Световое давление

Световое давление. Если стать на точку зрения Ньютоновой теории истечения, т. е. рассматривать свет как поток частиц, то существование светового давления вполне понятно: летящие со скоростью 300 000 км в секунду частицы, попадая на какое-нибудь препятствие, должны сообщать ему толчки, которые, слагаясь, вызывают давление. Вот почему сторонники теории истечения старались показать это давление на опыте (опыты Фонтенеля, Де-Мейрана и Дю-Фея в ХVІII в.); однако это не удалось вследствие несовершенства тогдашней экспериментальной техники. В 60-х гг. XIX в. Максвелл высказал основание своей электромагнитной теории света, из которой также вытекает световое давление, причем Максвелл вывел величину этого давления:

р = Е/С (1 + R). . . . (1), где Е количество световой энергии, падающей на см² в течение 1 секунды, С — скорость света, R — коэффициент отражения поверхности. Для идеального зеркала

R = 1 и р = 2Е/С… (2), а для черной поглощающей поверхности

R=0, р = Е/С… (3), т. е. давление вдвое меньше: на зеркало давят и падающий, и отраженный луч, а на черную поверхность только падающий, так как отраженного нет. По теории испускания, если мы выразим давление через падающую энергию, получаются величины вдвое больше. К необходимости светового давления независимым путем пришел и физик Бартоли на основании термодинамических рассуждений (см. излучение, XXI, 479/80). Если подсчитать величину давления по (1) для полного солнечного света в ясную погоду, то оказывается, она измеряется 0,4 миллиграмма на 1 кв. метр!

Фиг. 1.

Это давление впервые было измерено П. Н. Лебедевым (см.). Лебедев пускал свет от вольтовой дуги на небольшие диски-крылья крутильного прибора (фиг. 1), подвешенного на тонкой нити внутри стеклянного баллона, откуда был выкачен воздух. Трудность заключалась не столько в малой величине самой измеряемой силы, сколько в устранении побочных явлений, дававших отклонение крутильного прибора значительно больше ожидаемого непосредственного действия света; во-первых, если крылышко подвешено не вполне вертикально, что неизбежно, то вследствие его прогревания под действием света образуется восходящий ток теплого воздуха, который повернет крутильный прибор в ту или другую сторону, смотря по наклону крыла, т. о. наблюдается то же явление, как в оконном вентиляторе или в вертушке на керосиновой лампе. Для устранения этого препятствия из баллона, в котором подвешен прибор, выкачивался воздух; при разрежении токи воздуха (конвекционные), вызванные неравенством температуры, сильно ослабевают; кроме того, освещение производилось попеременно то с одной стороны крыла, то с другой; таким образом, направление светового давления менялось, а действие конвекции, обусловленное наклоном крылышка, сохраняло направление; оно прибавлялось в одном случае и вычиталось при перемене направления луча. Взяв полусумму отклонений, можно освободиться от влияния конвекции. Но, увеличивая разрежение, мы тем самым увеличиваем так  называемый радиометрический эффект, открытый в 70-х годах XIX в. Круксом. Радиометрический эффект объясняется тем, что освещенная сторона крыла теплее теневой, и когда молекулы разреженного газа падают на теплую сторону, они отскакивают с большей скоростью, чем попавшие на холодную теневую: молекулы твердого тела колеблются тем сильнее, чем выше температура, и будут сильнее ударять по газовой молекуле, попавшей на освещенную сторону; при каждом отражении молекулы будет иметь место «отдача», подобная отдаче ружья или орудия, и так как отдача при каждом отражении на теплой стороне больше, чем на холодной, то в результате будет некоторая равнодействующая, направленная по лучу, которая закрутит крутильный прибор. Эта сила в сотни раз больше искомого давления света! Чтобы исключить ее, надо, прежде всего, уменьшить разницу температуры между освещенной и теневой стороной крылышка, для чего надо брать по возможности более тонкие диски, которые бы скорее прогревались насквозь. А, кроме того, исследования показали, что величина радиометрических сил зависит от давления газа; увеличиваясь при разрежении, она достигает максимума при некотором давлении, определяемом размерами крылышка и природой окружающего разреженного газа, и спадает при дальнейшем разрежении. Эти предварительные исследования показали Лебедеву, что надо для полного исключения радиометрической силы откачать баллон значительно сильнее, чем это были в состоянии сделать насосы того времени (1900—1901).

Фиг. 2.

Это, казалось, непреодолимое затруднение было обойдено Лебедевым следующим приемом: на дно баллона (фиг. 2) с крутильным прибором помещалась капелька ртути (а), которая при откачивании прогревалась, пары ртути вытесняли остатки воздуха, потом нагревание сменялось сильным охлаждением ртутного затвора В, отделявшего насос от баллона, пары ртути осаждались, и таким образом получалось желаемое разрежение, при котором можно было уже измерять световое давление. Измерения вполне оправдали теорию Максвелла; по теории истечения давление при той же падающей энергии должно было выйти вдвое больше. После Лебедева к тем же результатам пришли Никольс и Гуль в Америке а также Пойнтинг, показавший, кроме того, при помощи весьма изящного опыта, что тело, испускающее лучистую энергию, испытывает отдачу, т. е. давление, направленно в сторону, обратную испусканию. Лорд Релей показал, что давление есть общее свойство всякого волнообразного движения; на опыте теория Релея была проверена в лаборатории Лебедева в Москве Капцовым и Альбертом для волн, распространяющихся по поверхности воды, и для волн звуковых. Наконец, Лебедеву же удалось разрешить еще более сложную задачу исследовать давление света на газ; по количественному подсчету эта сила в 100 раз меньше, чем давление на твердое тело; она связана с поглощением света газом, и, чтобы выяснить теоретическую сторону вопроса, Лебедев предварительно исследовал действия волн на «схематические молекулы» - резонаторы (см. Лебедев). В приборе, окончательно выработанном для измерения давления, свет из С или С' освещал газ в части В сосуда; световое давление (фиг. 3) вызывало движение в газе, и газ давил на поршень А, который был привешен к чрезвычайно чувствительному крутильному прибору. Вообще очень трудно осветить равномерно часть сосуда В, а вследствие неравномерности освещения возникают сильные течения — гораздо более сильные, чем появляющиеся в результате давления света. Чтобы устранить это явление, Лебедев подбавлял ко всем испытуемым газам немного водорода, который, благодаря большой теплопроводности, быстро выравнивал неравенство температуры, обусловленное неизбежной неравномерностью освещения.

Фиг. 3.

Самый факт измерения светового давления и установления связи его с количеством падающей лучистой энергии очень важен, так как дает прочное основание всему учению об излучении (см.). А давление света на газы объясняет отталкивающее действие солнца на хвосты комет. Сила всемирного тяготения пропорциональна массе — объему тела, а сила светового давления пропорциональна поверхности; для шара (объем 4/3 πr³, поверхность 4πr²) при уменьшении радиуса r в три раза, объем уменьшится в 27 раз, а поверхность только в 9. Таким образом, сила тяжести будет убывать значительно быстрее, а для очень малых тел давление света, т. е. отталкивание Солнца может стать больше притяжения. Теория давления света на мелкие твердые частицы и газы была разработана Шварцшильдом, Пойнтингом и Де-Баем. Необходимость существования отталкивающей силы для объяснения кометных хвостов высказывалась Кеплером; величины отталкивающей силы по форме кометного хвоста были вычислены по астрономическим данным Бесселем и Бредихиным. См. П. Н. Лебедев, «Давление света» («Новые идеи в физике», Сб. № 4).

А. Тимирязев.