Физическая энциклопедия - световое давление

(давление света), давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, ч-цы, а также отд. молекулы и атомы, частный случай пондеромоторного действия света. Гипотеза о С. д. впервые была высказана нем. учёным И. Кеплером (1619) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В 1873 англ. физик Дж. К. Максвелл, исходя из эл.-магн. теории, предсказал величину С. д., к-рая оказалась исключительно малой даже для самых сильных источников света (Солнце, электрич. дуга). В земных условиях С. д. маскируется побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрич. силами; (см. РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ), к-рые могут превышать величину С. д. в тысячи раз. Поэтому измерить величину С. д. было чрезвычайно трудно. Впервые экспериментально измерить С. д. удалось П. Н. Лебедеву в 1899. Осн. частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из разл. металлов и слюды, к-рые подвешивались на тон кой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного вакуумиров. сосуда G (рис. 1). Рис. 1. Схема опыта Лебедева: В источник света (угольная дуга); С конденсатор; D металлич. диафрагма; К линза; W светофильтр; S1-S6 зеркала; L1 и L2 линзы; R изображение диафрагмы D на крылышках (на рис. крылышки не показаны) внутри стеклянного баллона G; P1 и Р2 стеклянные пластинки; Т термобатарея; R, изображение диафрагмы D на поверхности термобатареи. На крылышки с помощью спец. оптич. системы и зеркал направлялся свет от сильной электрич. дуги В. Перемещение зеркал S1, S4 давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрич.

силы и обнаружить С. д. на отражающие или поглощающие крылышки, к-рые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907-10 Лебедев исследовал С. д. на газы, что было ещё труднее, т. к. оно в сотни раз меньше С. д. на тв. тела. Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследований полностью согласовывались с величиной С.

д., рассчитанной Максвеллом, что явилось ещё одним подтверждением эл.-магн. теории света. Согласно этой теории, давление, к-рое оказывает на поверхность тела плоская эл.-магн. волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности и эл.-магн. энергии около поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность эл.-магн, волны, падающей на 1 см2 поверхности тела, равна Q эрг/см2•с, а коэфф. отражения R, то вблизи поверхности плотность энергии u=Q(1+R)/c. Этой величине и равно С. д.

на поверхности тела: p=Q(1+R)/c (эрг/см3 или Дж/м3). Напр., мощность солнечного излучения, приходящего на Землю, равна 1,4•106 эрг/см2•с или 1,4•103 Вт/м2; следовательно, для абсолютно поглощающей поверхности р=4,3•10-5 дин/см=4,3•10-6 Н/м2. Общее давление солнечного излучения на Землю равно 6•1013 дин (6•108 Н), что в 1013 раз меньше силы притяжения Солнца.

Существование С. д. показывает, что поток излучения обладает не только энергией (следовательно, и массой), но и импульсом. С точки зрения квант. теории, С. д.результат передачи телам импульса фотонов в процессах поглощения или отражения света. Квант. теория даёт для С. д. те же формулы. С. д. играет важную роль в двух противоположных по масштабам областях явлений астрономич.

и атомных. В астрофизике С. д. наряду с давлением газов обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитац. сжатия. С. д. существенно для динамики околозвёздного и межзвёздного газа: так, напр., высокоскоростное (2•108 см/с) испускание газа горячими звёздами объясняется превышением С. д. над гравитац. притяжением. К эффектам С.

д. в ат. области близко явление передачи высокоэнергичными фотонами (?-квантами) части своего импульса эл-нам, на к-рых они рассеиваются (см. КОМПТОНА ЭФФЕКТ), или ядрам атомов кристалла в процессах излучения и поглощения (см. МЁССБАУЭРА ЭФФЕКТ). Возможности использовать С. д. в решении целого ряда практич. земных задач появились после создания лазеров.

Лазерный луч, обладающий высокой монохроматичностью и пространств. когерентностью, можно фокусировать в пятно с радиусом, близким к теор. пределу,порядка длины волны. При этом в результате концентрации световой энергии возникает сила С.

д., достаточная для удержания маленьких ч-ц (0,1 -100 мкм) в воздухе или иной среде (о п т и ч е с к а я л е в и т а ц и я) и даже их перемещения. Т. к. ч-цы одного и того же в-ва, но разных размеров будут испытывать разл. С. д. и поэтому двигаться с разл. скоростями, их можно разделять по размерам. Возможно также разделение ч-ц с разл. (относительно среды) показателями преломления.

