Давление света

Давление света, давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Д. с. впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Д. с. даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно мала и маскируется в земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, см.(смотри) Радиометрический эффект), которые могут превышать в тысячи раз величину Д. с. Для обнаружения Д. с. Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды (рис. 1). Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда G (рис. 2), из которого выкачивался воздух. 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 Д. с. на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Д. с. на газы, что было ещё труднее, так как Д. с. на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела.

  Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследователей полностью согласуются со значением Д. с., определённым на основе электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873), что явилось ещё одним важным подтверждением теории электромагнитного поля Фарадея — Максвелла. Согласно электромагнитной теории света, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности и электромагнитной энергии (энергии, заключённой в единице объёма) около поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность электромагнитной волны, падающей на 1 см² поверхности тела, равна S эрг/см²( сек), коэффициент отражения электромагнигной энергии от поверхности тела равен R, то вблизи поверхности плотность энергии u = S• (1+R)/c (с — скорость света). Этой величине и равно Д. с. на поверхность тела: р = S (1 + R)/c (эрг/см³ или дж/м³). Например, мощность солнечного излучения, приходящего на Землю, равна 1,4•10⁶ эрг/(см²(сек) или 1,4•10³ вт/м², следовательно, для абсолютной поглощающей поверхности (когда R = 0) р = 4,3 •10^-5lдин/см² = 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.

  Изотропное равновесное излучение также оказывает давление на систему (тело), с которой оно находится в термодинамическом равновесии:

р = u/3=1/3•sT⁴ ,

где s — постоянная Стефана — Больцмана, Т — температура излучения. Существование Д. с. показывает, что поток излучения обладает не только энергией, но и импульсом, а следовательно, и массой.

  С точки зрения квантовой теории, Д. с. — результат передачи телам импульса фотонов (квантов энергии электромагнитного поля) в процессах поглощения или отражения света. Квантовая теория даёт для Д. с. те же формулы.

  Особо важную роль Д. с. играет в двух противоположных по масштабам областях явлений — в явлениях астрономических и явлениях атомарных. В астрофизике Д. с. наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитационного сжатия (при температуре ~ 10⁷ градусов в недрах звёзд Д. с. достигает десятков млн. атмосфер). Д. с. существенно для динамики околозвёздного и межзвёздного газа; действием Д. с. объясняются некоторые формы кометных хвостов (см. Кометы). Д. с. вызывает возмущение орбит искусственных спутников Земли (особенно лёгких спутников-баллонов типа «Эхо» с большой отражающей поверхностью). К атомарным эффектам Д. с. относится «световая отдача», которую испытывает возбуждённый атом при испускании фотона. К Д. с. близко явление передачи гамма-квантами части своего импульса электронам, на которых они рассеиваются (см. Комптон-эффект), или ядрам атомов кристалла в процессах излучения и поглощения (см. Мёссбауэра эффект).

  Лит.: Lebedew P., Untersuchungen liber die Dnickkräfte des Lichtes, «Annalen der Physik», 1901, fasc. 4, Bd 6, S. 433—458; Лебедев П. Н., Избр. соч.(сочинение), М. — Л., 1949: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957; Эльясберг П. Е., Введение в теорию полета искусственных спутников Земли, М., 1965.

Рис. 1. Различные системы (I, II, III) крылышек в опыте Лебедева; О — платиновая петля, С — кардановый подвес.

Рис. 2. Схема опыта Лебедева: В — источник света (угольная дуга); С — конденсор; D — металлическая диафрагма; К — линза; W — стеклянный сосуд с водой с плоскопараллельными стенками, играющими роль светофильтра; S₁—S₆ — зеркала; L₁ и L₂ — линзы; R — изображение диафрагмы D на крылышках (на рис.(рисунок) не показаны) внутри стеклянного баллона G; P₁ и P₂ — стеклянные пластинки; Т — термобатарея; R₁ — изображение диафрагмы D на поверхности термобатареи.