Měření tlakového účinku světla Fyzikální seminář 1.4. - 24.4.2008 Měření tlakového účinku světla Jiří Weiss, Robin Schilhart, Jakub Roman

V následujích 40minutách… Naše cíle a motivace Historie experimentu Stavba aparatury Experiment Využití v praxi Porovnání výsledků Poděkování

Hlavní a dílčí cíle Experimentálně zjistit tlak jednoho fotonu Změřit tlak laserového svazku Sestavit dostatečně citlivou a dostupnou aparaturu Změřit torzi našeho vlákna Cavendishovým experimentem

Historie experimentu Tlak světla byl předpovídán: Keplerem, „De Cometis“ Newtonem, Bartolim na obecném základě termodynamiky 1871 – tlak EM záření předpovězen J.C. Maxwellem jako důsledek jeho rovnic V roce 1900 P.N. Lebedev poprvé experimentálně změřil sílu EM záření

Teorie Hustota energie elmag. pole Elektrický a magnetický tlak jsou rovny hustotám energie příslušných polí k je vektor ve směru šíření vlny tzv. vlnový vektor E, B, k tvoří pravotočivou soustavu

Teorie Nyní spočítáme hustotu toku energie tzv. Poyntingův vektor S pomocí modifikovaného ZZE po úpravách dostaneme a když hustota hybnosti přenášená elmag. vlnou je

Teorie …dostáváme, že pohlcená elmag. vlna předala ploše za dobu ∆t hybnost obsaženou v objemu c. ∆t A působila tedy na plochu mechanickým tlakem To vše ale pokud je plochou černé těleso, pokud použijeme odrazivou plochu, bude tlak dvojnásobný (pro úplnost-hybnost jednoho kvanta laseru p = 1,11. 10-27 kg.m. s-1)

Historie experimentu Lebeděvův experiment : zdroj nekoherentního světla (B) fokusace soustavou čoček a zrcadel (C-W) tyčka (R) různě pokovena, černé části posuvnými zrcátky S1 měnil směr světla, čímž dosahoval torze tyčky R

Historie experimentu Problémy experimentu : Umístění do vakuové komory Zahřívání vzduchu => vzdušné proudění Nerovnoměrné zahřívání tyčky po stranách => předání momentu vzduchu => odskok Umístění do vakuové komory Zeslabení kovových destiček

Historie experimentu Výsledky experimentu (1902): 20% odlišnost od Maxwellovy předpovědi => světlo není jen vlna, ale nese i hybnost! 1903 - Nichols a Hull v USA podobný výsledek Potvrzení Keplerovy hypotézy Světelný tlak v plynech (1910) Hlavní role světelného tlaku v omezení velikosti hvězd Drastické zvýšení světelného tlaku, pokud je záření v rezonanci s molekulami plynu

Stavba citlivé aparatury Součásti aparatury: Tenké vlákno sovětské výroby (délka 70cm, průměr 132µm) Lehká ramena ze stavebnice Meteor (7,5cm každé) Speciální 2 zlatá napařovaná zrcátka (průměr cca 5mm, váha 880mg), připevnění voskem Jedno stříbrné zrcátko He-Ne laser, 594nm, 5mW

Experiment Měření torze vlákna Cavendishovým experimentem: φ0 = 0,084086 rad ≈ 4°49ʼ Fg= 1,006. 10-8 N Po dosazení dostáváme D ≈ 4,2. 10-9 N.m2.rad-1

Aparatura v akci

Graf Rozdíl pozic rovnovážných poloh 29 cm

Experiment Měření tlaku světla φ0 = 0,043909575 rad ≈ 2°30ʼ D ≈ 4,2. 10-9 N.m2.rad-1 Po dosazení dostáváme F= 3,5. 10-9 N Tlak P je síla F na plochu [m2], dostáváme P= 280. 10-6 Pa = 280µPa

Porovnání Lebedev My zdroj – žárovka zdroj – laser aparatura vlastní konstrukce P= 4,7. 10-6 Pa zdroj – laser torzní váhy P= 2,8. 10-4 Pa My

Využití a praxe Manipulace s biologickými částicemi Sluneční plachtnice Hvězdy, komety

Zdroje Lebedev and light radiation pressure, Dr. Vassilis Lembessis, http://www.europhysicsnews.com/full/07/article4/article4.html Europhysics News (2001) Vol. 31 No. 7 P. N. Lebedev and light radiation pressure Dr. Vassilis Lembessis V. Lembessis, PhD Thesis, Essex University (1995) "The pressure of Light", by S.V. Gryslov, Quantum July-August 1998, p.47, Greek Edition. Wikipedia.org, Maxwell`s equations, neznámý autor, http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_Equations Mechanika, Doc.Ing. Ivan Štoll, vydavatelství ČVUT, 2003 Elektřina a magnetismus, Doc.Ing. Ivan Štoll, vydavatelství ČVUT, 2003 The Pressure of Light,by Scott Lilley,The University of Arizona Optical Sciences Center, http://www.u.arizona.edu/~lilley98/ Arthur Ashkin, “The Pressure of Laser Light,” Scientific American 226, 63-71 (1972) Arthur Ashkin, “Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA94, 4853-4860 (1997)

Zároveň se omlouváme za způsobené škody a oxidování v praktikách. Poděkování Rádi bychom poděkovali Ing. Svobodovi za trpělivost a ochotu nám pomáhat při experimentu. Zároveň se omlouváme za způsobené škody a oxidování v praktikách. Děkujeme za pozornost!