотой

(обратной времени жизни возбуждённого атома) в случайном направлении, определяемом диаграммой испускания атома. Сила светового давления перестаёт зависеть от интенсивности, а определяется скоростью спонтанных актов испускания:

. Для типичных значений

10⁸ с^-1 и

0,6 мкм сила Д. с. F

5*l0^-3 эВ/см; при насыщении резонансное Д. с. может создавать ускорение атомов до 10⁵ g (g - ускорение свободного падения). Столь большие силы позволяют селективно управлять атомными пучками, варьируя частоту света и по-разному воздействуя на группы атомов, мало отличающиеся частотами резонансного поглощения. В частности, удаётся сжимать максвелловское распределение по скоростям, убирая из пучка высокоскоростные атомы. Свет лазера направляют навстречу атомному пучку, подбирая при этом частоту и форму спектра излучения так, чтобы наиб. сильное тормозящее действие Д. с. испытывали наиб. быстрые атомы из-за их большего доплеровского смещения резонансной частоты. Другим возможным применением резонансного Д. с. является разделение газов: при облучении двухкамерного сосуда, наполненного смесью двух газов, один из к-рых находится в резонансе с излучением, резонансные атомы под действием Д. с. перейдут в дальнюю камеру.

Своеобразные черты имеет резонансное Д. с. на атомы, помещённые в поле интенсивной стоячей волны. С квантовой точки зрения стоячая волна, образованная встречными потоками фотонов, вызывает толчки атома, обусловленные поглощением фотонов и их стимулированным испусканием. Средняя сила, действующая на атом, при этом не равна нулю вследствие неоднородности поля на длине волны. С классич. точки зрения сила Д. с. обусловлена действием пространственно неоднородного поля на наведённый им атомный диполь. Эта сила минимальна в узлах, где дипольный момент не наводится, и в пучностях, где градиент поля обращается в нуль. Макс. сила Д. с. по порядку величины равна F

Ekd (знаки относятся к синфазному и противофазному движению диполей с моментом d по отношению к полю с напряжённостью E). Эта сила может достигать гигантских значений: для d

1 дебай,

0,6 мкм и E

10⁶ В/см сила F

5*10² эВ/см.

Поле стоячей волны расслаивает пучок атомов, проходящий сквозь луч света, т. к. диполи, колеблющиеся в противофазе, двигаются по разл. траекториям подобно атомам в Штерна - Герлаха опыте. В лазерных пучках на атомы, двигающиеся вдоль луча, действует радиальная сила Д. с., обусловленная радиальной неоднородностью плотности светового поля.

Как в стоячей, так и в бегущей волне происходит не только детерминированное движение атомов, но и их диффузия в фазовом пространстве вследствие того, что акты поглощения и испускания фотонов - чисто квантовые случайные процессы. Коэф. пространств. диффузии для атома с массой M в бегущей волне равен

Подобное рассмотренному резонансное Д. с. могут испытывать и квазичастицы в твёрдых телах: электроны, экситоны и др.

Литература по давлению света

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.