PRESIUNEA LUMINII

19:17 0 Comments

în lucrarea sa fundamentală, Tratat despre electricitate şi magnetism (1873), Maxwell a expus teoria cîmpului electromagnetic, în cadrul căreia a prezis existenţa undelor electromagnetice şi a descris proprietăţile lor. Maxwell a demonstrat că aceste unde sînt transversale, vectorul electric E şi cel magnetic B fiind perpendiculari atît între ei, cit şi pe direcţia vitezei v de propagare a undei. Sensul vectorului v coincide cu sensul înaintării burghiului cu filet de dreapta la rotirea minerului său de la vectorul E spre B. Maxwell a demonstrat, de asemenea, că undele electromagnetice, deci şi cele luminoase, produc presiune pe suprafaţa pe care cad.
Pentru a explica existenţa presiunii luminii, se consideră suprafaţa plană S a unui corp şi o undă electromagnetică ce cade normal pe ea (fig. 5.11). în figură vectorul E are acelaşi sens cu axa Ox, vectorul ÎS cu axa Oy şi vectorul v cu axa Oz. După o semi- perioadă, vectorii E şi B au sens opus axelor respective, vectorul vitezei v nu-şi modifică însă sensul.
Cîmpul electric al undei imprimă acceleraţie purtătorilor liberi de sarcină electrică din corp, mişcarea lor devenind ordonată. în sensul vectorului electric E circulă curent electric I care variază periodic în timp, asemenea vectorului E al undei. In figura 5.11 curentul electric I are sensul axei Ox. Aplicînd regula mîinii stingi, constatăm că forţa electromagnetică F, ce acţionează asupra acestui curent din partea cîmpului magnetic B al undei, este orientată spre interiorul corpului, în sensul
8. Catodul din potasiu este iluminat cu radiaţie electromagnetică avînd frecvenţa de 6,3 • 1014 Hz. Determinaţi energia cinetică maximă a fotoelectronilor emişi.
9. Să se determine viteza maximă a fotoelectronilor emişi de catod sub acţiunea radiaţiei electromagnetice cu lungimea de undă egală cu 0,475 pm, dacă lungimea de undă de prag roşu pentru materialul catodului este de 0,566 pm.
10. Care sînt priorităţile şi deficienţele celulei fotoelec- trice cu vid faţă de celula cu gaz inert?
11. Prin ce se deosebeşte efectul fotoelectric intern de cel extern?
axei Oz. După o semiperioadă, sensurile vectorului E şi B se schimbă în opuse, dar se poate verifica uşor că sensul forţei F rămîne acelaşi.
I Astfel, unda luminoasă ce cade normal pe suprafaţa corpului produce presiune determinată de forţa electromagnetică F.
Pentru valoarea presiunii, Maxwell a obţinut expresia:
p = (l+R)w, (5.14)
unde w este densitatea volumică a energiei undei electromagnetice (energia cîmpului electromagnetic dintr-o unitate de volum al undei), iar R este coeficientul de reflexie, egal cu partea de energie care se reflectă de la suprafaţa corpului.
în cazul corpului negru R = 0 şi pn = w, iar în cazul oglinzii R = 1 şi p0 - 2w. Astfel, presiunea produsă de undă asupra corpului reflector este de două ori mai mare decît asupra corpului negru.
Primul studiu experimental al presiunii luminii a fost realizat de către fizicianul rus Piotr Lebedev (1866-1912), care a măsurat în 1900 presiunea produsă asupra corpurilor solide. Partea principală a instalaţiei era o balanţă de torsiune cu fir subţire de care era suspendată o tijă avînd fixate simetric, lateral, perechi de aripioare uşoare (fig. 5.12). Aripioarele dintr-o parte a tijei erau negre, iar de cealaltă parte - strălucitoare. Firul de suspensie şi tija se aflau într-un vas din care era evacuat aerul pentru a reduce la minimum influenţa ciocnirilor moleculelor de aer cu aripioarele asupra experimentului.
86
Căzînd pe aripioare, lumina exercita asupra aripioarelor strălucitoare o presiune de aproximativ de două ori mai mare decît asupra celor negre, conform formulei (5.14). Drept rezultat tija se rotea şi răsucea firul elastic de care era suspendată. Măsurînd unghiul de rotaţie a tijei şi cunoscînd caracteristicile instalaţiei (lungimea şi diametrul firului, dimensiunile aripioarelor, distanţa dintre centrele lor şi axa de rotaţie ş.a.), Lebedev a calculat presiunea produsă de lumină. S-a constatat că rezultatele obţinute coincid cu cele ale lui Maxwell cu o precizie de circa 10%.
Determinarea experimentală a presiunii luminii a fost un argument forte în favoarea teoriei cîmpului electromagnetic a lui Maxwell şi a consecinţelor ei.
Existenţa presiunii luminii se explică şi în cadrul teoriei fotonice. Calculele se efectuează ca în cazul presiunii produse de gaz asupra pereţilor vasului în care se află. Aici se consideră ciocnirile dintre fotoni şi corpurile pe care aceştia cad. în urma ciocnirilor impulsurile fotonilor variază, deci asupra lor acţionează forţe din partea corpurilor pe care ei cad. în baza principiului acţiunii şi reacţiunii, conchidem că fotonii acţionează asupra corpurilor pe care cad şi produc presiune.
Faptul că presiunea produsă de lumină asupra corpului reflector este de două ori mai mare decît cea produsă de aceeaşi lumină asupra corpului negru se explică relativ simplu: variaţia impulsului fotonului care se reflectă de la suprafaţa pe care cade normal este de două ori mai mare decît a fotonului absorbit, al cărui impuls final este zero. în cadrul teoriei fotonice se obţine pentru presiunea luminii aceeaşi expresie (5.14) ca şi în teoria cîmpului electromagnetic.
Astfel, presiunea luminii poate fi explicată atît din punctul de vedere al teoriei cîmpului electromagnetic, cît şi din cel al teoriei fotonice.
în concluzie menţionăm că unele fenomene ca radiaţia termică, efectul fotoelectric etc. pot fi explicate
numai în cadrul teoriei fotonice (corpusculare) a luminii. Pe de altă parte, interferenţa, difracţia şi polarizarea luminii se explică doar în cadrul teoriei ondulatorii. Rezultă că lumina posedă atît proprietăţi ondulatorii, cît şi corpusculare. Natura luminii s-a dovedit a fi complexă, purtînd un caracter dual undă-corpuscul.
9 Verificaţi-vă cunoştinţele
1. Cum se explică existenţa presiunii luminii în cadrul teoriei cîmpului electromagnetic?
2. Care este explicaţia presiunii luminii din punctul de vedere al teoriei fotonice?
3. Cum explică teoria fotonică faptul că presiunea asupra suprafeţei strălucitoare este de două ori mai mare decît asupra celei negre?
4. Din ce cauză partea mobilă a instalaţiei lui Lebedev la căderea luminii pe aripioarele ei se roteşte?
5. Ce explicaţie propuneţi referitor la forma cozii cometelor faţă de nucleul lor?