24)Масса и импульс фотона. Давление света. Опыты Лебедева. Квантовое и волновое объяснения давления света.

 

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона E₀=hv. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии (см. (40.8)):

(205.1)

Фотон - элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Импульс фотона р_g получим, если в общей формуле (40.7) теории относительности положим массу покоя фотона m_0g = 0:

(205.2)

Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Выражения (205.1), (205.2) и (200.2) связывают корпускулярные характеристики фотона - массу, импульс и энергию - с волновой характеристикой света - его частотой v.

Давление света. Опыты Лебедева

К ачественно механизм давления света можно пояснить следующим об­разом. Пусть на плоскую поверхность Р тела, сечение которого показано на рис. 1.158, падает перпендикулярно к ней

электромагнитная волна. Векторы Е и Н лежат в плоскости Р. Рассмотрим, как они будут воздействовать на электрические за­ряды, составляющие тело. Под действием силы f_E =qE положи­тельный заряд начнет смещаться вдоль поверхности по направле­нию Е, а отрицательный — против. Такое смещение зарядов представляет собой поверхностный ток j, параллельный Е. В телах со свободными зарядами (проводники) это будет то'к про-

в одимости, а в диэлектриках—поляризационный ток смещения. Магнитные силы f_H, действующие на ток j, будут по закону Ампера (т. II, §31) направлены перпендикулярно к j и Н, т. е. внутрь тела. Независимо от их знака, заряды, расположенные на поверхности тела и связанные с его атомами, «вдавливаются» в тело. Ускорение и скорость v этих зарядов пропорциональны величине Е. Магнит­ные же силы пропорциональны [vXH], т. е., в конечном счете, произведению [ЕхН], а оно в свою очередь пропорционально плотности электромагнитной энергии падающей волны w. Точный расчет величины давления света р по теории Максвелла природит к выражению p=(1+ρ)ω (39.1)

где р — коэффициент отражения от данной поверхности.

Для развития электромагнитной теории света было чрезвы­чайно важно получить прямое экспериментальное доказательство этого эффекта. Однако обнаружение его осложнялось целым рядом побочных явлений. Частичное погло­щение падающего света приводит к нагреванию поверхности. Тепло в свою очередь 'передается молекулам окружающего газа, в силу чего их движение, а следовательно, и ока­зываемое ими давление возрастают, причем этот «радиометрический эф­фект» легко перекрывает искомое световое давление.

Впервые преодолеть все экспери­ментальные трудности сумел П. Н. Лебедев. Идея опыта заключалась в том, что свет направлялся на одно из крылышек легкой вертушки (рис. 1.159), причем ее поворот изме­рялся по отклонению зайчика, отбра­сываемого маленьким, укрепленным на вертушке зеркальцем.

Использование очень тоненьких крылышек привело к тому, что

температура на обеих их поверхностях была практически тождественная, что при малом давлении свело радиометрический эффект почти к нулю. Для зеркального крылышка р«1, а для за­черненного р~0. Позже он доказал давление света и на газы.