แรงกดดันจากแสงแดด คำอธิบายควอนตัมของความดันแสง

- ความดันที่เกิดจากแสงในการสะท้อนและการดูดซับวัตถุ อนุภาค รวมถึงโมเลกุลและอะตอมแต่ละตัว หนึ่งในการกระทำแบบไตร่ตรองของแสง ที่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณชีพจรไฟฟ้า สนามแม่เหล็กสาร. มีการแสดงสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของแรงดันแสงเป็นครั้งแรกไอ.เคปเลอร์ (เจ.เคปเลอร์) ในศตวรรษที่ 17 เพื่ออธิบายความเบี่ยงเบนหางดาวหาง จากดวงอาทิตย์ ให้ทฤษฎีความดันแสงภายในกรอบของพลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิกไว้เจ. แม็กซ์เวลล์ (เจ. แม็กซ์เวลล์) ในปี พ.ศ. 2416 ในนั้น ความกดดันของแสงมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการกระเจิงและการดูดกลืนแสงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อนุภาคของสสาร ภายในทฤษฎีควอนตัม ความดันแสงเป็นผลมาจากการส่งผ่านแรงกระตุ้นโฟตอนเข้าสู่ร่างกาย

ในปี พ.ศ. 2416 แมกซ์เวลล์ใช้แนวคิดเกี่ยวกับธรรมชาติของแสงแม่เหล็กไฟฟ้า ทำนายว่าแสงควรสร้างแรงกดดันต่อสิ่งกีดขวาง แรงกดดันนี้เกิดจากแรงที่กระทำจากส่วนประกอบไฟฟ้าและแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นต่อประจุในร่างกายที่ส่องสว่าง

ปล่อยให้แสงตกบนแผ่นนำไฟฟ้า (โลหะ) ส่วนประกอบทางไฟฟ้าของสนามคลื่นทำหน้าที่กับอิเล็กตรอนอิสระด้วยแรง

F เอล =q อี,

โดยที่ q คือประจุของอิเล็กตรอน E คือความแรงของสนามไฟฟ้าของคลื่น

อิเล็กตรอนเริ่มเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว วี(รูปที่ 1) เนื่องจากทิศทาง อีในคลื่นจะเปลี่ยนไปสู่ทิศทางตรงกันข้ามเป็นระยะ ๆ จากนั้นอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามเป็นระยะ ๆ เช่น ทำการสั่นบังคับตามทิศทางของสนามไฟฟ้าของคลื่น

รูปที่ 1 – การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ส่วนประกอบแม่เหล็ก ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นแสงกระทำกับแรงลอเรนซ์

F l = q V B,

ทิศทางซึ่งตามกฎมือซ้ายนั้นสอดคล้องกับทิศทางการแพร่กระจายของแสง เมื่อทิศทาง อีและ บีเปลี่ยนทิศตรงกันข้าม ทิศทางของความเร็วของอิเล็กตรอนก็เปลี่ยนไปด้วย แต่ทิศทางของแรงลอเรนซ์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ผลลัพธ์ของแรงลอเรนซ์ที่กระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระในชั้นผิวของสารคือแรงที่แสงกดทับบนพื้นผิว

รูปที่ 2

1- ปีกกระจก; 2- ปีกดำ; 3 กระจก; 4 สเกลสำหรับการวัดมุมการหมุน 5 ด้ายแก้ว

ความดันเล็กน้อยสามารถอธิบายได้บนพื้นฐาน ควอนตัม ความคิดเกี่ยวกับแสง ตามที่ระบุไว้ข้างต้น โฟตอนมีโมเมนตัม เมื่อโฟตอนชนกับสสาร โฟตอนบางส่วนจะสะท้อนและบางส่วนถูกดูดซับ กระบวนการทั้งสองมาพร้อมกับการถ่ายโอนโมเมนตัมจากโฟตอนไปยังพื้นผิวที่ส่องสว่าง ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของร่างกายหมายความว่าแรงกระทำต่อร่างกาย ความดันแสง เอฟ ให้- อัตราส่วนของโมดูลัสของแรงนี้ต่อพื้นที่ผิวของร่างกายเท่ากับแรงกดเบาบนพื้นผิว: P = ความดัน F /S.

