Давление света. 
Оптика

Впервые идею о том, что свет должен оказывать давление, высказал еще Кеплер, наблюдавший хвосты комет. Явление механического действия света на вещество, т. е. давление света, имеет большое общефилософское значение, так как оно свидетельствует о материальности света — электромагнитного поля. Оказывается, что явление давления света можно объяснить как с волновых (см. параграф 2.4), так и с корпускулярных позиций.

Рассмотрим давление света с точки зрения теории фотонов.

Если число фотонов, падающих на поверхность AS в течение времени At, равно N, то световой поток Ф = [N / (AS • At) ] • hv. Тогда давление света будет:

_Ац

F м-~ТГ" АР N-hv Ф

— Р =— = At =-=-=—, если р = 0 (рис. 8.15);

AS р = Y_iF_i=NFi AS-At c-AS-At c

i

N-2hv 2Ф.

— P =-= —, если p = 1 (рис. 8.16),.

c-AS-At c

p — коэффициент отражения света.

Рис. 8.15.

Puc. 8.16.

В общем случае.

Фотоны. Дуализм света

История развития теории света, как уже упоминалось, является ярким примером действия закона отрицания отрицания: XVII в. — корпускулярная теория Ньютона, XIX в. — волновая теория Френеля — Максвелла, XX в. — корпускулярная теория Планка — Эйнштейна. Что явилось основанием для отрицания волновой теории света?

Это работы Планка (1900—1905 гг.) по изучению излучения черного тела и работы Эйнштейна по объяснению фотоэффекта. Для объяснения указанных явлений (а также ряда других, например комптон-эффекта) ученым пришлось вновь вернуться к корпускулярным (квантовым) представлениям о природе света. Наименьшая порция света (квант света) получила специальное название — фотон. Теория света, объясняющая его свойства на основе фотонов, называется квантовой (корпускулярной, фотонной). Чем характеризуется фотон? Планк для объяснения экспериментальных закономерностей излучения тел был вынужден предположить, что энергия каждой порции излучения кратна некоторому минимальному значению — энергии одного фотона, которая в свою очередь пропорциональна частоте излучаемого света: Е ~ v — со. Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка (h или h):

Таким образом, фотон обладает конечной энергией, а значит, и массой, так как Е = hw = тс², т = hw/c² Ф °°.

Импульс фотона может быть рассчитан по обычной формуле.

Диалектика отрицания волновой теории света заключается в диалектическом единстве корпускулярных и волновых свойств: фотоны могут одновременно характеризоваться и корпускулярными (Е, р, т), и волновыми величинами (со, X, к). В этом проявляется корпускулярноволновой дуализм современной теории света. Наглядная модель фотона (например, в виде шарика или волны) в принципе не существует, так как нельзя на языке макромира (наглядных образов) точно отразить свойства микромира. Тем не менее в ряде предельных случаев на передний план выступают либо волновые свойства микрочастиц (например, в явлениях, описываемых волновой оптикой), либо корпускулярные (фотоэффект, явление Комптона и т. п.).

Контрольные вопросы и задачи

• 1. Какие вы знаете виды излучения?
• 2. Обоснуйте равновесность теплового излучения и неравновесность люминесценции.
• 2. Какое положение классической теории привело к «ультрафиолетовой катастрофе» в физике?
• 4. В чем заключались основные идеи теории Планка?
• 5. Что понимают под испускательной способностью тел? Как она связана с объемной плотностью энергии равновесного излучения?
• 6. Определите температуру Солнца, принимая его за абсолютно черное тело, если известно, что максимум интенсивности спектра Солнца лежит в зеленой области (к = 5 • 10~⁵ см).
• 7. Может ли радиационная температура быть больше истинной?
• 8. Какие закономерности фотоэффекта находятся в противоречии с классическими представлениями? Как они объясняются квантовой теорией?
• 9. На рис. 8.17 приведен график зависимости забирающее напряжение фотоэффекта от частоты падающего света.

Рис. 8.17

Что характеризует частота v₀? Чем определяется tga? От чего зависит на графике величина отрезка AU?

• 10. Может ли свободный электрон поглотить фотон?
• 11. Почему нельзя наблюдать эффект Комптона в оптическом диапазоне электромагнитных волн?
• 12. В чем заключается дуализм фотона?