Тиск світла.
Досліди П.М. Лебедєва
Світло, падаючи на будь-яку поверхню, чинить на неї тиск, який залежить від величини світлового потоку та відбиваючої здатності цієї поверхні.
Видатний вчений Петро Миколайович Лебедєв ще у 1891 році, ознайомившись з дослідженнями астронома Бредихіна, в яких було доведено, що хвости комет завжди напрямлені в бік, протилежний Сонцю, припустив, що промені сонячного світла здійснюють тиск на частинки, з яких складаються хвости комет, і нібито "віддмухують" їх.
Але цю теорію потрібно було довести. Взагалі тиск світла теоретично обгрунтував Максвел (автор електромагнітної теорії світла), однак ця теорія не була підтверждена практичними дослідженнями, тому її не можна було вважати однозначно доведеною.
Варто зазначити, що П.М.Лебедєва називали королем фізичного експерименту. І це справді заслужене звання! Оскільки він завжди проводив такі досліди, здіснення яких знаходилося на межі можливостей для лабораторних досліджень.
Але як же все-таки виміряти тиск світла? Принципова схема досліду досить зрозуміла. Потрібно підвісити на нитці легку пластинку з противагою. Пластинку освітити потужним променем світла, а противагу залишити в тіні. Якщо пластина буде обертатися навколо вісі підвіса, значить, світло здійснює тиск; сиулу якого можна розрахувати в залежності від кута повороту пластинки. Якщо ж пластинка не буде обертатися, то це означає, що світлового тиску немає. От така схема. Але яким чином відокремити надзвичайно малу дію світла від дії інших, значно більших сил? Під впливом світла повітря прогрівається, що є причиною виникнення конвекційних потоків, а вплив цих потоків на пластинку буде значно суттєвішим, ніж дія самого світла. Нарешті, як уникнути впливу радіометричних сил, з якими молекули повітря відштовхуються від нагрітих частин приладу?
Лебедєв спочатку вивчає тиск різних видів хвиль - електромагнітних, гідравлічних, звукових. Потім протягом трьох років великий вчений власноруч виточує деталі для вигаданих ним приладів, сам збирає лабораторне устаткування, багато разів його переробляючи та видозмінюючи.
І ось настає час найголовнішого. Як позбутися завад та виділити тиск світла у чистому вигляді? Лебедєву зрозуміло: легку пластинку, яку він пестливо називає крильцем, потрібно розташувати в закритому скляному балоні та відкачати з нього повітря. Але як це зробить? Найбільш досконалий на той час вакуумний насос залишав у посудині забагато молекул повітря. Лебедєв вдається до хитрощів. Він розміщує в балоні крапельку ртуті і трохи її нагріває, продовжуючи відкачувати повітря. Ртуть випаровується і нібито виштовхує залишки молекул повітря з балону. Але як тепер позбутися парів ртуті? Це досит просто. Потрібно охолодити балон до мінус 400С, і ртуть замерзне.
Але все-таки молекул повітря і в цьому випадку залишається забагато, щоб повністю не враховувати конвекційні потоки. Ці конвекційні потоки виникають внаслідок того, що з освітленого боку крильця повітря нагрівається більше, ніж з тіньового. І от Лебедєв конструює прилад, який дозволяє з одного джерела освітлювати то один, то інший бік крильця. І от нарешті з конвекційними силами питання вирішене - вони тепер урівноважують одне одного.
Але найскладніше попереду. Потрібно побороти вплив радіометричних сил. Радіометричні сили виникають внаслідок того, що молекули повітря відштовхуються від нагрітих частин приладу з більшою силою, ніж від холодних. Виникають вони практично миттєво і, головне, діють в тому ж напрямку, що і сили світлового тиску. Що ж робити?
Одне джерело радіометричних сил - це скляна стінка балона. Чи можна зменшити її нагрівання? Варто зауважити, що світло складається з електромагнітних хвиль різної частоти. Вони й потрібні досліднику, оскільки тільки вони потраплять на крильце й здіснять на нього тиск. Решта частот - це баласт, вони затримуються склом та нагрівають його. А що, якщо на їх шляху поставити спеціальні фільтри, які дозволять звільнитися віл баласту? Скло все одно буде трохи нагріватися, але балон можна зробити трохи більши, щоб молекули, які відскочили від стінки не змогли передати всю свою надлишкову енергію крильцю, а розгубили її стикаючись на своєму шляху з іншими молекулами... Таким чином, Лебедєву вдалося побороти одне джерело радіометричних сил.
Але лишилося друге джерело радіометричних сил, оскільки освітлений (а значить, нагрітий) бік крильця також відштовхує молекули повітря з більшою силою, ніж тіньовий. Тут радіометричні сили будуть виникати завжди. Від них неможна позбавитися, не позбавившись світлових променів, а значить, і тиску світла. Але Лебедєв знайшов вихід і з цього замкненого кола. Шляхом проведення низки експерементів вчений знаходить закономірність у поведінці радіометричних сил у цьому випадку. А якщо є певна закономірність, то її можна врахувати. Виявляється, що ці сили тим більші, чим тонша пластинка, на яку потрапляє світло. Таким чином потрібно на шляху світла поставити не одне, а два крильця, причому одне з них повинне бути в кілька разів товще за інше. За різницею кутів відхилень цих двох крилець можна порахувати радіометричні сили та виключити їх вплив при остаточних розрахунках сил світлового тиску. Нарешті задача було повністю успішно вирішена!
Лебедев про своє видатне відкриття доповів в 1900 році. Йому на той час було 34 роки.
 Таким чином людство отримало, ще одну унікальну експериментальну установку, яка складається з легкого каркасу із закріпленими на ньому тонкими "крильцями" - світлими та темними дисками товщиною від 0,01 до 0,1 мм. Диски розташовані симетрично відносно осі підвісу, навколо якої каркас може повертатися. Світло, падаючи на "крильця", чинить на світлі та темні диски різний тиск. Тому каркас, підвішений на тонкій скляній нитці, зазнає обертального моменту, щи закручує нитку. Тиск світла визначається за кутом закручування нитки.
Явище світлового тиску можна пояснити як на основі хвильових уявлень про світло, так і з точки зору квантової теорії світла.
За електромагнітною теорією світла, тиск світла пояснюється виникненням механічних сил, які діють на електрони освітлюваного тіла з боку електричного й магнітного компонентів електромагнітного поля.
Квантова теорія світла пояснює світловий тиск як результат передавання фотонами свого імпульсу атомам або молекулам речовини.
|
