ДАВЛЕ́НИЕ СВЕ́ТА

ДАВЛЕ́НИЕ СВЕ́ТА, дав­ле­ние, ока­зы­вае­мое све­том на от­ра­жаю­щие и по­гло­щаю­щие те­ла, час­ти­цы, а так­же отд. мо­ле­ку­лы и ато­мы; од­но из пон­де­ро­мо­тор­ных дей­ст­вий све­та, свя­зан­ное с пе­ре­да­чей им­пуль­са элек­тро­маг­нит­но­го по­ля ве­щест­ву. Ги­по­те­за о су­ще­ст­во­ва­нии Д. с. бы­ла впер­вые вы­ска­за­на И. Ке­п­ле­ром

 в 17 в. для объ­яс­не­ния от­кло­не­ния хвос­тов ко­мет от Солн­ца. Тео­рия Д. с. в рам­ках клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки да­на Дж. К. Мак­свел­лом

 >>

 в 1873. В ней Д. c. объ­яс­ня­ет­ся рас­сея­ни­ем и по­гло­ще­ни­ем элек­тро­маг­нит­ной вол­ны час­ти­ца­ми ве­ще­ст­ва. В рам­ках кван­то­вой тео­рии Д. с. – ре­зуль­тат пе­ре­да­чи им­пуль­са фо­то­на­ми те­лу.

При нор­маль­ном па­де­нии све­та на по­верх­ность твёр­до­го те­ла Д. с. $p$ оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой: $p=S(1+R)/c$, где $S$ – плот­ность по­то­ка энер­гии (ин­тен­сив­ность све­та), $R$ – ко­эф. от­ра­же­ния све­та от по­верх­но­сти, $c$ – ско­рость све­та. В обыч­ных ус­ло­ви­ях Д. с. ма­ло­за­мет­но. Да­же в мощ­ном ла­зер­ном лу­че (1 Вт/см²) Д. с. по­ряд­ка 10^–4 г/см². Ши­ро­кий по се­че­нию ла­зер­ный луч мож­но сфо­ку­си­ро­вать, и то­гда си­ла Д. с. в фо­ку­се лу­ча мо­жет удер­жи­вать на ве­су мил­ли­грам­мо­вую час­тич­ку.

Экс­пе­ри­мен­таль­но Д. с. на твёр­дые те­ла бы­ло впер­вые ис­сле­до­ва­но П. H. Ле­бе­де­вым

 в 1899. Осн. труд­но­сти в экс­пе­рим. об­на­ру­же­нии Д. с. за­клю­ча­лись в вы­де­ле­нии его на фо­не ра­дио­мет­рич. и кон­век­тив­ных сил, ве­ли­чи­на ко­то­рых за­ви­сит от дав­ле­ния ок­ру­жаю­ще­го те­ло га­за и при не­дос­та­точ­ном ва­куу­ме мо­жет пре­вы­шать Д. с. на неск. по­ряд­ков. В опы­тах Ле­бе­де­ва в ва­куу­ми­ро­ван­ном (дав­ле­ние по­ряд­ка 10^–4 мм рт. ст.) стек­лян­ном со­су­де на тон­кой се­реб­ря­ной ни­ти под­ве­ши­ва­лись ко­ро­мыс­ла кру­тиль­ных ве­сов

 >>

 с за­кре­п­лён­ны­ми на них тон­ки­ми дис­ка­ми-кры­лыш­ка­ми, ко­то­рые об­лу­ча­лись. Кры­лыш­ки из­го­тав­ли­ва­лись из разл. ме­тал­лов и слю­ды с иден­тич­ны­ми про­ти­во­по­лож­ны­ми по­верх­но­стя­ми. По­сле­до­ва­тель­но об­лу­чая пе­ред­нюю и зад­нюю по­верх­но­сти кры­лы­шек разл. тол­щи­ны, Ле­бе­дев су­мел ни­ве­ли­ро­вать ос­та­точ­ное дей­ст­вие ра­дио­мет­рич. сил и по­лу­чить удов­ле­тво­ри­тель­ное (с ошиб­кой ± 20%) со­гла­сие с тео­ри­ей Мак­свел­ла. В 1907–10 Ле­бе­дев ис­сле­до­вал Д. с. на га­зы.

