Масса и импульс фотона. Давление света. Опыт Лебедева

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона Е=hν. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии:

m_ф = hν/с². (32.5)

Фотон — элементарная частица, которая всегда движется со скоростью света и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Импульс фотона р_ф равен:

р_ф = ε₀ /с = hν/с. (32.6)

Фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Выражения (32.5) и (32.6) связывают корпускулярные характеристики фотона — массу, импульс и энергию — с волновойхарактеристикой света – его частотой. Если фотоны обладают импульсом, то свет, должен оказывать давление на поверхность.

Согласно квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.

Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического излучения (частота ν), падающего перпендикулярно поверхности.

Если в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения ρ света от поверхности тела ρN- фотонов отразится, а (1-ρ)N— поглотится.

Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс р_ф =hν/с, а каждый отраженный — 2р_ф =2hν/с (при отражении импульс фотона изменяется на р_ф). Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1с N фотонов:

Р = 2 ρN + (1- ρ ) N = (1+ ρ) N, (32.7)

N hν =Е_е, есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, т. е. энергетическая освещенность поверхности, а Е_е/с= ω— объемная плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность,

Р = Е_е/с (1+ ρ ) = ω (1+ ρ ). (32.8)

Давление света одинаково успешно объясняется и волновой, и квантовой теорией. Экспериментальное доказательство существования светового давления на твердые тела и газы дано в опытах П. Н. Лебедева. В частности оказалось, что давление света на зеркальную поверхность вдвое больше, чем на зачерненную.

Опыт Лебедева - это первый лабораторный опыт подтверждающий наличие светового давления.
Опыт, проведенный им в 1899 г., подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует.
Результаты опыта подтвердили теоретические предположения Максвелла о существовании светового давления. А его величина была почти такой же, как и предсказал Максвелл. В 1907 - 1910 г. г. с помощью более точных экспериментов Лебедев измерил давление света на газы.