Астронет> Тиск світла

Тиск світла - тиск, який чиниться світлом на відображають і поглинають тіла, частинки, а також окремі молекули й атоми; одне з пондеромоторних дій світла , Пов'язане з передачею імпульсу електромагнітного поля речовині. Гіпотеза про існування тиску світла була вперше висловлена І. Кеплером (J.Kepler) в 17 в. для пояснення відхилення хвостів комет від сонця. Теорія тиск світла в рамках класичної електродинаміки дана Дж. Максвеллом (J.Maxwell) в 1873. У ній тиск світла тісно пов'язане з розсіюванням і поглинанням електромагнітної хвилі частинками речовини. У рамках квантової теорії тиск світла - результат передачі імпульсу фотонами тілу.

При нормальному падінні світла на поверхню твердого тіла тиск світла визначається формулою p = S (1 - R) / c, де S - щільність потоку енергії ( інтенсивність світла ), R - коефіцієнт відображення світла від поверхні.

Експериментально тиск світла на тверді тіла було вперше досліджено П. Н. Лебедєва в 1899. Основні труднощі у експериментальному виявленні тиску світла полягали у виділенні його на тлі радіометричних і конвективних сил , Величина яких залежить від тиску навколишнього тіло газу і при недостатньому вакуумі може перевищувати Тиск світла на кілька порядків. В дослідах Лебедєва в вакуумованому ( мм рт. ст.) скляній посудині на тонкій срібній нитки підвішувалися коромисла крутильних ваг з закріпленими на них тонкими дисками-крильцями, які і опромінювалися. Крильця виготовлялися з різних металів і слюди з ідентичними протилежними поверхнями. Послідовно опромінюючи передню й задню поверхні крилець різної товщини, Лебедєву вдалося нівелювати залишкова дія радіометричних сил і отримати задовільний (з помилкою %) Згоду з теорією Максвелла. У 1907-10 Лебедєв виконав ще більш тонкі експерименти по дослідженню тиску світла на гази і також отримав гарну згоду з теорією.

Тиск світла грає велику роль в астрономічних і атомних явищах. У астрофізиці тиск світла поряд з тиском газу забезпечує стабільність зірок, протидіючи силам гравітації . Дією тиску світла пояснюються деякі форми кометних хвостів. До атомним ефектів належить т. Н. світлова віддача, яку відчуває збуджений атом при випущенні фотона.

В конденсованих середовищах тиск світла може викликати ток носіїв (Дивись светоелектрічеських ефект).

Специфічні особливості тиску світла виявляються в розріджених атомних системах при резонансному розсіюванні інтенсивного світла, коли частота лазерного випромінювання дорівнює частоті атомного переходу . Поглинаючи фотон, атом отримує імпульс в напрямку лазерного пучка і переходить в збуджений стан . Далі, спонтанно випускаючи фотон, атом набуває імпульс (світлова віддача) в довільному напрямку. При наступних поглинаннях і спонтанного випускання фотонів довільно спрямовані імпульси світловий віддачі взаємно гасяться, і, в кінцевому підсумку, резонансний атом отримує імпульс, спрямований уздовж світлового променя резонансне тиск світла. Сила F резонансного тиску світла на атом визначається як імпульс, переданий потоком фотонів з щільністю N в одиницю часу: , де - імпульс одного фотона , - перетин поглинання резонансного фотона, - довжина хвилі світла . При відносно малих щільності випромінювання резонансне тиск світла прямо пропорційно інтенсивності світла. При великій щільності N в зв'язку з кінцевим ( ) часом життя збудженого рівня відбувається насичення поглинання і насичення резонансного тиску світла (див. насичення ефект ). У цьому випадку тиск світла створюють фотони, снонтанно випускаються атомами із середньою частотою (Зворотного часу життя збудженого атома) у випадковому напрямку, який визначається діаграмою випускання атома . Сила світлового тиску перестає залежати від інтенсивності, а визначається швидкістю спонтанних актів випускання: . Для типових значень с-1 і мкм сила тиску світла еВ / см; при насиченні резонансне тиск світла може створювати прискорення атомів до 105 g (g - прискорення вільного падіння ). Настільки великі сили дозволяють селективно управляти атомними пучками , Варіюючи частоту світла і по-різному впливаючи на групи атомів, що мало відрізняються частотами резонансного поглинання. Зокрема, вдається стискати максвелловское розподіл за швидкостями, прибираючи з пучка високошвидкісні атоми. Світло лазера направляють назустріч атомному пучку, підбираючи при цьому частоту і форму спектра випромінювання так, щоб найбільш сильне гальмівну дію тиску світла відчували найбільш швидкі атоми через їх більшої доплерівського зсуву резонансної частоти. Іншим можливим застосуванням резонансного тиску світла є поділ газів: при опроміненні двокамерного судини, наповненого сумішшю двох газів, один з яких знаходиться в резонансі з випромінюванням, резонансні атоми під дією тиску світла перейдуть в далеку камеру.

Своєрідні риси має резонансне тиск світла на атоми, поміщені в поле інтенсивної стоячій хвилі . З квантової точки зору стояча хвиля, утворена зустрічними потоками фотонів, викликає поштовхи атома, обумовлені поглинанням фотонів і їх стимульованим випусканням. Середня сила, що діє на атом, при цьому не дорівнює нулю внаслідок неоднорідності поля на довжині хвилі. З класичної точки зору сила тиску світла обумовлена ​​дією просторово неоднорідного поля на наведений їм атомний диполь . Ця сила мінімальна в вузлах, де дипольний момент Чи не наводить, і в пучностях, де градієнт поля звертається в нуль. Максимальна сила тиску світла по порядку величини дорівнює (знаки відносяться до синфазному і протифазні руху диполів з моментом d стосовно полю з напруженістю E). Ця сила може досягати гігантських значень: для дебай, мкм і В / см сила еВ / см.

Поле стоячій хвилі розшаровує пучок атомів, що проходить крізь промінь світла, так як диполі, що коливаються в протифазі, рухаються по різних траєкторіях подібно атомам в досвіді Штерна-Герлаха. У лазерних пучках на атоми, що рухаються уздовж променя, діє радіальна сила тиску світла, обумовлена ​​радіальної неоднорідністю густини світлового поля.

Як в стоячій, так і в біжить хвилі відбувається не тільки детерміноване рух атомів, а й їх дифузія в фазовому просторі внаслідок того, що акти поглинання і випускання фотонів - чисто квантові випадкові процеси. Коефіцієнт просторової дифузії для атома з масою M в біжучому хвилі дорівнює .

Подібне розглянутому резонансне тиск світла можуть відчувати і квазічастинки до твердих тілах: електрони , екситон та ін.