2020-06-29
720
Глубокий смысл квантовой теории света заключается не в том, что мы представляем себе свет как газ, состоящий из частиц с энергией 
, импульсом 
(такое представление полезно ввиду наглядности), а в том, что обмен энергией и импульсом между частицами (микросистемами) и светом происходит путем порождения одних и уничтожения других квантов света. Эта мысль получает точное выражение в применении закона сохранения энергии и импульса к какой-либо системе, взаимодействующей со светом.
Обозначим через Е и 
энергию и импульс системы до взаимодействия с квантом света, а через 
и 
ее энергию и. импульс после взаимодействия. Это можно трактовать так, что в результате взаимодействия энергия и импульс электромагнитной волны частоты 
и направления 
уменьшились соответственно на 
и 
(квант исчез), а энергия и импульс другого электромагнитного колебания частоты 
и направления 
увеличились на 
и 
(появился квант света).
Законы сохранения энергии и импульса записываются так:
(10.3)
Эти уравнения охватывают все три основных процесса: поглощение, испускание и рассеяние света. Если 
(тогда 
), то эти уравнения определяют поглощение кванта света . Если 
(
), эти уравнения определяют излучение кванта 
. Если и отличны от нуля, то эти уравнения относятся к рассеянию света, когда квант , превращается в квант иной энергии и иного импульса 
. Процессы излучения и поглощения света атомами, взаимодействия света с веществом, рассеяния света на электронах (эффект Комптона), изменения частоты света при движении источника излучения (эффект Доплера) – все это частные случаи сформулированных законов сохранения энергии и импульса. Изучение этих процессов составляет содержание последующих разделов настоящей главы.
Давление света
Рассмотрим процесс взаимодействия света с некоторым телом. Обозначим 
- элементарную площадку этого тела и будем считать, что на нее в единицу времени падает 
фотонов, движущихся в направлении единичного вектора 
. Тогда импульс фотонов за время 
Обозначим 
- количества отраженных, прошедших и поглощенных фотонов соответственно, а единичные векторы 
и 
- направления движения отраженных и прошедших фотонов. Тогда, поскольку 
, изменение импульса фотонов за указанное время будет равно:
, где
; 
; 
.
Из закона сохранения импульса системы «свет-тело» следует, что в результате взаимодействия света с телом последнее приобретает импульс 
и поскольку по второму закону Ньютона сила, действующая на тело 
, получим, что она равна векторной сумме трех составляющих:
,
где
, 
, 
.
Здесь 
- мощность излучения, падающего на площадку.
Силы светового давления весьма малы и до недавнего времени считалось, что малость светового давления по мнению Пойнтинга «исключает его из рассмотрения в земных делах». Однако с появлением лазеров ситуация коренным образом изменилась. Лазеры позволяют сконцентрировать оптическое излучение с поверхностной плотностью мощности 1012 Вт/м2 и выше. При таких плотностях силы давления, действующие на микрочастицы, многократно превышают их вес и открывают поистине уникальные возможности. В 1997 году американскому физику Стивену Чу была присуждена Нобелевская премия за лазерное охлаждение вещества. Идея этого открытия чрезвычайно проста. Если навстречу направленному движению молекул газа направить лазерный пучок с высокой плотностью излучения, то силы давления света могут затормозить движение молекул практически до полной остановки. Оптическое охлаждение позволяет достичь сверхнизких температур порядка 10-5 К.
Другой Нобелевский лауреат Артур Ашкин был награжден за создание лазерного или оптического пинцета – открытия, благодаря которому химия, микробиология и медицина получили новые сверхточные инструменты для микро- и нано- технологий (см. Приложение 5).
