|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Световое давление |
 |
Давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы, связанное с передачей импульса электромагнитного поля веществу
Анимация
Описание
Световое давление - давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы - частный случай пондеромоторного действия света. Гипотеза о световом давлении впервые была высказана немецким учёным И. Кеплером (1619) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В 1873 английский физик Дж. К. Максвелл, исходя из электро-магнитной теории, предсказал величину светового давления, которая оказалась исключительно малой даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга).
Согласно этой теории, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электро-магнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности и электро-магнитной энергии около поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность электро-магнитной волны, падающей на 1-2 см поверхности тела, равна Q эрг/см2•с, а коэффициент отражения R, то вблизи поверхности плотность энергии
u=Q(1+R)/c.
Этой величине и равно световое давление на поверхности тела:
p=Q(1+R)/c
(эрг/см3 или Дж/м3). Например, 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 светового давления показывает, что поток излучения обладает не только энергией, но и импульсом, что позволяет рассмотреть его как поток фотонов.
С точки зрения квантовой теории, световое давление – результат передачи телам импульса фотонов в процессах поглощения или отражения света. Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать импульс, другими словами — оказывать давление.
Рассмотрим закон сохранения импульса для потока фотонов (рисунок 1).
рисунок 1
Тут есть несколько вариантов: свет может отразиться, поглотиться, или пройти через вещество. Для первых р0 cosθ=p1-p2cosθ. Для вторых р0 cosθ =р1 cosθ, р0 sinθ=p1 sinθ . Третьи в процессе не участвуют.
Так как отражение упругое, то p2=p0. Запишем давление через силу и учтём, что р0=ħ*k
(1)
, где Рn и Pt - нормальное и касательное давленте, A, D - коэффиценты поглощения и отражения. Для фотона 
, а 
- энергия потока из N фотонов. Заметим, так же, что эти фотоны провзаимодействовали с мишенью за Δt, то есть пришли из объёма со стороной сΔt. Рассмотрим объём падающего луча (рисунок 1). Это параллелепипед с площадью основания S, углом при основании 90-θ и стороной сΔt. Значит его объём V=ScΔt cosθ.
Тогда из (1) получаем
Возможным использованием светового давления в высоком вакууме является ускорение микрочастиц вещества до больших скоростей. Ограничением предельно достижимых скоростей является плавление и испарение частицы. Если считать плавление предельным случаем, то при известных показателе преломления и коэффициент поглощения можно найти предельно допустимую мощность луча и рассчитать предельную скорость. Для частиц диаметром 0,5 мкм, имеющих коэффициент поглощения 3•10-5 см-1, конечная скорость может быть 3•108 см/с. Если такую частицу направить на мишень или другую частицу таких же размеров и скорости, то была бы получена мощность, равная 1011 Вт в течение 10-13 с. частица испарилась бы и образовала высокотемпературную плазму, в которой возможны термоядерные реакции. Поэтому эта методика может представлять интерес в термоядерных исследованиях, однако здесь имеются технические трудности, связанные с подавлением нелинейного поглощения, и другое. Сила светового давления на отдельные атомы невелика, но вследствие малости массы атома, эффект механического воздействия света может быть значительным.
Особенно велико такое воздействие, если частота лазерного излучения равна частоте атомного перехода (оптический резонанс). Поглощая фотон, атом получает импульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбуждённое состояние, в котором 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 оптического излучения резонансное световое давление насыщается, что связано с конечным временем жизни возбуждённого состояния. Если среднее время жизни равно 8-10 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 количества. Однако при насыщении резонансное световое давление может создавать ускорение атомов до 105 g (где g – ускорение свободного падения).
Схема разделения газов при помощи резонансного светового давления.