Д. с. иг­ра­ет боль­шую роль в ас­тро­но­мич. и атом­ных яв­ле­ни­ях. Д. с. в звёз­дах на­ря­ду с дав­ле­ни­ем га­за обес­пе­чи­ва­ет их ста­биль­ность, про­ти­во­дей­ст­вуя си­лам гра­ви­та­ции. Дей­ст­ви­ем Д. с. объ­яс­ня­ют­ся не­ко­то­рые фор­мы ко­мет­ных хво­стов. При ис­пус­ка­нии фо­то­на ато­мами про­ис­хо­дит т. н. све­то­вая от­да­ча

 и ато­мы по­лу­ча­ют им­пульс фо­то­на. В кон­ден­си­ров. сре­дах Д. с. мо­жет вы­зы­вать ток но­си­те­лей за­ря­да (см. Ув­ле­че­ние элек­тро­нов фо­то­на­ми

 >>

). Дав­ле­ние сол­неч­но­го из­лу­че­ния пы­та­ют­ся ис­поль­зо­вать для соз­да­ния раз­но­вид­но­сти кос­мич. дви­жи­те­ля – т. н. сол­неч­но­го па­ру­са

 >>

.

Спе­ци­фич. осо­бен­но­сти Д. с. об­на­ру­жи­ва­ют­ся в раз­ре­жен­ных атом­ных сис­те­мах при ре­зо­нанс­ном рас­сея­нии ин­тен­сив­но­го све­та, ко­гда час­то­та ла­зер­но­го из­лу­че­ния рав­на час­то­те атом­но­го пе­ре­хо­да. По­гло­тив фо­тон, атом по­лу­ча­ет им­пульс в на­прав­ле­нии ла­зер­но­го пуч­ка и пе­ре­хо­дит в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние. Да­лее, спон­тан­но ис­пус­кая фо­тон, атом при­об­ре­та­ет им­пульс (све­то­вая от­да­ча) в про­из­воль­ном на­прав­ле­нии. При по­сле­дую­щих по­гло­ще­ни­ях и спон­тан­ных ис­пус­ка­ни­ях фо­то­нов атом по­лу­ча­ет по­сто­ян­но им­пуль­сы, на­прав­лен­ные вдоль све­то­во­го лу­ча, что и соз­да­ёт дав­ле­ние све­та.

Си­ла $F$ ре­зо­нанс­но­го Д. с. на атом оп­ре­де­ля­ет­ся как им­пульс, пе­ре­дан­ный по­то­ком фо­то­нов с плот­но­стью $N$ в еди­ни­цу вре­ме­ни: $F=N \hbar k \sigma$, где $\hbar k=2 \pi \hbar/\lambda$ – им­пульс од­но­го фо­то­на, $\sigma \approx \lambda^2$ – се­че­ние по­гло­ще­ния ре­зо­нанс­но­го фо­то­на, $\lambda$  – дли­на вол­ны све­та, $k$  – вол­но­вое чис­ло, $\hbar$  – по­сто­ян­ная План­ка. При от­но­си­тель­но ма­лых плот­но­стях из­лу­че­ния ре­зо­нанс­ное Д. с. пря­мо про­пор­цио­наль­но ин­тен­сив­но­сти све­та. При боль­ших плот­но­стях по­то­ка фо­то­нов $N$ про­ис­хо­дит на­сы­ще­ние по­гло­ще­ния и на­сы­ще­ние ре­зо­нанс­но­го Д. с. (см. На­сы­ще­ния эф­фект

). В этом слу­чае Д. с. соз­да­ют фо­то­ны, спон­тан­но ис­пус­кае­мые ато­ма­ми со ср. час­то­той $\gamma$ (об­рат­ной вре­ме­ни жиз­ни воз­бу­ж­дён­но­го ато­ма) в слу­чай­ном на­прав­ле­нии. Си­ла све­то­во­го дав­ле­ния пе­ре­ста­ёт за­ви­сеть от ин­тен­сив­но­сти, а оп­ре­де­ля­ет­ся ско­ро­стью спон­тан­ных ак­тов ис­пус­ка­ния: $F \approx \hbar k \gamma$. Для ти­пич­ных зна­че­ний $\gamma \approx 10^8 c^{-1}$ и $\lambda \approx 0,6$ мкм си­ла Д. с. $F \approx 5 \cdot 10^{-3}$ эВ/см; при на­сы­ще­нии резо­нанс­ное Д. с. мо­жет соз­да­вать ус­ко­ре­ние ато­мов до 10⁵ $g$ ($g$ – ус­ко­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния). Столь боль­шие си­лы по­зво­ля­ют се­лек­тив­но управ­лять атом­ны­ми пуч­ка­ми, варь­и­руя час­то­ту све­та и по-раз­но­му воз­дей­ст­вуя на ато­мы с ма­ло­раз­ли­чаю­щи­ми­ся час­то­та­ми ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния. В ча­ст­но­сти, уда­ёт­ся сжи­мать мак­свел­лов­ское рас­пре­де­ле­ние по ско­ро­стям, уби­рая из пуч­ка вы­со­ко­ско­ро­ст­ные ато­мы. Свет ла­зе­ра на­прав­ля­ют на­встре­чу атом­но­му пуч­ку, под­би­рая при этом час­то­ту и фор­му спек­тра из­лу­че­ния так, что­бы Д. с. тор­мо­зи­ло бы­ст­рые ато­мы с боль­шим сме­ще­ни­ем ре­зо­нанс­ной час­то­ты (см. До­п­ле­ра эф­фект