На рис. 2 изображены две сферы с разными показателями преломления, находящиеся на краю пучка, имеющего гауссовское распределение интенсивности. Лучи а и b, расположенные симметрично относительно центра сферы, проходя через неё, искривляются т. о., что возникают две силы С. д. Fa и Fb, направленные вдоль изменения импульса лучей. Т. к.

луч о расположен ближе к центру сечения пучка, то Fa>Fb и существует результирующая поперечная компонента, направленная к центру пучка, если показатель преломления сферы больше показателя преломления среды (рис. 2, вверху), и от центра в обратном случае (рис. 2, внизу). Такой способ разделения может оказаться очень удобным для разделения биол.

объектов (вирусы, макромолекулы, клетки), находящихся в жидкости (при предотвращении чрезмерного нагрева). Рис. 2. Схема действия лазерного пучка на ч-цы с разными показателями преломления. На верхнем рис. ч-ца втягивается лазерным лучом на нижнем выталкивается. Двумя встречными лазерными пучками можно создать т. н. «оптич. ловушку», в к-рой ч-цы в воздухе, имеющие высокий показатель преломления, находятся в устойчивом равновесии, т.

к. любое смещение приводило бы к появлению возвращающей оптич. силы (оптич. левитация). Будучи захваченной, ч-ца остаётся в воздухе, пока на неё сфокусирован свет. Движением линзы можно очень точно перемещать фокус луча и тем самым положение ч-цы. Точная микроманипуляция с ч-цами очень ценна, напр., в проблеме термоядерных исследований: с помощью лазера можно вводить и поддерживать на весу маленькую ч-цу, играющую роль мишени для мощного импульсного лазера. Возможным использованием С. д. в высоком вакууме явл. ускорение микрочастиц в-ва до больших скоростей. Ограничением предельно достижимых скоростей явл. плавление и испарение ч-цы. Если считать плавление предельным случаем, то при известных показателе преломления и коэфф. поглощения можно найти предельно допустимую мощность луча и рассчитать предельную скорость.

Для ч-ц диаметром 0,5 мкм, имеющих коэфф. поглощения 3•10-5 см-1, конечная скорость может быть 3•108 см/с. Если такую ч-цу направить на мишень или др. ч-цу таких же размеров и скорости, то была бы получена мощность =1011 Вт в течение 10-13 с. Ч-ца испарилась бы и образовала высокотемпературную плазму, в к-рой возможны термоядерные реакции. Поэтому эта методика может представлять интерес в термоядерных исследованиях, однако здесь имеются техн.

трудности, связанные с подавлением нелинейного поглощения, и др. Сила С. д. на отд. атомы невелика, но вследствие малости массы атома, эффект механич. воздействия света может быть значительным. Особенно велико такое воздействие, если частота лазерного излучения равна частоте ат. перехода (оптич. резонанс). Поглощая фотон, атом получает импульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбуждённое состояние, в к-ром находится конечное время. При спонтанном испускании фотона атом приобретает импульс (световая отдача) в произвольном направлении.

При последующих поглощениях и спонтанных испусканиях фотонов произвольно направленные импульсы световой отдачи взаимно гасятся, и в конечном итоге резонансный атом получает импульс, направленный вдоль светового луча резонансное световое давление. С увеличением мощности оптич. излучения резонансное С. д. насыщается, что связано с конечным временем жизни возбуждённого состояния.

Если ср. время жизни =10-8 с, то атом в среднем может рассеять не более 108 фотонов в 1 с. В действительности из-за наличия вынужденного излучения в возбуждённом состоянии атом может рассеять лишь половину этого кол-ва. Однако при насыщении резонансное С. д. может создавать ускорение атомов до 105 g (где g ускорение свободного падения).

Рис. 3. Схема разделения газов при помощи резонансного светового давления. Одним из возможных применений резонансного С. д. явл. разделение газов: при облучении двухкамерного сосуда, наполненного смесью двух газов, один из к-рых находится в резонансе с излучением, резонансные атомы под действием С. д. перейдут в дальнюю камеру 7 (рис.

3). При помощи резонансного С. д. можно даже получить разделение изотопов за счёт сдвига резонансной частоты у изотопов. С помощью резонансного С. д. можно селектировать атомы с определённой скоростью из многоскоростного ат. пучка. .