การมีอยู่ของแรงดันแสงได้รับการยืนยันจากการทดลองโดย Lebedev อุปกรณ์ที่สร้างโดย Lebedev นั้นมีระดับแรงบิดที่ละเอียดอ่อนมาก ส่วนที่เคลื่อนไหวได้ของเครื่องชั่งคือกรอบแสงที่มีปีกแสงและสีเข้มหนา 0.01 มม. แขวนอยู่บนด้ายควอตซ์บาง ๆ แสงสร้างแรงกดดันที่แตกต่างกันบนปีกแสง (สะท้อน) และปีกมืด (ดูดซับ) เป็นผลให้มีแรงบิดเกิดขึ้นที่เฟรมซึ่งบิดเกลียวของระบบกันสะเทือน มีการใช้มุมบิดของเกลียวเพื่อกำหนดแรงกดเบา

เมื่อมีอุบัติการณ์ปกติของแสงบนพื้นผิวของวัตถุที่เป็นของแข็ง สูตรจะกำหนดแรงดันแสง พี = ส(1 — ร)/ค, ที่ไหน ส — ความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงาน (ความเข้มของแสง) ร— ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน แสงจากพื้นผิว

การศึกษาความดันของแสงบนของแข็งได้รับการทดลองเป็นครั้งแรกพี.เอ็น. เลเบเดฟ ในปี พ.ศ. 2442 ปัญหาหลักในการทดลองตรวจจับแรงดันแสงคือการแยกความดันแสงออกจากพื้นหลังแรงเรดิโอเมตริกและการพาความร้อน ซึ่งขนาดจะขึ้นอยู่กับความดันของก๊าซที่อยู่รอบๆ ตัว และในกรณีที่ไม่เพียงพอเครื่องดูดฝุ่น สามารถเกินแรงดันแสงได้หลายขนาด ในการทดลองของเลเบเดฟ ในภาชนะแก้วอพยพ (มม. ปรอท) แขนโยกถูกแขวนไว้บนด้ายสีเงินบาง ๆสเกลแรงบิด มีปีกดิสก์บาง ๆ ติดอยู่ซึ่งถูกฉายรังสี ปีกก็ทำมาจาก โลหะต่างๆและไมกา ที่มีพื้นผิวตรงกันข้ามเหมือนกัน ด้วยการฉายรังสีพื้นผิวด้านหน้าและด้านหลังของปีกที่มีความหนาต่าง ๆ ตามลำดับ Lebedev จึงสามารถต่อต้านผลกระทบที่ตกค้างของแรงเรดิโอเมตริกและรับข้อตกลงที่น่าพอใจ (มีข้อผิดพลาด) กับทฤษฎีของ Maxwell ในปี 1907-10 Lebedev ได้ทำการทดลองที่ละเอียดอ่อนยิ่งขึ้นเพื่อศึกษาแรงดันเบาต่อก๊าซ และยังพบข้อตกลงที่ดีกับทฤษฎีอีกด้วย

ความกดอากาศเบามีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์และอะตอม ในทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ แรงดันแสงควบคู่กับแรงดันแก๊สทำให้ดาวฤกษ์มีเสถียรภาพโดยการสวนกลับแรงโน้มถ่วง - การกระทำของแรงกดเบา ๆ จะอธิบายรูปร่างบางส่วนของหางดาวหางได้ ผลกระทบของอะตอมรวมถึงสิ่งที่เรียกว่า แสงที่เปล่งออกมาจากอะตอมที่ตื่นเต้นเมื่อปล่อยโฟตอนออกมา

ในสื่อควบแน่น แรงกดเบา ๆ อาจทำให้เกิดผู้ให้บริการปัจจุบัน (ดูผลโฟโตอิเล็กทริค)

