presiunea luminii În lucrarea sa fundamentală, Tratat despre electricitate şi magnetism (a.1873), Maxwell a expus teoria câmpului electromagnetic, în cadrul căreia a prezis existenţa undelor electromagnetice și a descris proprietăţile lor. Maxwell a demonstrat că aceste unde sunt transversale, vectorul electric și cel magnetic fiind perpendiculari atât între ei, cât și pe direcţia vitezei υ de propagare a undei. Sensul vectorului υ coincide cu sensul înaintării burghiului cu filet de dreapta la rotirea mânerului său de la vectorul spre . Maxwell a demonstrat, de asemenea, că undele electromagnetice, deci și cele luminoase, produc presiune pe suprafaţa pe care cad. Pentru a explica existenţa presiunii luminii, considerăm suprafaţa plană S a unui corp și o undă electromagnetică ce cade perpendicular pe ea (fig. 5.11).
În figură vectorul are același sens cu axa Ox, vectorul – cu axa Oy și vectorul υ – cu axa Oz. După o semiperioadă, vectorii și au sens opus axelor respective, vectorul vitezei υ nu-și modifică însă sensul. Câmpul electric al undei imprimă acceleraţie purtătorilor liberi de sarcină electrică din corp, mișcarea lor devenind ordonată. În sensul vectorului electric circulă curent electric I care variază periodic în timp, asemenea vectorului al undei. În figura 5.11 curentul electric I are sensul axei Ox. Aplicând regula mâinii stângi, constatăm că forţa electromagnetică , ce acţionează asupra acestui curent din partea câmpului magnetic al undei, este orientată spre interiorul corpului, în
sensul axei Oz. După o semiperioadă, vectorii și își schimbă sensurile în opuse, dar se poate verifica ușor că sensul forţei rămâne același. Astfel, unda luminoasă ce cade perpendicular pe suprafaţa corpului produce presiune determinată de forţa electromagnetică (F). Pentru valoarea presiunii, Maxwell a obţinut expresia: p = (1 + R) w, (5.14) unde w este densitatea volumică a energiei undei electromagnetice (energia câmpului electromagnetic dintr-o unitate de volum), iar R este coeficien tul de reflexie, egal cu partea de energie care se reflectă de la suprafaţa corpului. În cazul corpului negru R = 0 și pn = w, iar în cazul oglinzii R = 1 și p0 = 2w. În acest fel, presiunea produsă de undă asupra corpului reflector este de două ori mai mare decât cea produsă asupra corpului negru. Primul studiu experimental al presiunii luminii a fost realizat de către fizicianul rus Piotr Lebedev (1866–1912), care a măsurat presiunea pro dusă asupra corpurilor solide (a.1900). Partea principală a insta laţiei era o balanţă de torsiune cu fir subţire de care era suspendată o tijă având fixate simetric, lateral, perechi de aripioare ușoare (fig. 5.12). Aripioarele dintr-o parte a tijei erau negre, iar de cealaltă parte – strălucitoare. Firul de suspensie și tija se aflau într-un vas din care era evacuat aerul pentru a reduce la minim influenţa ciocnirilor moleculelor de aer cu ari pioarele asupra experimentului.
1. În ce constă efectul fotoelectric extern? 2. Cum se explică existenţa, la tensiune nulă, a curentului foto electric dintre electrozi? 3. Care factor determină existenţa curentului de saturaţie? Cum poate fi modificată valoarea lui? 4. Cum poate fi determinată experimental energia cinetică maximă a fotoelectronilor? 5. Determinaţi energia fotonului ce corespunde luminii de culoare verde având lungimea de undă egală cu 550 nm. 6. Calculaţi impulsul fotonului cu energia de 2,85 · 10–19 J. Ce culoare are lumina respectivă? 7. Determinaţi lungimea de undă ce corespunde pragului roşu pentru argint.
8. Catodul din potasiu este iluminat cu radiaţie electromagnetică având 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 µm, dacă lungimea de undă de prag roşu pentru materialul catodului este de 0,566 µm. 10. Care sunt avantajele şi dezavantajele celulei fotoelectrice cu vid faţă de celula cu gaz inert? 11. Prin ce se deosebeşte efectul fotoelectric intern de cel extern?
