Жарықтың электромагниттік теориясы

Жарық қысымы

 

Қысым дегеніміз  не?

 

Жарық қысымы

 

Қысым дегеніміз  не?

 

 

 

Жарық қысымы дегенді  қалай түсінесіңдер?

 

 

Жарықтың  электромагниттік теориясы

1864 жылы шыққан «Электромагниттік  өрістің динамикалық теориясы»  атты Максвеллдің мақаласында  алғашқы рет «электромагниттік  өріс» термины пайда болды. 

 

 

Джеймс Клерк Максвелл

 ρ- шағылу коэффициенті,

 ω_орт- толқын энергиясының орташа тығыздығы.

 

 

 

Атақты физик-экспериментатор  П.Н.Лебедев 1890  жылы

қатты дене бетіне, 1907-1910 жылдары  газдарға түсіретін жарықтың қысымын  тәжірибе арқылы жеткілікті дәрежеде дәл анықтады.

 

Лебедев П.Н.

   (1866-1912)

 

 

Жарық қысымын  өлшеу

 

 

Петр Николаевич Лебедев  осы эксперименттерді жасаған кезде  біршама қиындықтармен кездесті:

1. Жарық қысымы өте әлсіз болғандықтан  құрал өте жеңіл болу тиіс еді.
2. Өте жеңіл жұқа қанатшалардың қозғалысына газ кедергі жасады.
3. Жарық әсерінен қатты қызған  қара беттерден газ молекулалары  өте үлкен жылдамдықпен ұшады және қара беттерге көбірек импульс береді.

    Бұл құбылыс   радиометриялық эффект деп

    аталады.

4. Сәулелену нәтижесінде  жылынған газда конвекциялық  ағындар пайда болған.

Лебедев  радиометриялық эффектісін және конвекциялық ағындарды  азайту үшін баллонда вакуум орнатты.

Ол  баллонға бір тамшы  сынапты енгізді.

Сынап буы ауаны ығыстырғаннан  кейін, баллонды сынаптың конденсациялану  температурасына дейін суытты.

Лебедевтің эксперимент жасаған қондырғысы

Айнадан шағылып түскен жарықтың қысымы ілмекті белгілі бір бұрышқа  бұрады, яғни оған айналдырушы момент әсер етеді.

Айналдырушы моментті ілмекті  ілген жіңішке жіптің ширатылуын өлшеу арқылы анықтауға болады.

 

Қара дене үшін Максвелл формуласындағы ρ=0 болғандықтан, жарықтың қара бетке түсіретін қысымы ақшыл бетке түсіретін қысымынан әлдеқайда (шамамен 1,5 еседей) аз болуы тиіс.

Лебедев жасаған тәжірибенің нәтижесі формула бойынша жасалған есептеулерден алынған нәтижемен дәл келді.

 

 

Максвелл теориясынан шығатын  жарық – электромагниттік толқын деген қорытындыны дәлелдеуде Лебедев тәжірибесінің маңызы зор болды

Крукс радиометрі

Жарықтың  кванттық  теориясы

1900 жылы жылулық сәулелену  кезінде энергияның жұтылуын  және шығарылуын түсіндіру үшін  Макс Планк жарықтың кванттық  теориясын ұсынды.

 

Макс Планк

 

Планк электромагниттік сәулелену  үздіксіз емес, жеке энергия үлестері – кванттар түрінде шығарылады, әр кванттың энергиясы тербеліс жиілігіне пропорционал деген болжам жасады.

 

 

(quantum – латын  сөзi, мөлшер дегендi бiлдiредi)

Кванттық теория тұрғысынан алғанда жарықтың қысымы бетке келіп  соғылған әрбір фотонның оған импульс  беретінімен түсіндіріледі.

 

 

Кванттық теория тұрғысынан алғанда жарықтың қысымы бетке келіп  соғылған әрбір фотонның оған импульс  беретінімен түсіндіріледі.

 

 

Жарық дене бетіне перпендикуляр  түссін және уақыт бірлігі ішінде аудан бірлігіне түсетін фотондардың  саны n болсын.

Егер шағылу коэффициенті ρ болса, беттен ρn фотон шағылады,

(1-ρ)n фотон жұтылады.

 

 

Әрбір шағылған фотон бетке                         импульс береді, себебі шағылған соң  фотонның импульсі -р_фболады.

 

 

Жарықтың қысымы n фотонның импульстарының қосындысына тең:

 

 Өрнекті ықшамдаймыз. 

 

 

I= nhv– жарықтың интенсивтілігі.

 

 

ω- толқын энергиясының тығыздығы.

 

       

 

Осыларды  ескере отырып, Максвелдің формуласын аламыз:

                      

                                           р=(1+ρ)ω,

 

 

 ρ- шағылу коэффициенті,

 ω_орт- толқын энергиясының орташа тығыздығы.

