Кванты света
Фотон: энергия, импульс, давление света
Мякишев «Физика 11», квантовая физика
1
Что такое фотон
Квант электромагнитного поля: всегда летит со скоростью света, массы покоя не имеет, остановить его нельзя.
E=hν=λhch=6,6⋅10−34 Дж·с +Масштаб энергий2
Чем короче волна, тем «жёстче» квант: фотон гамма-излучения в миллионы раз энергичнее радиофотона.
Поэтому рентген и гамма опасны, а радиоволны той же мощности — нет: дело не в суммарной энергии, а в энергии одной порции.
У фотона нет массы покоя, и он не «замедляется» в веществе. В среде меняется скорость волны, а не «усталость» частицы.
2
Импульс фотона
У фотона нет массы, но есть импульс — и именно поэтому свет давит на поверхность.
p=cE=λhимпульс обратно пропорционален длине волны +Опыт Лебедева2
Давление света измерил Лебедев на крутильных весах — эффект ничтожен, но он его поймал.
На давлении света работают солнечные паруса, и оно же формирует хвосты комет, направленные от Солнца.
⚗Опыт в Физлабе
Давление света (Лебедев)
Сравни зеркальную и чёрную пластинки под одним и тем же светом.
3
Почему на зеркало давление вдвое больше
Поглощённый фотон отдаёт импульс p. Отражённый — 2p, потому что меняет направление на противоположное. +Через закон сохранения импульса3
Был импульс +p, стал −p. Изменение равно 2p, и весь он передан поверхности.
При поглощении был +p, стал 0 — передано только p.
Отсюда и вывод: зеркальная поверхность испытывает вдвое большее давление, чем чёрная.
Забытое удвоение при отражении — типичная ошибка в задачах на давление света.
Разобранные примеры
Найдите энергию фотона частотой 5⋅1014 Гц. h=6,63⋅10−34 Дж·с.разбор
- E=hν.
- E=6,63⋅10−34⋅5⋅1014≈3,3⋅10−19 Дж.
Ответ:
≈3,3⋅10−19 ДжНайдите импульс этого фотона.разбор
- p=cE — у фотона нет массы покоя, но импульс есть.
- p=3⋅1083,3⋅10−19≈1,1⋅10−27 кг·м/с.
- Именно этот импульс создаёт давление света.
Ответ:
≈1,1⋅10−27 кг·м/с