Рис. 3
Одним из возможных применений резонансного светового давления является разделение газов: при облучении двухкамерного сосуда, наполненного смесью двух газов, один из которых находится в резонансе с излучением, резонансные атомы под действием светового давления перейдут в дальнюю камеру 7 (рисунок 3). При помощи резонансного светового давления можно даже получить разделение изотопов за счёт сдвига резонансной частоты у изотопов. С помощью резонансного светового давления можно селектировать атомы с определённой скоростью из многоскоростного атомного пучка.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Световое давление играет важную роль в двух противоположных по масштабам областях явлений – астрономической и атомных. В астрофизике световое давление наряду с давлением газов обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитационного сжатия. Световое давление существенно для динамики околозвёздного и межзвёздного газа: так, например, высокоскоростное (2•108 см/с) испускание газа горячими звёздами объясняется превышением светового давления над гравитационным притяжением. К эффектам светового давления в атомной области близко явление передачи высокоэнергичными фотонами части своего импульса электронам, на которых они рассеиваются, или ядрам атомов кристалла в процессах излучения и поглощения. Возможности использовать световое давление в решении целого ряда практических земных задач появились после создания лазеров.
Возможным использованием светового давления в высоком вакууме является ускорение микрочастиц вещества до больших скоростей.
Реализации эффекта
В земных условиях световое давление маскируется побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами; которые могут превышать величину светового давления в тысячи раз. Поэтому измерить величину светового давления было чрезвычайно трудно. Впервые экспериментально измерить световое давление удалось П. Н. Лебедеву в 1899. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов и слюды, которые подвешивались на тон кой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного вакуумиров. сосуда G (рисунок 1).
Рис. 1
Схема опыта Лебедева:
В
– источник света (угольная дуга);
С
– конденсатор;
D
– металлическая диафрагма;
К
– линза;
W
– светофильтр;
S1-S6
– зеркала;
L1
и
L2
– линзы;
R
– изображение диафрагмы
D
на крылышках (на рисунке 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 специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги
В
. Перемещение зеркал
S1, S4
давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить световое давление на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907-1910 Лебедев исследовал световое давление на газы, что было ещё труднее, так как оно в сотни раз меньше светового давления на твердые тела. Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследований полностью согласовывались с величиной светового давления, рассчитанной Максвеллом, что явилось ещё одним подтверждением электро-магнитной теории света.
Лазерный луч, обладающий высокой монохроматичностью и пространственной когерентностью, можно фокусировать в пятно с радиусом, близким к теоретическому пределу,– порядка длины волны. При этом в результате концентрации световой энергии возникает сила светового давления, достаточная для удержания маленьких частиц (0,1 – 100 мкм) в воздухе или иной среде (оптическая левитация) и даже их перемещения. Так как частицы одного и того же вещества, но разных размеров будут испытывать различные световые давления и поэтому двигаться с различными скоростями, их можно разделять по размерам. Возможно также разделение частиц с различными (относительно среды) показателями преломления. На рисунке 1 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 таким образом, что возникают две силы светового давления Fa и Fb, направленные вдоль изменения импульса лучей. Так как 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 (рисунок 1, вверху), и от центра – в обратном случае (рисунок 1, внизу). Такой способ разделения может оказаться очень удобным для разделения биологических объектов (вирусы, макромолекулы, клетки), находящихся в жидкости (при предотвращении чрезмерного нагрева).
Схема действия лазерного пучка на частицы с разными показателями преломления
Рис. 1
На рисунке 1 частица втягивается лазерным лучом на нижнем – выталкивается. Двумя встречными лазерными пучками можно создать таким образом «оптическую ловушку», в которой частицы в воздухе, имеющие высокий показатель преломления, находятся в устойчивом равновесии, так как любое смещение приводило бы к появлению возвращающей оптической силы (оптическая левитация). Будучи захваченной, частица остаётся в воздухе, пока на неё сфокусирован свет. Движением линзы можно очень точно перемещать фокус луча и тем самым положение частицы. Точная микроманипуляция с частицами очень ценна, например, в проблеме термоядерных исследований: с помощью лазера можно вводить и поддерживать на весу маленькую частицу, играющую роль мишени для мощного импульсного лазера.
Литература
Ю. В. ГОРИН, В.В. ЗЕМЛЯНСКИЙ "СОЗДАНИЕ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ использования физических эффектов и явлений." Часть 1, с.5-7.
С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин Физическая оптика, 2-е издание, Издательство МГУ; "Наука", Москва 2004
Распространение, отражение и преломление света
Электромагнитные колебания и волны