87
Căzând pe aripioare, lumina exercita asupra aripioa relor strălucitoare o presiune de aproximativ de două ori mai mare decât asupra celor negre, conform formulei (5.14). Drept rezultat, tija se rotea și răsucea firul elastic de care era suspendată. Măsurând unghiul de rotaţie a tijei și cunoscând caracteristicile instalaţiei (lungimea și diametrul firului, dimensiunile aripioarelor, distanţa dintre centrele lor și axa de rotaţie etc.), 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 câmpului electromagnetic a lui Maxwell și a consecinţelor ei. Existenţa presiunii luminii se explică și în cadrul teoriei fotonice. Calculele se efectuează ca în cazul pre siunii produse de gaz asupra pereţilor vasului în care se află. Aici se iau în considerare ciocnirile dintre fotoni și corpurile pe care aceștia cad. În urma ciocnirilor impulsurile foto nilor variază, deci asupra lor acţionează forţe din partea corpurilor pe care ei cad. În baza principiului acţiunii și reacţiunii, conchidem că fotonii acţionează asupra corpurilor pe care cad și produc presiune. Faptul că presiunea produsă de lumină asupra corpului reflector este de două ori mai mare decât cea produsă de aceeași lumină asupra corpului negru se explică relativ simplu: variaţia impulsului foto nului ce se reflectă de la suprafaţa pe care cade perpendicular este de două ori mai mare decât a fotonului absorbit, al cărui impuls final este zero. În cadrul teoriei fotonice pentru presiunea luminii se obţine aceeași expresie (5.14) ca și în teoria câmpului electro magnetic. Astfel, presiunea luminii poate fi explicată atât din punctul de vedere al teoriei câmpului electromagnetic, cât și din cel al teoriei fotonice. În concluzie menţionăm că unele fenomene ca radiaţia termică, efectul fotoelectric etc. pot fi expli
Fig. 5.12
Verificaţi-vă cunoştinţele
cate numai în cadrul teoriei fotonice (corpusculare) a luminii. Totodată, interferenţa, difracţia și polarizarea luminii se explică doar în cadrul teoriei ondulatorii. Rezultă că lumina posedă atât proprietăţi ondulatorii, cât și corpusculare. Natura luminii s-a dovedit a fi complexă, purtând un caracter dual: undă–corpuscul.
1. Cum se explică existenţa presiunii luminii în cadrul teoriei câmpului 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 decât asupra celei negre?
4. Din ce cauză partea
În figură vectorul are același sens cu axa Ox, vectorul – cu axa Oy și vectorul υ – cu axa Oz. După o semiperioadă, vectorii și au sens opus axelor respective, vectorul vitezei υ nu-și modifică însă sensul. Câmpul electric al undei imprimă acceleraţie purtătorilor liberi de sarcină electrică din corp, mișcarea lor devenind ordonată. În sensul vectorului electric circulă curent electric I care variază periodic în timp, asemenea vectorului al undei. În figura 5.11 curentul electric I are sensul axei Ox. Aplicând regula mâinii stângi, constatăm că forţa electromagnetică , ce acţionează asupra acestui curent din partea câmpului magnetic al undei, este orientată spre interiorul corpului, în
sensul axei Oz. După o semiperioadă, vectorii și își schimbă sensurile în opuse, dar se poate verifica ușor că sensul forţei rămâne același. Astfel, unda luminoasă ce cade perpendicular pe suprafaţa corpului produce presiune determinată de forţa electromagnetică (F). Pentru valoarea presiunii, Maxwell a obţinut expresia: p = (1 + R) w, (5.14) unde w este densitatea volumică a energiei undei electromagnetice (energia câmpului electromagnetic dintr-o unitate de volum), iar R este coeficien tul de reflexie, egal cu partea de energie care se reflectă de la suprafaţa corpului. În cazul corpului negru R = 0 și pn = w, iar în cazul oglinzii R = 1 și p0 = 2w. În acest fel, presiunea produsă de undă asupra corpului reflector este de două ori mai mare decât cea produsă asupra corpului negru. Primul studiu experimental al presiunii luminii a fost realizat de către fizicianul rus Piotr Lebedev (1866–1912), care a măsurat presiunea pro dusă asupra corpurilor solide (a.1900). Partea principală a insta laţiei era o balanţă de torsiune cu fir subţire de care era suspendată o tijă având fixate simetric, lateral, perechi de aripioare ușoare (fig. 5.12). Aripioarele dintr-o parte a tijei erau negre, iar de cealaltă parte – strălucitoare. Firul de suspensie și tija se aflau într-un vas din care era evacuat aerul pentru a reduce la minim influenţa ciocnirilor moleculelor de aer cu ari pioarele asupra experimentului.