ลักษณะเฉพาะของความดันแสงจะพบได้ในระบบอะตอมที่ทำให้บริสุทธิ์เมื่อการกระเจิงแบบเรโซแนนซ์ แสงที่รุนแรงเมื่อความถี่ของการแผ่รังสีเลเซอร์เท่ากับความถี่การเปลี่ยนแปลงของอะตอม - โดยการดูดซับโฟตอน อะตอมจะได้รับแรงกระตุ้นในทิศทางของลำแสงเลเซอร์และเข้าไปในนั้นรัฐตื่นเต้น - ต่อไป อะตอมจะได้รับโมเมนตัม ( ประสิทธิภาพการส่องสว่าง) ไปในทิศทางใดก็ได้ ด้วยการเข้าซื้อกิจการในเวลาต่อมาและการปล่อยก๊าซธรรมชาติ โฟตอน ซึ่งเป็นพัลส์แสงที่ควบคุมโดยพลการจะหักล้างกัน และท้ายที่สุด อะตอมเรโซแนนซ์จะได้รับพัลส์ที่พุ่งไปตามลำแสง แรงดันเรโซแนนซ์ของแสง - ความแข็งแกร่ง เอฟความดันเรโซแนนซ์ของแสงบนอะตอมถูกกำหนดให้เป็นโมเมนตัมที่ถ่ายโอนโดยฟลักซ์ของโฟตอนที่มีความหนาแน่น เอ็นต่อหน่วยเวลา: , โดยที่ —โมเมนตัมของหนึ่งโฟตอน - หน้าตัดการดูดกลืนแสง โฟตอนเรโซแนนซ์ -ความยาวคลื่นของแสง - ที่ความหนาแน่นของการแผ่รังสีที่ค่อนข้างต่ำ ความดันเรโซแนนซ์ของแสงจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสง ที่ความหนาแน่นสูง เอ็นเนื่องจากสุดท้าย ()ในช่วงชีวิตของระดับที่ตื่นเต้นนั้น การดูดซึมจะอิ่มตัว และความอิ่มตัวของแรงดันเรโซแนนซ์ของแสง (ดูเอฟเฟกต์ความอิ่มตัว - ในกรณีนี้ แรงดันแสงถูกสร้างขึ้นโดยโฟตอนที่ปล่อยออกมาเองโดยอะตอมที่มีความถี่เฉลี่ย (ย้อนกลับไปยังอายุการใช้งานของอะตอมที่ถูกกระตุ้น) ในทิศทางสุ่มที่กำหนดแผนภาพการปล่อยอะตอม - ความแรงของแรงดันแสงสิ้นสุดขึ้นอยู่กับความเข้ม แต่ถูกกำหนดโดยความเร็วของการปล่อยก๊าซธรรมชาติ: . สำหรับค่าทั่วไปของ c -1 และ μm แรงกดเบาคือ eV/cm; เมื่ออิ่มตัวความดันเรโซแนนซ์ของแสงสามารถสร้างความเร่งของอะตอมได้มากถึง 10 5
ก (ก — ความเร่งของแรงโน้มถ่วง - กองกำลังขนาดใหญ่ดังกล่าวทำให้สามารถควบคุมแบบเลือกได้คานอะตอม การเปลี่ยนแปลงความถี่ของแสงและส่งผลต่อกลุ่มอะตอมที่แตกต่างกันซึ่งมีความถี่ของการดูดกลืนเรโซแนนซ์แตกต่างกันเล็กน้อย โดยเฉพาะสามารถบีบอัดได้การกระจายตัวของแมกซ์เวลเลียน ด้วยความเร็ว ขจัดอะตอมที่มีความเร็วสูงออกจากลำแสง แสงเลเซอร์พุ่งตรงไปยังลำแสงอะตอม ในขณะที่เลือกความถี่และรูปร่างของสเปกตรัมการแผ่รังสี เพื่อให้อะตอมที่เร็วที่สุดได้รับประสบการณ์การเบรกที่รุนแรงที่สุดของแรงดันแสงเนื่องจากแรงดันแสงที่มากกว่าการเปลี่ยนแปลงของดอปเปลอร์ ความถี่เรโซแนนซ์ การใช้แรงดันเรโซแนนซ์ของแสงที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งคือการแยกก๊าซ: เมื่อฉายรังสีในภาชนะสองห้องที่เต็มไปด้วยก๊าซสองชนิดซึ่งหนึ่งในนั้นอยู่ในการสั่นพ้องกับการแผ่รังสี อะตอมเรโซแนนซ์ภายใต้อิทธิพลของความดันแสงจะ เคลื่อนตัวเข้าสู่ห้องอันไกลโพ้น

แรงดันเรโซแนนซ์ของแสงบนอะตอมที่วางอยู่ในสนามที่รุนแรงนั้นมีลักษณะที่แปลกประหลาดคลื่นยืน - จากมุมมองควอนตัม คลื่นนิ่งที่เกิดจากการไหลสวนทางของโฟตอนทำให้เกิดแรงกระแทกต่ออะตอมเนื่องจากการดูดซับโฟตอนและการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น แรงเฉลี่ยที่กระทำต่ออะตอมนั้นไม่เป็นศูนย์ เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่ความยาวคลื่นไม่เท่ากัน จากมุมมองคลาสสิก แรงของแรงดันแสงเกิดจากการกระทำของสนามที่ไม่เหมือนกันเชิงพื้นที่บนสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำไดโพลอะตอม - แรงนี้มีน้อยมากที่โหนดที่โมเมนต์ไดโพล ไม่ถูกเหนี่ยวนำ และที่แอนติโนด ซึ่งการไล่ระดับของสนามกลายเป็นศูนย์ แรงกดสูงสุดของแรงดันแสงจะเท่ากันตามลำดับความสำคัญ (สัญญาณหมายถึงการเคลื่อนที่ในเฟสและต้านเฟสของไดโพลในช่วงเวลาหนึ่ง งสัมพันธ์กับสนามด้วยความเข้มข้น อี- พลังนี้สามารถเข้าถึงได้ คุณค่ามหาศาล: สำหรับ debye, µm และ V/cm แรง eV/cm.

