Астронет - тиск світла
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 речовини. 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 частками речовини. В рамках квантової теорії тиск світла - результат передачі імпульсу фотонами тілу.
Експериментально тиск світла на тверді тіла було вперше досліджено П. Н. Лебедєва в 1899. Основні труднощі в 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. У 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 і 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.
У конденсованих середовищах тиск світла може викликати струм носіїв (дивись светоелектрічеських ефект).
Специфічні особливості тиску світла виявляються в розріджених атомних системах при резонансному розсіянні 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 з -1 і мкм сила тиску світла еВ / см; при насиченні резонансне тиск світла може створювати прискорення атомів до 10 5 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 зараз не наводиться, 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 по відношенню до поля 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 біжучому 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 в твердих тілах: електрони. екситон і ін.