Давление света

Электромагнитная теория света, созданная Максвеллом, предсказала, что электромагнитные волны, падающие на преграду, должны оказывать на нее Давление. Такое действие света объясняется поперечностью электромагнитной волны. Если в веществе преграды имеются электроны проводимости, то под действием электрического поля падающей волны в нем возникают микроскопические токи, на которые со стороны магнитного поля волны будет действовать сила Лоренца. Как видно из рисунка 10.4, направление силы Лоренца , действующей на электроны, совпадает с направлением распространения падающей волны.

Существование светового давления при рассмотрении его с фотонной точки зрения вынуждает учесть импульс каждого фотона. Воспользуемся соотношением между массой и энергией, полученным Эйнштейном в специальной теории относительности:

Е=тс²

Фотон с энергией E=hν должен, следовательно, обладать «массой движения»:

M=hν/c²

Так как он движется со скоростью с, то его импульс равен:

p=mc=hν/c (10.7)

Если коэффициент отражения энергии преградой равен R, а число фотонов, падающих на единицу поверхности преграды, при интенсивности света I равно:

N=I/(hν)

то из них поглотится (1—R)N фотонов и отразится RN фотонов.

Изменение импульса фотона при отражении равно 2р, а при поглощении — р. Поэтому полное давление света равно:

(10.8)

Такое же выражение получается и по теории Максвелла.

Обычно световое давление очень мало. Так, интенсивность солнечного излучения у границы атмосферы Земли равна 1400 Вт/м² и соответствующее световое давление (при R≈0,5) составляет 7x10^-6 Па, что в 10¹⁰ раз меньше атмосферного давления. Тем не менее П. Н. Лебедев смог в 1900 г. количественно подтвердить формулу (10.8) для давления света на твердые тела; позже он измерил и гораздо меньшее давление света на газы.

Несмотря на малость светового давления, с ним приходится -считаться по крайней мере в трех случаях:

1) Сила гравитационного взаимодействия частицы радиусом р с другими небесными телами пропорциональна кубу радиуса. Сила светового давления на такую частицу пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому при достаточно малом радиусе сила светового давления может сравняться с силой гравитационного взаимодействия. Тот факт, что кометные хвосты всегда отклонены от Солнца, позволяет думать, что причиной этого является световое давление.

2) Внутри горячих звезд существуют весьма высокие температуры (миллионы градусов) и соответствующие им громадные плотности излучения. Световое давление, препятствуя сжатию звезды под действием гравитационных сил, играет большую роль в эволюции горячих звезд.

3) Неравномерное освещение поверхности искусственных спутников приводит в некоторых случаях к возникновению нежелательных вращающих моментов, что приходится учитывать при расчете условий полета космических аппаратов.

В заключение отметим, что, как показал в конце XIX в русский физик А. И. Садовский, свет, поляризованный по кругу, должен обладать некоторым моментом механического импульса и, следовательно, вращать преграду, поставленную на его пути, в ее плоскости. Этот эффект был измерен на опыте только в середине XX в.