4.7. Давление света

Одним из экспериментальных подтверждений наличия у фотонов массы и импульса является существование светового давления. Мысль о том, что свет при встрече с телами должен оказывать на них давление, была высказана ещё немецким астрономом И.Кеплером в XVII веке.

С точки зрения теории фотонов давление света на поверхность происходит в результате передачи импульса при поглощении и отра­жении света поверхностью.

Рассчитаем давление, оказываемое на плоскую поверхность па­дающим нормально монохроматическим световым потоком с частотой n. Пусть в единицу времени на единицу площади тела падает N фотонов. При коэффициенте отражения r (коэффициент отражения равен отношению энергии отраженной к энергии падающей) света от поверхности тела rN фотонов отразится, а (1–r)N – поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс , а каждый отраженный передает импульс .

Используя второй закон Ньютона и формулу давления, можно получить формулу для давления света. Давление света р на поверхность равно импульсу, который передают единице поверхности N фотонов в 1 секунду:

;

,

где hnN = E_ф - энергия всех фо­тонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени.

В итоге давление, производимое светом при нормальном падении на поверх­ность:

, (4.20)

где – объемная плотность энергии из­лучения.

Световое давление ничтожно мало. Так, прямые солнечные лучи в яркий день оказывают при полном поглощении давление 4?10^-7 Н/м². Благодаря столь малой величине, заметить световое давление трудно.

Впервые экспериментально световое давление на твердые тела было обнаружено и измерено русским физиком П.Н. Лебедевым в 1901 году. В 1908 году Лебедев решил ещё более трудную задачу - экспе­риментально обнаружил и измерил световое давление на газы. Эта работа подтвердила правильность гипотезы русского астронома Ф.А. Бредихина об образовании кометных хвостов: тот факт, что кометные хвосты всегда отклонены от Солнца, объясняется световым давлением.

Несмотря на малое значение светового давления, с ним приходится считаться. Так, неравномерное освещение искусственных спутников Земли приводит в некоторых случаях к возникновению нежелательных вращаю­щих моментов, что приходится учитывать при расчете условий полета космических аппаратов. Световое давление играет большую роль в эволюции горячих звезд, так как препятствует сжатию звезды под действием гравитационных сил.