สนามของคลื่นนิ่งจะแบ่งชั้นลำแสงอะตอมที่ผ่านลำแสง เนื่องจากไดโพลที่สั่นในแอนติเฟส จะเคลื่อนที่ไปตามวิถีที่แตกต่างกัน เช่น อะตอมในการทดลองสเติร์น-เกอร์ลัค ในลำแสงเลเซอร์ อะตอมที่เคลื่อนที่ไปตามลำแสงจะต้องได้รับแรงกดของแสงในแนวรัศมีที่เกิดจากความหนาแน่นของสนามแสงที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในแนวรัศมี

ทั้งในการยืนและในคลื่นการเดินทาง ไม่เพียงแต่การเคลื่อนที่ตามที่กำหนดของอะตอมเท่านั้นที่เกิดขึ้น แต่ยังเกิดขึ้นด้วยการแพร่กระจายในพื้นที่เฟส เนื่องจากการดูดซึมและการปล่อยโฟตอนเป็นกระบวนการสุ่มควอนตัมล้วนๆ ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่เชิงพื้นที่ของอะตอมที่มีมวล มในคลื่นเดินทางมีค่าเท่ากับ .

แรงดันเรโซแนนซ์ของแสงที่คล้ายกับที่พิจารณาก็สามารถสัมผัสได้เช่นกัน quasiparticles ในของแข็ง:อิเล็กตรอน excitons ฯลฯ

อ้างอิง

Mustafaev R.A., Krivtsov V.G. ฟิสิกส์. ม., 2549.


กระแสโฟตอน (แสง) ที่เมื่อกระทบกับพื้นผิวจะเกิดความกดดัน

ฟลักซ์ของโฟตอนที่ตกกระทบบนพื้นผิวดูดซับ:

ฟลักซ์ของโฟตอนที่ตกกระทบบนพื้นผิวกระจก:

ฟลักซ์ของโฟตอนที่ตกกระทบบนพื้นผิว:

ความหมายทางกายภาพของความดันแสง:

แสงเป็นกระแสโฟตอน ดังนั้นตามหลักการของกลศาสตร์คลาสสิก อนุภาคเมื่อกระทบกับวัตถุจะต้องถ่ายโอนโมเมนตัมไปยังวัตถุนั้น กล่าวอีกนัยหนึ่งคือออกแรงกดดัน



อุปกรณ์การวัด ความดันแสง, เป็นเครื่องวัดแรงบิดแบบบิดที่ไวมาก (สเกลแรงบิด) อุปกรณ์นี้สร้างโดย Lebedev ส่วนที่เคลื่อนไหวของมันคือกรอบแสงที่แขวนอยู่บนเส้นด้ายบาง ๆ โดยมีปีกติดอยู่ - จานสีอ่อนและสีดำหนาสูงสุด 0.01 มม. ปีกทำจากฟอยล์โลหะ โครงถูกแขวนไว้ภายในภาชนะซึ่งมีการสูบลมออกมา แสงที่ตกบนปีกทำให้เกิดแรงกดดันต่อแสงและดิสก์สีดำต่างกัน เป็นผลให้มีแรงบิดเกิดขึ้นที่เฟรมซึ่งบิดเกลียวของระบบกันสะเทือน มีการใช้มุมบิดของเกลียวเพื่อกำหนดแรงกดเบา



ในสูตรที่เราใช้:

แรงที่โฟตอนกดทับ

พื้นที่ผิวที่เกิดแรงดันแสง

โมเมนตัมของโฟตอนหนึ่งตัว

ค่าคงตัวของพลังค์

แสงไม่เพียงถูกดูดซับและสะท้อนจากสารเท่านั้น แต่ยังสร้างแรงกดดันต่อพื้นผิวของร่างกายอีกด้วย ย้อนกลับไปในปี 1604 นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ไอ. เคปเลอร์ อธิบายรูปร่างของหางของดาวหางโดยการกระทำของแรงดันแสง (รูปที่ 1) เจ. แม็กซ์เวลล์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ 250 ปีต่อมา คำนวณแรงกดเบาบนร่างกายโดยใช้ทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เขาพัฒนาขึ้น จากการคำนวณของ Maxwell ปรากฎว่าหากพลังงานแสง $E,$ ลดลงต่อ $1$ ในแนวตั้งฉากกับพื้นที่หน่วยที่มีค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน $R$ ดังนั้นแสงจะออกแรงกด $p,$ แสดงโดยการพึ่งพา: $p= \frac(E)(c)( 1+R)$ N/m 2 - ความเร็วแสง สูตรนี้สามารถหาได้โดยการพิจารณาแสงเป็นกระแสโฟตอนที่ทำปฏิกิริยากับพื้นผิว (รูปที่ 2)

