Давление световых лучей. Опыты П. Н. Лебедева

Из электромагнитной теории Максвелла следует, что свет, падающий на тело, оказывает на него давление. Поэтому достаточно легкое тело можно привести в движение силой светового давления. Однако эта сила очень мала. Вычисления Максвелла показали, что на Земле солнечный свет давит на квадратный метр черной поверхности, расположенной перпендикулярно лучам, с силой 4,5-10^-6 Н. Обнаружить и измерить такую силу на опыте очень трудно, так как одностороннее нагревание поверхности тела лучами вызывает увеличение давления окружающего воздуха на эту поверхность, превышающее во много раз световое давление.

Первым преодолел трудности такого эксперимента в 1900 г. русский физик П. Н. Лебедев. В его установке свет падал на тонкий легкий кружок R, укрепленный на подвеске (рис. 35.1). Подвеска висела на тончайшей кварцевой нити Н в камере, внутри которой создавался высокий вакуум. По углу закручивания подвески определялась сила давления света на кружок.

Опыты Лебедева полностью подтвердили электромагнитную теорию света Максвелла. Позднее Лебедев измерил давление света на газы, которое оказалось значительно меньше давления света на твердые тела. Опыты Лебедева — классический образец тончайшего физического эксперимента.

При очень малых размерах частиц сила светового давления на них может превысить действующую на них силу тяжести. При наблюдении за кометами было установлено, что при приближении к Солнцу у кометы часто образуется хвост, всегда направленный от Солнца (рис. 35.2). Еще Кеплер считал, что образование кометных хвостов вызвано давлением солнечного света. В работах Лебедева это объяснение получило экспериментальное подтверждение. Заметим, что большую роль в образовании пометных хвостов играет также солнечный ветер.

Давление света на тело Максвелл объяснил с помощью электромагнитной теории. Однако проще и нагляднее его можно объяснить действием множества ударов потока фотонов, бомбардирующих облучаемую поверхность.

Величина силы, действующей на тело, определяется изменением импульса (количества движения) за единицу времени. Если на какое-то тело, например кружок в опыте Лебедева, за время Δt падает излучение, обладающее массой m, то оно передает кружку за это время импульс Δ (mc). Это означает, что излучение действует на кружок с силой Fд:

Fд = Δ(mc)/Δt.              (35.1)

Если поверхность тела полностью поглощает падающее на него излучение (является абсолютно черной), то изменение импульса светового излучения Δ(mc) будет просто равно импульсу mc, т. е. Fд = mc/Δt. Отсюда получаем, что давление света:

р = Fд/S = mc/(S Δt),  (35.2)

где S — площадь облучаемой поверхности.

Энергия излучения связана с его массой соотношением Эйнштейна: Е = mc². Отсюда mc=Е/с и, подставив это значение импульса светового излучения в (35.2), получим:

p = E/(cS Δt).  (35.3)

Поскольку E выражает энергию излучения, падающего на тело за время Δt, то E/(S Δt) — энергия излучения, падающего на единицу площади поверхности тела за единицу времени, называемая интенсивностью волны. Обозначив интенсивность волны буквой J, из (35.3) получим формулу Максвелла для вычисления давления электромагнитных волн на поверхность тела, полностью поглощающего эти волны:

p=J/с.                (35.4)

Опыты Лебедева подтвердили справедливость этого соотношения.