Импульс переноса и радиационное давление

Физика > Импульс переноса и радиационное давление

 

Рассмотрите явление радиационного давления и особенности переноса импульса. Читайте про действие и влияние электромагнитных волн, роль эффект Доплера.

Радиационное давление – давление, влияющее на любую поверхность с электромагнитным излучением.

Задача обучения

• Разобраться в формировании радиационного давления.

Основные пункты

• Фотоны транспортируют импульс (p = E/c). При поглощении или отражении на поверхности, она получает импульсные удары. Транспортировка импульса вызывает радиационное давление.
• Электромагнитные лучи используют радиационное давление, приравниваемое к интенсивности, деленной на световую скорость.
• В лазерном охлаждении радиационное давление используется, чтобы убрать энергию из атомных газов.

Термины

• Эффект Доплера – изменение частоты волны, когда наблюдатель и источник перемещаются по отношению друг к другу.
• Классическая электродинамика – филиал в теоретической физике, исследующий последствия электромагнитных сил между зарядами и токами.

Радиационным именуют давление, влияющее на любую поверхность с электромагнитными лучами. Они переносят импульсы, которые переходят к объекту при поглощении или отражении. Наиболее ярким примером выступают кометные хвосты.

Когда комета подходит к внутренней Солнечной системе, радиация вынуждает летучие вещества в объекте испаряться и вытекать из ядра. В итоге, высвобожденные пыль и газ формируют атмосферу (кома), а удары солнечного ветра и радиационное давление создают хвост

Радиационное давление можно изучать с позиции классической электродинамики, но здесь мы остановимся на квантовомеханическом аргументе. Свет представлен фотонами – частички с нулевой массой, но с энергией. Специальная теория относительности предлагает и формулу решения: E = pc.

Давайте взглянем на опускающийся к поверхности перпендикулярный световой луч. Допустим, что он полностью поглотился. Транспортируемый фотонами импульс выступает неразрушимой величиной, поэтому вместе с фотонами поверхность накапливает импульсы. По второму закону Ньютона ясно, что сила равна скорости перемены импульса. То есть, каждую секунду поверхность испытывает силу из-за переданного импульса.

Отсюда получаем, что давление = импульс, передаваемый в секунду на единицу площади = энергия, осаждаемая в секунду на единицу площади (с = I/c, где I – интенсивность светового луча).

Лазерное охлаждение

Есть много разновидностей лазерного охлаждения, но все они основываются на радиационном давлении. Оно необходимо, чтобы убрать энергию из атомных газов. В процессе частота света устанавливается слегка ниже электронного перехода в атоме. Свет настроен на красный (наиболее низкая частота), поэтому атомы впитывают больше фотонов, если перемещаются к световому источнику в следствии закона Доплера. В итоге, если использовать два противоположных направления, то атомы рассеивают больше фотонов от лазерного луча, установленного против их направленности.

Это экспериментальная установка, использующая радиационное давление, чтобы охладить атомы. Они замедляются из-за поглощения фотонов

При каждом рассеивании атом лишается импульса, приравниваемого к импульсу фотона. Если начальная потеря импульса была противоположной направленности движения, то общий результат приведет к сокращению скорости атома. Если поглощение повторяется многократно, то уменьшится и средняя скорость атома. Простые установки лазерного охлаждения способны создавать холодные образцы атомных газов на дистанции в 1Мк (10^-3 К).

---