นักวิทยาศาสตร์บางคนสงสัยการคำนวณทางทฤษฎีของ Maxwell และเป็นเวลานานที่ไม่สามารถตรวจสอบผลลัพธ์ของเขาด้วยการทดลองได้ ในละติจูดกลางเวลาเที่ยงสุริยะ บนพื้นผิวที่สะท้อนรังสีแสงได้เต็มที่ จะมีการสร้างแรงกดดันเท่ากับเพียง $4.7⋅10^(−6)$ N/m 2 เป็นครั้งแรกที่มีการวัดความดันแสงในปี พ.ศ. 2442 โดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย P. N. Lebedev เขาแขวนปีกสองคู่ไว้บนด้ายบาง ๆ พื้นผิวของปีกข้างหนึ่งเป็นสีดำและอีกข้างเป็นกระจก (รูปที่ 3) แสงสะท้อนจากพื้นผิวกระจกเกือบทั้งหมด และแรงกดบนปีกกระจกก็มากเป็นสองเท่า ($R=1$) กว่าปีกกระจก ($R=0$) ช่วงเวลาแห่งแรงที่หมุนอุปกรณ์ได้ถูกสร้างขึ้น ด้วยมุมการหมุน เราสามารถตัดสินแรงที่กระทำบนปีก และวัดความดันแสงได้

การทดลองมีความซับซ้อนเนื่องจากแรงภายนอกที่เกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์ได้รับแสงสว่าง ซึ่งมากกว่าแรงดันแสงหลายพันเท่า เว้นแต่จะใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษ แรงประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์เรดิโอเมตริก ผลกระทบนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างที่ส่องสว่างและ ด้านมืดปีก. ด้านที่ให้ความร้อนด้วยแสงสะท้อนโมเลกุลของก๊าซที่ตกค้างในอัตราที่เร็วกว่าด้านที่เย็นกว่าและไม่มีแสงสว่าง ดังนั้นโมเลกุลของก๊าซจึงถ่ายเทแรงกระตุ้นที่มากขึ้นไปยังด้านที่ส่องสว่างและปีกมีแนวโน้มที่จะหมุนไปในทิศทางเดียวกันกับภายใต้อิทธิพลของแรงดันแสง - ผลที่ผิดพลาดเกิดขึ้น P. N. Lebedev ลดผลกระทบเชิงรังสีให้เหลือน้อยที่สุดโดยการสร้างปีกจากกระดาษฟอยล์บาง ๆ ที่นำความร้อนได้ดีและวางไว้ในสุญญากาศ เป็นผลให้ทั้งความแตกต่างของแรงกระตุ้นที่ส่งโดยแต่ละโมเลกุลของพื้นผิวสีดำและมันเงา (เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างกันน้อยกว่า) และ จำนวนทั้งหมดโมเลกุลตกลงบนพื้นผิว (เนื่องจากความดันก๊าซต่ำ)

การศึกษาเชิงทดลองของเลเบเดฟสนับสนุนสมมติฐานของเคปเลอร์เกี่ยวกับธรรมชาติของหางของดาวหาง เมื่อรัศมีของอนุภาคลดลง แรงดึงดูดต่อดวงอาทิตย์จะลดลงตามสัดส่วนของลูกบาศก์ และความดันแสงจะลดลงตามสัดส่วนของกำลังสองของรัศมี อนุภาคขนาดเล็กจะประสบกับแรงผลักจากดวงอาทิตย์โดยไม่คำนึงถึงระยะห่าง $r$ จากดวงอาทิตย์ เนื่องจากความหนาแน่นของการแผ่รังสีและแรงโน้มถ่วงลดลงตามกฎเดียวกัน $1/r^2.$ ความดันแสงจำกัดขนาดสูงสุดของดาวฤกษ์ที่มีอยู่ในดวงอาทิตย์ จักรวาล. เมื่อมวลของดาวฤกษ์เพิ่มขึ้น แรงโน้มถ่วงของชั้นดาวฤกษ์ที่มีต่อศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นชั้นในของดาวฤกษ์จึงถูกบีบอัดอย่างมาก และอุณหภูมิของพวกมันก็เพิ่มขึ้นถึงหลายล้านองศา โดยธรรมชาติแล้ว สิ่งนี้จะเพิ่มแรงดันแสงด้านนอกของชั้นในอย่างมีนัยสำคัญ ในดาวฤกษ์ปกติ ความสมดุลเกิดขึ้นระหว่างแรงโน้มถ่วงที่ทำให้ดาวเสถียรกับแรงกดเบาที่มีแนวโน้มที่จะทำลายดาวฤกษ์ สำหรับดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก ความสมดุลดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้น พวกมันไม่เสถียร และไม่ควรมีอยู่ในจักรวาล การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ได้รับการยืนยันแล้วว่า ดาวฤกษ์ที่ "หนักที่สุด" มีมวลสูงสุดเท่าที่ทฤษฎีอนุญาต ซึ่งคำนึงถึงความสมดุลของแรงโน้มถ่วงและแรงดันแสงภายในดาวฤกษ์

เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกลงบนพื้นผิว พวกมันจะออกแรงกดบนพื้นผิวนั้น ความดันของแสงสามารถอธิบายได้ทั้งจากมุมมองแม่เหล็กไฟฟ้าและภายในกรอบของทฤษฎีควอนตัม

