Опыты Лебедева по световому давлению

В опытах Петра Николаевича Лебедева (1866–1912) исследовалось давление, оказываемое светом на тела. Гипотеза о существовании этого давления высказывалась еще Иоганном Кеплером, чтобы объяснить неизменное направление хвоста комет от Солнца. Максвелл же оценил величину давления света исходя из своей теории электромагнитных волн. После того, как Генрих Герц доказал электромагнитную природу света, оставалось только обнаружить предсказанное Максвеллом давление.

Скажем теперь о самом эксперименте, проведенном Лебедевым в 1899 году. Основным чувствительным элементом его установки являлась система металлических крылышек диаметром 5мм, подвешенных на легкой стеклянной нити и способная поворачиваться относительно вертикальной оси (см. рис. 1). Крылышки подбирались так, чтобы напротив друг друга стояли хорошо и плохо отражающие свет пары.

Подвес с крылышками O размещался в колбе G с откачанным воздухом, на которую направлялся свет, создаваемый специальной системой линз и зеркал (см. рис. 2). Свет от дуговой лампы B направлялся через фокусирующую систему линз C, затем пропускался через небольшое отверстие D и коллиматор (собирающую линзу) K. Таким образом неточечная, вообще говоря, дуга преобразовывалась в точечный источник света D. От света отфильтровывалось инфракрасное излучение с помощью водяного фильтра W, после чего параллельный пучок системой зеркал S₁, S₂, S₃ направлялся на линзу L₁. Эта линза фокусировала свет на одном из крылышек (R). Отраженный от полупрозрачной пластины P₁ свет также фокусировался на термоэлемент T, который измерял интенсивность светового потока. Система дополнительных зеркал S₄, S₅, S₆ позволяла направлять свет на другую сторону крылышка.

Несмотря на относительную простоту идеи светового давления, наблюдать ее в прямом эксперименте Лебедев не мог. Причина заключается в том, что при давлениях, доступных ему, часть воздуха все же оставалась внутри сосуда G. Из-за этого возникали сопутствующие явления, которые также приводили к повороту подвеса с крылышками. Более того, соответствующие силы намного превышали ожидаемую силу светового давления.

Одно из побочных явлений — радиометрический эффект — заключается в том, что на неравномерно разогретую пластину действует сила со стороны разреженного газа. Действительно, если две поверхности крылышка (одна — освещаемая, другая — нет) имеют различные температуры , то такие же неравные температуры будет иметь и соприкасающийся с ними воздух. В результате молекулы воздуха, имеющие различную кинетическую энергию, своими соударениями с поверхностями крылышка будут придавать им разныедавления. Это, в свою очередь, приведет к отклонению подвеса от положения равновесия. Чтобы избежать радиометрического эффекта, Лебедев сделал крылышки очень тонкими, чтобы они успевали очень быстро прогреваться, так что температуры их поверхностей сравнивались.

В результате точнейших измерений Лебедев с точностью 20% подтвердил предсказание Максвелла для непрозрачных пластин:

где — отражающая способность. Давление света на идеально отражающую поверхность в два раза больше давления на черную поверхность. Меняя материал крылышек, Лебедев также показал, что сила давления зависит от него только через отражающую способность . Иными словами, давление для двух различных тел с одинаковым будет одинаковым.

Чтобы представлять себе величины эффектов, скажем, что свет Солнца в зените приносит на 1 квадратный метр поверхности земли

энергии. Это так называемая солнечная постоянная. Соответственно сила давления, оказываемого на черный резиновый коврик площадью 1м², равна

Это давление на 11 порядков величины меньше атмосферного; тем не менее, именно оно удерживает Солнце от гравитационного коллапса, а также направляет хвосты комет от Солнца. По этой причине иногда кометы летят хвостом вперед.

Получив удовлетворительные результаты при изучении давления света на твердые тела, Лебедев в 1907–1910 годах поставил более точные опыты по измерению давления света на газы. В этих опытах также было получено приемлемое согласие с теорией Максвелла.

Е. Резерфорда

Поиск по сайту: