3. Давление света

В волновой оптике давлением света называется давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела. Если, например, электромагнитная волна падает на металл М, то под действием электрического поля волны с напряженностью электроны металла будут двигаться в направлении, противоположном вектору со скоростью (рис. 17.3.1). Магнитное поле волны с индукцией действует на движущиеся электроны с силой Лоренца _Л в направлении, перпендикулярном поверхности металла. Таким образом, световая волна оказывает давление на поверхность металла.

В квантовой оптике световое давление является следствием того, что у фотона имеется импульс р. При столкновении фотона с поверхностью тела этот импульс передается атомам или молекулам вещества. Давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность, определяется формулой

. (17.3.1)

Здесь I – интенсивность излучения, т.е. энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, ρ  коэффициент отражения света поверхностью тела.

Для идеально отражающей (зеркальной) поверхности коэффициент отражения ρ=1, для абсолютно черного тела (поглощающей поверхности) ρ=0. Таким образом, согласно (17.3.1)

давление света на зеркальную поверхность: , (17.3.2)

давление света на поверхность абсолютно черного тела: . (17.3.3)

Видно, что давление на идеально отражающую поверхность вдвое больше. Различие давления света в этих двух случаях объясняется тем, что импульс фотона в случае поглощающей поверхности передается атомам или молекулам тела. При отражении от зеркальной поверхности импульс фотона изменяется на противоположный, так что импульс p, передаваемый частицам вещества, составляет 2p.

Задача 17.1. Какое давление P оказывает свет на стенки колбы электрической лампы мощностью N = 100 Вт? Колба лампы – сфера радиусом R = 5 см, стенки которой отражают 10 % падающего на них света. Считать, что вся потребляемая лампой мощность идет на излучение.

Решение. Давление, производимое светом на стенки колбы, определяется формулой

.

Здесь – интенсивность излучения; S = 4πR² – площадь сферы. Коэффициент отражения света ρ по условию задачи равен 10 %, т.е. ρ = 0,1. С учетом всего сказанного перепишем выражение для давления и подставим числовые данные:

,

.

Ответ: давление, оказываемое светом на стенки колбы, P = 12 мкПа.

4. Эффект Комптона

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового излучения (рентгеновского и γ-излучений) на свободных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны:

, (17.4.1)

где λ′ – длина волны рассеянного излучения, λ – длина волны падающего излучения. Величина Δλ не зависит от длины волны падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только углом рассеяния θ:

. (17.4.2)

Здесь λ_C – комптоновская длина волны.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий. Эффект Комптона, как и фотоэффект на основе квантовых представлений, обусловлен взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором  поглощается.