ปล่อยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระนาบปกติตกลงบนพื้นผิวโลหะ จากนั้นเวกเตอร์สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กของคลื่นดังกล่าวจะขนานกับพื้นผิว ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า อี อิเล็กตรอนเริ่มเคลื่อนที่ขนานกับพื้นผิว นอกจากนี้สำหรับอิเล็กตรอนแต่ละตัวที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว , จากด้านข้างของสนามแม่เหล็กของคลื่นแสงที่มีการเหนี่ยวนำ ลอเรนซ์บังคับทำหน้าที่



มุ่งตรงไปที่โลหะที่ตั้งฉากกับพื้นผิว ดังนั้นคลื่นแสงจึงต้องสร้างแรงกดดันต่อพื้นผิวโลหะ

ภายในกรอบของทฤษฎีควอนตัมโฟตอน ความดันแสงเกิดจากการที่โฟตอนแต่ละโฟตอนไม่เพียงแต่นำพลังงานเท่านั้น แต่ยังมีโมเมนตัมด้วย . โฟตอนที่ถูกดูดซับแต่ละตัวจะถ่ายเทโมเมนตัมของมันไปยังพื้นผิว

และแรงกระตุ้นที่สะท้อนออกมาแต่ละครั้งจะเพิ่มเป็นสองเท่า

ปล่อยให้โฟตอนไหลตกลงไปบนพื้นผิวของวัตถุตามปกติ เอ็น เอฟ (เอ็น เอฟ- จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา) หากพื้นผิวของวัตถุมีค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนแสง โฟตอนต่อหน่วยเวลาจะสะท้อนจากวัตถุนั้น และโฟตอนจะถูกดูดซับโดยพื้นผิว แรงกระตุ้นที่ได้รับจากหน่วยพื้นที่ผิวของร่างกายต่อหน่วยเวลาเท่ากับ

ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน มีแรงตั้งฉากกับพื้นผิว (วี ในกรณีนี้คือแรงกด) และขนาด - ความดัน. ดังนั้นความดันแสงจึงเท่ากับ

ปริมาณเท่ากับผลคูณของพลังงานโฟตอน อ้าวต่อจำนวนโฟตอน เอ็น เอฟเหตุการณ์ต่อหน่วยพื้นที่ของร่างกายต่อหน่วยเวลาคือความหนาแน่นฟลักซ์ของพลังงานแสง ร.สามารถรับค่าเดียวกันได้โดยการคูณความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ย เป็นคลื่นด้วยความเร็วแสง:

เราได้กล่าวถึงสูตรนี้ไปแล้วและก่อนหน้านี้เมื่อเราพิจารณาความดันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ตัวอย่าง.เรามากำหนดความดันกัน รแสงแดดลงบนแผ่นสีดำที่ตั้งฉากกับรังสีดวงอาทิตย์และอยู่นอกชั้นบรรยากาศโลกใกล้กับโลก

ค่าคงที่ของแสงอาทิตย์ นั่นคือ ความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ที่อยู่ใกล้โลกภายนอกชั้นบรรยากาศ มีค่าประมาณเท่ากับ - แผ่นดำดูดซับได้เกือบทุกอย่างนั่นคือคุณสามารถใส่เพื่อประเมินผลได้ . จึงมีแรงกดดัน

ความกดอากาศเบามีบทบาทอย่างมากในการวางแนวหางของดาวหางสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ อนุภาคฝุ่นและโมเลกุลก๊าซที่มีอยู่ในดาวหางได้รับแรงกดดันเล็กน้อยจากรังสีดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นผลมาจากหางของดาวหางรูปแบบพิเศษที่ก่อตัวขึ้น โดยหันไปในทิศทางตรงกันข้ามกับดวงอาทิตย์ (ปัจจุบันสันนิษฐานว่าปรากฏการณ์การก่อตัวของหางดาวหางส่วนหนึ่งถูกกำหนดโดยลม "โปรตอน" ที่เล็ดลอดออกมาจากดวงอาทิตย์)




ข้าว. 2.20. แรงกดเบาทำให้หางของดาวหางเบนออกจากดวงอาทิตย์




ข้าว. 2.21. โครงการใบเรือสุริยะในวงโคจรโลก ขับเคลื่อนด้วยแรงกดเบา

ดังนั้นทั้งทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่น) และโฟตอน (ควอนตัม) จึงช่วยแก้ปัญหากลไกและกฎของแรงดันแสงได้อย่างประสบความสำเร็จเท่าเทียมกัน

สรุป:

