Tlak svetlobnega curka


    Ali svetloba lahko kaj “premakne”?

    Seveda! Poglejmo si samo avtomobil na sončno energijo. Tak avtomobil za svoje gibanje izkorišča energijo svetlobe. No, pa šalo na stran. Vprašanje je bilo najbrž mišljeno bolj dobesedno – ali lahko kakšen predmet premaknemo tako, da ga obsvetimo? Načeloma da! Svetloba namreč prenaša energijo in gibalno količino. Najlažje si to predstavljamo, če si svetlobo zamislimo kot tok delcev – fotonov. Ko se foton absorbira v snovi, po zakonu o ohranitvi gibalne količine snov prevzame gibalno količino fotona – podobno kot če bi gledali trk dveh biljardnih kroglic. Ker je v svetlobnem toku veliko fotonov, se taki trki dogajajo zelo pogosto in telo, ki jo zadevajo fotoni, čuti silo. Kjer pa je sila, je lahko tudi gibanje.

    Velikost te sile znamo tudi izračunati. Sila na ploskovno enoto F/S (to je najbolj smiselna količina, saj je jasno, da bo sila tem večja, čim večjo površino obsevamo) je:

    kjer je j gostota svetlobnega toka in c svetlobna hitrost. Če se svetloba ne absorbira, ampak se odbije, je sila še dvakrat večja.

    Do gornjega zaključka smo prišli ob predpostavki, da je svetloba tok fotonov – uporabili smo kvantno mehaniko. Nikjer v rezultatu pa ne nastopa Planckova konstanta, ki je značilna za vse kvantne pojave. To pomeni, da ENAK rezultat dobimo tudi z obravnavo svetlobe kot valovanja v klasični elektrodinamiki. Ugotovitev, da svetloba načeloma lahko premika predmete je zelo pomembna tudi v klasični elektrodinamiki, saj sta zakona o ohranitvi gibalne količine in ohranitvi energije veljavna le tedaj, ko tudi elektromagnetno valovanje prenaša energijo in gibalno količino.

    Velikost te sile lahko tudi ocenimo. Gostota svetlobnega toka na Zemlji je približno 1000 W/m2. To pomeni, da je sila, ki je posledica Sončeve svetlobe, zelo majhna – 0.3×10-5 N/m2. To pa je mnogo premalo, da bi lahko v vsakdanjem življenju opazili, kako svetloba premika predmete. Popolnoma drugače pa je v atomskem svetu. Atomi so tako lahki, da je tudi tako majhna sila dovolj, da jih premakne. Ta pojav izkoriščajo pri “hlajenju” posameznih ionov. Ione namreč ujamejo v nek potencial, v katerem nihajo. Nato vanje posvetijo z lasersko svetlobo. Če foton zadene ion v trenutku, ko se gibata drug proti drugemu (tako kot pri čelnem trku dveh avtomobilov), se bo ion nekoliko upočasnil. Na ta način upočasnijo ione in jih s tem ohladijo na temperature nekaj mK. V tem primeru zares lahko rečemo, da svetloba lahko premakne atom.

    Primerjaj še z odgovorom na vprašanje: Zakaj lahko brezmasni foton izbije elektron iz atoma?

    (Tadej Mali)

    Deli