 >>

). Ре­зо­нанс­ное Д. с. мож­но ис­поль­зо­вать для раз­де­ле­ния га­зов: при об­лу­че­нии двух­ка­мер­но­го со­су­да, на­пол­нен­но­го сме­сью двух га­зов, ато­мы од­но­го из ко­то­рых на­хо­дят­ся в ре­зо­нан­се с из­лу­че­ни­ем, ре­зо­нанс­ные ато­мы под дей­ст­ви­ем Д. с. пе­рей­дут в даль­нюю ка­ме­ру.

Не­ко­то­рые осо­бен­но­сти име­ет ре­зо­нанс­ное Д. с. на ато­мы, по­ме­щён­ные в по­ле ин­тен­сив­ной стоя­чей вол­ны. С кван­то­вой точ­ки зре­ния стоя­чая вол­на, об­ра­зо­ван­ная встреч­ны­ми по­то­ка­ми фо­то­нов, вы­зы­ва­ет толч­ки ато­ма, обу­слов­лен­ные по­гло­ще­ни­ем фо­то­нов и их сти­му­ли­ро­ван­ным ис­пус­ка­ни­ем. Ср. си­ла, дей­ст­вую­щая на атом, при этом не рав­на ну­лю вслед­ст­вие не­од­но­род­но­сти по­ля на дли­не вол­ны. С клас­сич. точ­ки зре­ния си­ла Д. с. обу­слов­ле­на дей­ст­ви­ем про­стран­ст­вен­но не­од­но­род­но­го по­ля на на­ве­дён­ный им атом­ный ди­поль. Эта си­ла ми­ни­маль­на в уз­лах, где ди­поль­ный мо­мент не на­во­дит­ся, и в пуч­но­стях, где гра­ди­ент по­ля об­ра­ща­ет­ся в нуль. Макс. си­ла Д. с. по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны рав­на $F \approx \pm Ekd$ (зна­ки от­но­сят­ся к син­фаз­но­му и про­ти­во­фаз­но­му дви­же­нию ди­по­лей с мо­мен­том $d$ по от­но­ше­нию к по­лю с на­пря­жён­но­стью $E$). Эта си­ла мо­жет дос­ти­гать ги­гант­ских зна­чений: для $d \approx 1$ де­бай, $\lambda \approx 0,6$ мкм и $E \approx 10^6$ В/см си­ла $F \approx 5 \cdot 10^2$ эВ/см. По­ле стоя­чей вол­ны рас­слаи­ва­ет пу­чок ато­мов, про­хо­дя­щий сквозь луч све­та, т. к. ди­по­ли, ко­леб­лю­щие­ся в про­ти­во­фа­зе, дви­га­ют­ся по разл. тра­ек­то­ри­ям, по­доб­но ато­мам в Штер­на – Гер­ла­ха опы­те

. На ато­мы, дви­гаю­щие­ся вдоль ла­зер­но­го лу­ча, дей­ст­ву­ет ра­ди­аль­ная си­ла Д. с., обу­слов­лен­ная ра­ди­аль­ной не­од­но­род­но­стью плот­но­сти све­то­во­го по­ля. Как в стоя­чей, так и в бе­гу­щей вол­не про­исхо­дит не толь­ко де­тер­ми­ни­ро­ван­ное дви­же­ние ато­мов, но и их диф­фу­зия в фа­зо­вом про­стран­ст­ве, т. к. по­гло­ще­ние и ис­пус­ка­ние фо­то­нов – кван­то­вые слу­чай­ные про­цес­сы. Ре­зо­нанс­ное Д. с. мо­гут ис­пы­ты­вать и ква­зи­ча­сти­цы в твёр­дых те­лах: элек­тро­ны, эк­си­то­ны и др.