1. ในปรากฏการณ์การแพร่กระจายและการสะท้อนของแสง (การเลี้ยวเบนและการรบกวน) แสงจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นที่มีลักษณะเฉพาะของคลื่นทั่วไป เช่น ความถี่และความยาวคลื่น . 2. ในปรากฏการณ์การปล่อยและการถ่ายโอนพลังงาน แสงจะมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคที่มีพลังงานและโมเมนตัม . 3. ค่าคงที่ของพลังค์เชื่อมโยงลักษณะทางร่างกายกับลักษณะคลื่น

ดังนั้นเราจึงต้องตระหนักถึงลักษณะที่เป็นสองเท่าของโฟตอน จนถึงตอนนี้นี่เป็นคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดา - ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค - ตั้งค่าให้แสงสว่างเท่านั้น

ปรากฎว่าไม่เพียงแต่สามารถสร้างแรงกดดันได้เท่านั้น ของแข็งของเหลวและก๊าซ การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแสงที่ตกลงบนพื้นผิวของร่างกายก็สร้างแรงกดดันต่อมันเช่นกัน

ทฤษฎีแรงดันแสง



โยฮันเนส เคปเลอร์

เป็นครั้งแรกที่มีการสันนิษฐานว่ามีแรงกดดันเล็กน้อย นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน โยฮันเนส เคปเลอร์ในศตวรรษที่ 17 ขณะศึกษาพฤติกรรมของดาวหางที่บินใกล้ดวงอาทิตย์ เขาสังเกตเห็นว่าหางของดาวหางจะเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงกันข้ามกับดวงอาทิตย์เสมอ เคปเลอร์ตั้งทฤษฎีว่าความเบี่ยงเบนนี้เกิดจากการสัมผัสกับแสงแดด

การมีอยู่ทางทฤษฎีของแรงดันแสงถูกทำนายไว้ในศตวรรษที่ 19 เจมส์ เคลิร์ก แม็กซ์เวลล์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้สร้างทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าและแย้งว่าแสงก็เป็นการสั่นสะเทือนของแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นกัน และควรสร้างแรงกดดันต่อสิ่งกีดขวาง



เจมส์ เคลิร์ก แม็กซ์เวลล์

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มันสร้างสนามไฟฟ้าภายใต้อิทธิพลที่อิเล็กตรอนในร่างกายพบบนเส้นทางของมันสั่น เกิดขึ้นในร่างกาย กระแสไฟฟ้ามุ่งตรงไปตามความแรงของสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็กกระทำต่ออิเล็กตรอน ลอเรนซ์ ฟอร์ซ- ทิศทางของมันเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นแสง พลังนี้คือ แรงกดเบา .

จากการคำนวณของแมกซ์เวลล์ แสงแดดทำให้เกิดความกดดันตามค่าที่แน่นอนบนแผ่นสีดำที่อยู่บนพื้นโลก (p = 4 · 10 -6 N/m 2) และถ้าคุณใช้แผ่นสะท้อนแสงแทนแผ่นสีดำ ความดันแสงก็จะมากกว่า 2 เท่า

แต่นี่เป็นเพียงสมมติฐานทางทฤษฎีเท่านั้น เพื่อพิสูจน์ว่าจำเป็นต้องยืนยันทฤษฎีด้วยการทดลองเชิงปฏิบัติซึ่งก็คือการวัดค่าความดันแสง แต่เนื่องจากมูลค่าของมันน้อยมาก ในทางปฏิบัติจึงเป็นเรื่องยากมาก



ปีเตอร์ นิโคลาวิช เลเบเดฟ

ในทางปฏิบัติสิ่งนี้เสร็จสิ้น Pyotr Nikolaevich Lebedev นักฟิสิกส์ทดลองชาวรัสเซีย- การทดลองที่เขาทำในปี พ.ศ. 2442 ยืนยันข้อสันนิษฐานของแมกซ์เวลล์ว่ามีแรงกดดันเล็กน้อยต่อของแข็ง

ประสบการณ์ของเลเบเดฟ



การแสดงแผนผังการทดลองของเลเบเดฟ

เพื่อทำการทดลอง Lebedev ได้สร้างอุปกรณ์พิเศษซึ่งก็คือภาชนะแก้ว แท่งไฟบนด้ายแก้วบางๆ ถูกวางไว้ภายในเรือ ปีกบางและเบาที่ทำจากโลหะและไมก้าหลายชนิดติดอยู่ที่ขอบของไม้เท้านี้ อากาศถูกสูบออกจากเรือ ด้วยการใช้ระบบแสงพิเศษที่ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงและกระจก ลำแสงจึงพุ่งตรงไปยังปีกที่อยู่ด้านหนึ่งของก้าน ภายใต้อิทธิพลของแรงกดเบา ก้านจะหมุนและเกลียวบิดเป็นมุมหนึ่ง ขนาดของแรงดันแสงถูกกำหนดโดยขนาดของมุมนี้



