Доказательство существования фотонов

Световое давление

Опыт Боте (1924 г.).

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, в 1922 г. получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона. Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии.

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины p e можно получить

mc 2 (ν 0  – ν) = hν 0 ν(1 – cos θ).

• XVII в. - немецкий физик И.Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца высказал гипотезу о механическом давлении света.

• 1890 г. – П.Н.Лебедев эмпирически доказал существование светового давления.

• 1907 -1910 гг. – Лебедев эмпирически доказал существование давления света на газы

Что происходит, если электромагнитная волна падает на металлическую пластину?

Идея опытов по измерению светового давления

Свет от мощного источника (дуговой лампы) надо сфокусировать на легкоподвижной крыльчатке, подвешенной на нити в баллоне, из которого выкачан воздух. Силу светового давления измерить по углу закручивания нити.

Свет

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи

• Проблема:

• Решение проблемы:

1. Измеряемая величина очень мала. Как измерить ничтожно малое давление света?

Размеры крыльчатки:

Высота – 4 см

Ширина – 2 см

Диаметр

крылышек – 0,5 см

Толщина

крылышек: 0,1 – 0,01 мм

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи

• Решение проблемы:

Уменьшение толщины крылышек до предела

(0,1 – 0,01 мм)

2. Преодоление радиометрического эффекта.

Сущность проблемы:

Нагретая светом поверхность крыльчатки испытывает со стороны отскакивающих от неё молекул газа действие большей силы, причём радиометрические силы в тысячи раз больше сил светового давления.

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи

3. Нагревание баллона под действием света

• Решение проблемы:

Сущность проблемы:

1. Использование светофильтров, задерживающих тепловые лучи;

От освещённой части баллона молекулы отскакивают с большими скоростями и с большей силой действуют на крылышко.

2. Баллон имеет большие размеры, чтобы молекулы потеряли за счёт столкновений свою скорость.

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи

• Решение проблемы:

Свет попеременно направляется то на одну,

то на другую поверхность

крылышка

4. Возникновение конвекционных токов

Сущность проблемы:

Нагретый газ у освещённой стороны крылышка поднимается вверх, на его место приходит более холодный газ с теневой стороны .

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи

5. Создание глубокого вакуума

• Решение проблемы:

Сущность проблемы:

Помещение в баллон капли ртути, пары которой вытесняют воздух, откачиваемый насосом, после чего баллон охлаждают. Пары ртути конденсируются, повышая вакуум.

И конвекционный, и радиометрический эффекты тем слабее, чем выше вакуум .

Значение опытов П.Н. Лебедева

• 1. Доказали справедливость теории электромагнитного поля Д. К. Максвелла;
• 2. Явились одним из краеугольных камней квантовой теории света и теории относительности;
• 3. Доказали наличие у света импульса, а значит, и массы, то есть существование фотонов (световых частиц);
• Доказали, что свет - один из видов материи, а не механические волны в эфире.

Объяснение давления света с точки зрения квантовой теории

• Световые частицы – кванты, попадая на вещество, передают ему свой импульс и тем самым, действуют на него с силой, которую и называют силой светового давления.

Схема установки Лебедева по измерению светового давления на твёрдые тела

Установка опыта П.Н. Лебедева

1619 ГОДУ НЕМЕЦКИЙ УЧЕНЫЙ И. КЕПЛЕР ЗАМЕТИЛ, ЧТО ХВОСТ КОМЕТ ВСЕГДА НАПРАВЛЕН ОТ СОЛНЦА. ОН ВЫСКАЗАЛ ГИПОТЕЗУ О МЕХАНИЧЕСКОМ ДАВЛЕНИИ СВЕТА .

Световое давление играет существенную роль в космических и внутриатомных процессах (стабильность звезд). Световое давление используют для удержания с помощью лазеров в воздухе малые частицы вещества.

Световое давление – результат падения на тело световых квантов и их последовательного отражения или поглощения

Способность света оказывать давление свидетельствует о том, что световые волны обладают импульсом.

Закрепим!

Задания С6 ЕГЭ