Тиск світла. Ефект Комптона

Імпульс фотону виявляє себе особливо чітко в двох явищах: тиск світла і явищє Комптона.

Існування тиску світла і його велечина були обґрунтовані Максвелом у 1873р. він теоретично показав, що електромагнітні хвилі повинні створювати тиск на тіла, які попадають на шляху поширення хвиль. Світловий тиск згідно з розрахунками Мавсвелла, прямо пропорційні об’ємній густині енергії електромагнітного поля хвилі:

де k коефіцієнт вибивання, тобто відношення інтенсивності хвилі що відбивається тілом до інтенсивності хвилі, яка падає, а - кут падіння променів.

У 1900 році П.М Лебедев (1866-1912) експериментальним шляхом виміряв тиск, який створюють світлові електромагнітні хвилі на тверді тіла, а в 1909 виміряв тиск світла на гази. Результати Лебедева підтвердили електромагнітну теорію Максвела.

Розглянемо, як з квантової точки зору можна отримати формулу Максвелла для світлового тиску, що створює потік монохроматичного світла, яке падає перпендикулярно до поверхні. Нехай на одиницю поверхні тіла падає п фотонів. Коефіцієнт відбивання світла дорівнює k, то nk фотонів відбивається, а (1-k)n поглинається. Якщо імпульс фотона то при відбиванні фотон передає поверхні імпульс, який дорівнює . Кожен фотон, який поглинається, передає імпульс . Тиск світла на поверхню дорівнює силі імпульсу який передає поверхні на всі фотони.

Квантові властивості світла виявляються в ефекті, який в 1923 р. відкрив Комптон (1892-1962). Він спостерігав розсіювання монохроматичних рентгенівських променів "легкими" речовинами (графітом, парафіном тощо). Особливістю цих речовин є відносно слабкий зв'язок зовнішніх електронів в атомах з ядрами.

Вузький пучок рентгенівського випромінювання падав на речовину, а розсіяне під кутом Ө; випромінювання потрапляло на кристал, який відхиляв рентгенівські промені з різною довжиною на різні куги. На фотоплівці рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі дає чітку лінію. Якщо механізм дії рентгенівського випромінювання розглядати як хвильовий процес, то атомні електрони яка відхиляються під дією аеромагнітного поля, почнуть. Коливатися з частотою рентгенівського випромінювання що падає. У цьому випадку нова лінія на фотопластинці не виявиться з'являється і нова лінія що відповідає довжині хвилі фотопластинці поряд з лінією, яка виповідала довжині хвилі .

Довжини хвиль розрізнялись на величину

,

де - комптонівська довжина хвилі; m₀ – маса електрона. Комптон висловлював сміливу ідею, що рентгенівські промені являють собою потік фотонів, які мають певний імпульс, як і довільні тверді частинки, і що акт розсіювання – це пружне зіткнення між фотоном і електроном.

Зміщення довжини хвилі рентгенівського випромінювання, яке зумовлене пружним розсіюванням фотонів електронами називається ефектом Компотна.

Особливе значення ефекту Компотна полягає в тому, що в ньому безпосередньо проявляться імпульс фотона і тим самим однозначно доводиться його існування.