อุปกรณ์เลเบเดฟ

แต่การทดลองนี้ไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ การดำเนินการก็มีปัญหาในตัวเอง เพราะ ปั๊มสุญญากาศสมัยนั้นไม่มีแต่ใช้เครื่องกลธรรมดา และด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา มันเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างสุญญากาศสัมบูรณ์ในภาชนะ แม้จะสูบออกมาแล้ว ยังมีอากาศเหลืออยู่บ้าง ปีกและผนังของเรือได้รับความร้อนต่างกัน ด้านที่หันหน้าไปทางลำแสงก็ร้อนขึ้นเร็วขึ้น และสิ่งนี้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศ กระแสลมอุ่นพุ่งสูงขึ้น เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะติดตั้งปีกในแนวตั้งโดยสิ้นเชิง กระแสเหล่านี้จึงสร้างแรงบิดเพิ่มเติม นอกจากนี้ปีกเองก็ไม่ได้ร้อนเท่ากัน ด้านที่หันเข้าหาแหล่งกำเนิดแสงเริ่มร้อนขึ้น เป็นผลให้มีผลกระทบเพิ่มเติมต่อมุมการหมุนของเกลียว

เพื่อให้การทดลองมีความแม่นยำมากขึ้น Lebedev จึงใช้ภาชนะที่มีขนาดใหญ่มาก เขาสร้างปีกจากวงกลมแพลตตินัมบางมากสองคู่ ยิ่งไปกว่านั้น ความหนาของวงกลมของคู่หนึ่งยังแตกต่างจากความหนาของวงกลมของอีกคู่อีกด้วย ด้านหนึ่งของไม้เรียวมีวงกลมแวววาวทั้งสองด้าน อีกด้านหนึ่งปิดด้วยถมทองคำขาว ลำแสงพุ่งตรงมาที่พวกเขาจากด้านใดด้านหนึ่งเพื่อให้สมดุลของแรงที่กระทำบนปีก เป็นผลให้สามารถวัดแรงกดเบา ๆ บนปีกได้ ผลการทดลองยืนยันสมมติฐานทางทฤษฎีของ Maxwell เกี่ยวกับการมีอยู่ของแรงดันแสง และขนาดของมันก็เกือบจะเหมือนกับที่ Maxwell ทำนายไว้

ในปี พ.ศ. 2450 - 2453 ด้วยการทดลองที่แม่นยำยิ่งขึ้น Lebedev จึงวัดความดันของแสงต่อก๊าซ

แสงก็มีพลังงานเช่นเดียวกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า อี .

โมเมนตัมของมัน พี = อี โวลต์ / ค 2 ,

ที่ไหน โวลต์ - ความเร็วของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

ค - ความเร็วแสง

เพราะ โวลต์ = กับ , ที่ พี = อี/วินาที .

ด้วยการถือกำเนิดของทฤษฎีควอนตัม แสงเริ่มถูกมองว่าเป็นกระแสโฟตอน - อนุภาคมูลฐาน, ปริมาณแสง เมื่อกระทบกับร่างกาย โฟตอนจะถ่ายโอนโมเมนตัมไปยังวัตถุนั้น นั่นคือพวกมันจะออกแรงกดดัน

เรือใบแสงอาทิตย์



ฟรีดริช อาร์ตูโรวิช แซนเดอร์

แม้ว่าปริมาณแรงกดเบาจะน้อยมาก แต่ก็สามารถเป็นประโยชน์ต่อบุคคลได้

ย้อนกลับไปในปี 1920 นักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์ชาวโซเวียต ฟรีดริช อาร์ตูโรวิช แซนเดอร์หนึ่งในผู้สร้างจรวดเชื้อเพลิงเหลวลำแรกได้หยิบยกแนวคิดการบินสู่อวกาศโดยใช้ ใบเรือแสงอาทิตย์ - เธอเป็นคนเรียบง่ายมาก แสงแดดประกอบด้วยโฟตอน และพวกมันสร้างแรงกดดัน โดยถ่ายโอนแรงกระตุ้นไปยังพื้นผิวที่มีแสงสว่าง ดังนั้นเพื่อที่จะได้เคลื่อนไหว ยานอวกาศคุณสามารถใช้แรงกดที่สร้างขึ้นได้ แสงแดดหรือเลเซอร์บนพื้นผิวกระจก ไม่จำเป็นต้องแล่นเรือแบบนี้ เชื้อเพลิงจรวดและไม่จำกัดระยะเวลา และสิ่งนี้จะช่วยให้คุณบรรทุกสินค้าได้มากขึ้นเมื่อเทียบกับปกติ ยานอวกาศด้วยเครื่องยนต์ไอพ่น



เรือใบแสงอาทิตย์

แต่จนถึงตอนนี้นี่เป็นเพียงโครงการที่จะสร้างยานอวกาศที่มีใบเรือสุริยะเป็นเครื่องยนต์หลักเท่านั้น