Měření tlakového účinku světla

Prezentace na téma: "Měření tlakového účinku světla"— Transkript prezentace:

1 Měření tlakového účinku světla
Fyzikální seminář Měření tlakového účinku světla Jiří Weiss, Robin Schilhart, Jakub Roman

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

3 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

4 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

5 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

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

7 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, kg.m. s-1)

8 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

9 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

10 Historie experimentu Výsledky experimentu (1902):
20% odlišnost od Maxwellovy předpovědi => světlo není jen vlna, ale nese i hybnost! 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

11 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

12 Experiment Měření torze vlákna Cavendishovým experimentem:
φ0 = 0, rad ≈ 4°49ʼ Fg= 1, N Po dosazení dostáváme D ≈ 4, N.m2.rad-1

13 Aparatura v akci

14 Graf Rozdíl pozic rovnovážných poloh 29 cm

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

16 Porovnání Lebedev My zdroj – žárovka zdroj – laser
aparatura vlastní konstrukce P= 4, Pa zdroj – laser torzní váhy P= 2, Pa My

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

18 Zdroje Lebedev and light radiation pressure, Dr. Vassilis Lembessis, 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, 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, Arthur Ashkin, “The Pressure of Laser Light,” Scientific American 226, (1972) Arthur Ashkin, “Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA94, (1997)

19 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!