1. În ce constă efectul fotoelectric extern? 2. Cum se explică existenţa, la tensiune nulă, a curentului foto electric dintre electrozi? 3. Care factor determină existenţa curentului de saturaţie? Cum poate fi modificată valoarea lui? 4. Cum poate fi determinată experimental energia cinetică maximă a fotoelectronilor? 5. Determinaţi energia fotonului ce corespunde luminii de culoare verde având lungimea de undă egală cu 550 nm. 6. Calculaţi impulsul fotonului cu energia de 2,85 · 10–19 J. Ce culoare are lumina respectivă? 7. Determinaţi lungimea de undă ce corespunde pragului roşu pentru argint.
8. Catodul din potasiu este iluminat cu radiaţie electromagnetică având 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 µm, dacă lungimea de undă de prag roşu pentru materialul catodului este de 0,566 µm. 10. Care sunt avantajele şi dezavantajele celulei fotoelectrice cu vid faţă de celula cu gaz inert? 11. Prin ce se deosebeşte efectul fotoelectric intern de cel extern?
87
Căzând pe aripioare, lumina exercita asupra aripioa relor strălucitoare o presiune de aproximativ de două ori mai mare decât asupra celor negre, conform formulei (5.14). Drept rezultat, tija se rotea și răsucea firul elastic de care era suspendată. Măsurând unghiul de rotaţie a tijei și cunoscând caracteristicile instalaţiei (lungimea și diametrul firului, dimensiunile aripioarelor, distanţa dintre centrele lor și axa de rotaţie etc.), 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 câmpului electromagnetic a lui Maxwell și a consecinţelor ei. Existenţa presiunii luminii se explică și în cadrul teoriei fotonice. Calculele se efectuează ca în cazul pre siunii produse de gaz asupra pereţilor vasului în care se află. Aici se iau în considerare ciocnirile dintre fotoni și corpurile pe care aceștia cad. În urma ciocnirilor impulsurile foto nilor variază, deci asupra lor acţionează forţe din partea corpurilor pe care ei cad. În baza principiului acţiunii și reacţiunii, conchidem că fotonii acţionează asupra corpurilor pe care cad și produc presiune. Faptul că presiunea produsă de lumină asupra corpului reflector este de două ori mai mare decât cea produsă de aceeași lumină asupra corpului negru se explică relativ simplu: variaţia impulsului foto nului ce se reflectă de la suprafaţa pe care cade perpendicular este de două ori mai mare decât a fotonului absorbit, al cărui impuls final este zero. În cadrul teoriei fotonice pentru presiunea luminii se obţine aceeași expresie (5.14) ca și în teoria câmpului electro magnetic. Astfel, presiunea luminii poate fi explicată atât din punctul de vedere al teoriei câmpului electromagnetic, cât și din cel al teoriei fotonice. În concluzie menţionăm că unele fenomene ca radiaţia termică, efectul fotoelectric etc. pot fi expli
Fig. 5.12
Verificaţi-vă cunoştinţele
cate numai în cadrul teoriei fotonice (corpusculare) a luminii. Totodată, interferenţa, difracţia și polarizarea luminii se explică doar în cadrul teoriei ondulatorii. Rezultă că lumina posedă atât proprietăţi ondulatorii, cât și corpusculare. Natura luminii s-a dovedit a fi complexă, purtând un caracter dual: undă–corpuscul.
1. Cum se explică existenţa presiunii luminii în cadrul teoriei câmpului 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 decât asupra celei negre?
4. Din ce cauză partea
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu