Опыт Боте

Вопрос

Вопрос

Волновое описание

Корпускулярное описание

Физический смысл

Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev / c ². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E / c.

В электродинамике давление электромагнитного излучения описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.

Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление.

С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.

При выводе функций, фотонный газ рассматривается как идеальный.

Внутренняя энергия и энтропия фотонного газа

Вн.эн.:

Термодинамические характеристики фотонного газа. Определим теперь внутреннюю энергию фотонного газа, заполняющего при температуре полость объемом . С учетом формулы , находим

.

(1)

Поэтому для теплоемкости фотонного газа при постоянном объеме получаем выражение

.

(1.50)

Отметим, что в отличие от классического идеального газа, теплоемкость которого не зависит от температуры, теплоемкость фотонного газа пропорциональна кубу его абсолютной температуры.

Применяя к фотонному газу известное термодинамическое соотношение , с учетом . и (1) получаем

.

Отсюда, считая что при , находим энтропию фотонного газа:

.

(2)

Полученные термодинамические соотношения позволяют рассмотреть различные процессы, в которых может участвовать фотонный газ. В частности, из . следует, что для фотонного газа изотермический процесс () является одновременно и изобарическим процессом ().

Если при сжатии или расширении фотонного газа его энтропия не изменяется (), то в таком процессе газ не обменивается теплотой с окружающими телами (), и такой процесс является адиабатическим. Из (2) следует, что уравнение адиабатического процесса для фотонного газа имеет вид

.

С учетом . это соотношение преобразуется к виду

.

Реликтовое излучение

Рели́ктовое излуче́ние (или космическое микроволновое фоновое излучение от англ. cosmic microwave background radiation)— космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К. (По закону смещения Вина, λ=0,96 мм)

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва.

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение^[4]. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4 ± 3 К».

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке остроумно заметил: «Мы сорвали куш, парни». После совместного обсуждения, группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

Эксперимент по обнаружению фотонов рентгеновского излучения был проведен В.Боте в 1925 г. В этом опыте тонкая металлическая фольга Ф (рис. 1.10а) облучалась рентгеновским излучением. При этом фольга становилась сама источником слабого вторичного излучения.

Согласно волновым представлениям энергия даже столь слабого излучения должна распределяться в пространстве равномерно влево и вправо. В этом случае левый и правый счетчики должны были срабатывать практически одновременно, а самописцы Л и П, связанные со счетчиками С_л и С_п, оставлять метки на движущейся ленте друг напротив друга.

С точки зрения корпускулярной фотонной теории излучения, при малой энергии вторичного излучения, сравнимой с энергией одного фотона, фотоны должны излучаться фольгой либо только вправо, либо только влево. Поэтому метки на ленте от самописцев Л и П не должны совпадать.

Опыт (рис. 1.10б) подтвердил вывод фотонной теории излучения, и, тем самым, явился первым экспериментальным доказательством существования фотонов