 

 

Жарық – электромагниттік толқын, түскен беттен жартылай шағылып, жартылай жұтылады. Жарықтың шағылу және жұтылу дәрежесі түскен беттің түсіне тәуелді.

Дене бетінен жарықтың шағылу дәрежесін бағалау үшін оптикада шағылу коэффициенті қолданылады.

 

 

 Ф_ш- шағылған жарық ағыны,

Ф_т- түскен жарық ағыны.

 

Қара бетте жарық толық  жұтылады, айналық беттен толық шағылады.

 

Егер бет өзі жарық  көзі болмаса, шағылу коэффициенті 1-ден  жоғары болмайды.

Неғурлым бет көбірек  жарық шағылдырады, соғұрлым ол ақшылт болып көрінеді.

 

Әр түрлі  беттердің шағылу коэффициентері

 

 

Беттің түсі		Шағылу коэффициенті	Беттің түсі	Шағылу коэффициенті
Қара		0,04-0,05	Көгілдір	0,45-0,5
Қара-қоңыр	көк	0,10	Ақшылт сұр	0,51-0,72
Сұр		0,06-0,15	Сары	0,5-0,6
Жасыл, қоңыр		0,15-0,2	Ақ	0,83-0,89
Қызыл, қызғылт		0,2-0,25	Айналық (күміс)	1

Әр түрлі беттердің  шағылу коэффициентін дизайн мамандары  өз жұмыстарында қолданады.

 

№1 есеп 

 

 

Суретте П.Н.Лебедевтің жарық қысымын өлшеуге арналған құралдың айналатын бөлігі көрсетілген. Ілмектің айналу  бұрышын анықтау  үшін  айна қолданылады. Жарық түскен кезде айнадан шағылған сәуленің  b= 1200мм қашықтықта орналасқан шкала  бойынша  ауытқыуы a = 76 мм болса, түскен жарықтың қысымын анықтаңдар. Диаметрі d= 5 мм қара және айналық дөңгелектердің айналу осіне дейін қашықтығы l= 9.2мм.  Айналдырушы моменттің (М ═ kα) тұрақтысы k= 2,2·10^-11Нм/рад.

 

Берілгені:	Шешуі:
b= 1200мм=1,2м a = 76 мм=7,6·10-2м d= 5 мм=5·10-3 м l= 9.2мм=9,2·10-3м k= 2,2·10-11Нм/рад.	Жарық қысымын  келесі формула көмігімен анықталады:     мұндағы F- ауданы S дөңгелекке әсер ететін жарық қысымының күші.
р-?
мұндағы М – айналдырушы күш моменті, l-дөңгелектер центрнің айналу осіне дейін қашықтығы,  α-дөңгелектің  айналу бұрышы.

Біз білеміз, егер айна α  бұрышқа бұрылса, шағылған сәуле 2 α  бұрышқа ығысады.

 

 

Өте кіші бұрыштар үшін

 

(1)- (3) теңдеулерді бірге  шешеміз.

 

Алынған формуланы өлшем  бірлігіне тексереміз.

 

 

Қорытқы формулаға сандық мәндерін қоямыз:

 

№2 есеп

 

 

Монохроматтық ( λ=490нм) жарық шоғы дене бетіне перпендикуляр  түседі және р=4,9мкПа қысым жасайды. Беттің шағылу коэффициенті ρ=0,25.

Уақыт бірлігінде дене бетіне қанша фотон түседі?

 

Берілгені:	Шешуі:
λ=490нм =4,9·10-7м р=4,9мкПа =4,9·10-6Па ρ=0,25	Жарық қысымы келесі формула көмігімен анықталады:     мұндағы n- дене бетінің аудан бірлігіне уақыт бірлігінде түсетін фотондар саны. Осыдан
n-?
мұндағы ν – монохроматты жарық жиілігі.

(1)- (3) теңдеулерді бірге  шешеміз

 

Алынған формуланы өлшем бірлігіне тексереміз.

 

Қорытқы формулаға сандық мәндерін қоямыз:

 

 №3 есеп

 

 

Интенсивтігі 120Вт/м²жарық шоғының дене бетіне түсіретін қысымы 0,5мкПа болса,

беттің шағылу коэффициенті неге тең? 

 

Берілгені:	Шешуі:
I=120Вт/м2 р=0.5мкПа	Жарық қысымы келесі формула көмігімен анықталады:     мұндағы I- дене бетінің аудан бірлігіне уақыт бірлігінде түсетін барлық фотондардың энергиясы.
ρ-?

Алынған формуланы өлшем  бірлігіне тексереміз.

 

Қорытқы формулаға сандық мәндерін қоямыз: