Может ли свет переносить импульс?

[AK III]

Возьмем простой пример:
Свет поглощается (или отражается) покоящимся телом, массой M и тело получает импульс P.
После этого тело должно начать двигаться из условия сохранения импульса: M*V=P
Со скоростью:
V=P/M
Подсчитаем приобретенную телом кинетическую энергию:
E=M*V^2/2 = P/2M

Что же это?

Приобретенная энергия тела зависит от его массы?

Т.е. если свет передаст свой ,не важно какой, импульс телу с очень маленькой массой, то оно приобретет сколь угодно большую энергию?

[Alexpo]

Приобретенная энергия тела зависит от его массы?

А что вас в этом удивило? Решите стандартную задачу механики: пуля попадает в тело и получите тот же результат.

Т.е. если свет передаст свой ,не важно какой, импульс телу с очень маленькой массой, то оно приобретет сколь угодно большую энергию?

Нет слишком малых тел, способных поглотить фотон. Но электрон после "встречи" с фотоном свой импульс меняет существенно - это экспериментальный факт. Причем свет ведет себя при этом как частица.

[AK III]

А что вас в этом удивило? Решите стандартную задачу механики: пуля попадает в тело и получите тот же результат.

Нет, если бы у фотона была масса, то никакого бы парадокса не было, но тут ситуация, когда импульс переносится объектом без массы.
В результате получаем бесконечную энергию.
Давайте объясните мне: в чем проблема?

[Alexpo]

Нет, если бы у фотона была масса, то никакого бы парадокса не было, но тут ситуация, когда импульс переносится объектом без массы.
В результате получаем бесконечную энергию.
Давайте объясните мне: в чем проблема?

Минуточку. Импульс от фотона передается телу (частицы) с ненулевой массой, так что никаких бесконечностей.

[AK III]

Минуточку. Импульс от фотона передается телу (частицы) с ненулевой массой, так что никаких бесконечностей.

Так в том то и дело.
Переданная энергия обратно пропорциональна массе принимающей частицы!
Заметьте - не энергии света, а массе частицы!
Т.е. чем меньше масса, тем больше энергия - вплоть до бесконечности.
Как может свет передать телу такую огромную энергию?

[Stranger]

Так в том то и дело.
Переданная энергия обратно пропорциональна массе принимающей частицы!
Заметьте - не энергии света, а массе частицы!
Т.е. чем меньше масса, тем больше энергия - вплоть до бесконечности.
Как может свет передать телу такую огромную энергию?

Используйте более правильное соотношение между энергией и импульсом E=(p^2 c^2 +M^2 c^4)^(1/2), частный случай - нерелятивистский (когда p << M c), который вы разобрали. Но при больших скоростях частицы (когда p >> M c) нужно уже применять общую приведенную мной формулу. Как видите, тогда никаких проблем не возникает .

[AK III]

Используйте более правильное соотношение между энергией и импульсом E=(p^2 c^2 +M^2 c^4)^(1/2), частный случай - нерелятивистский (когда p << M c), который вы разобрали. Но при больших скоростях (когда p >> M c) нужно уже применять общюю приведенную мной формулу. Как видите, тогда никаких проблем не возникает .

Да какая разница, какое там соотношение при больших скоростях?
А при небольших - это что нормально, когда энергия фотона зависит от того, какую массу имеет тело, этот фотон поглотившее?

Рассмотрим замкнутую систему Фотон+тело - их энергия до столкновения равна: EF - энергии фотона (чего бы оно ни было).
Внутреннюю энергию тела (Mc^2) вынесем за скобки, а кинетическая равна нулю, поскольку скорость тела до столкновения равна нулю.

После столкновения, фотон поглотился телом и энергия стала равна: ET + P^2/2M
ET-добавка к внутренней энергии тела - ну там может оно нагрелось или еще что, может и нулю равно, это не важно.
И теперь приравняем:
EF = ET+ P^2/M
Поскольку ET>0
EF>P^2/2M

Получается энергия фотона зависит от массы тела (если не бесконечна) или где-то в подпространстве прячется дополнительная энергия, которая в момент столкновения вылазит наружу и превращается в кинетическую энергию тела.

[Stranger]

Да какая разница, какое там соотношение при больших скоростях?
А при небольших - это что нормально, когда энергия фотона зависит от того, какую массу имеет тело, этот фотон поглотившее?

Рассмотрим замкнутую систему Фотон+тело - их энергия до столкновения равна: EF - энергии фотона (чего бы оно ни было).
Внутреннюю энергию тела (Mc^2) вынесем за скобки, а кинетическая равна нулю, поскольку скорость тела до столкновения равна нулю.

После столкновения, фотон поглотился телом и энергия стала равна: ET + P^2/2M
ET-добавка к внутренней энергии тела - ну там может оно нагрелось или еще что, может и нулю равно, это не важно.
И теперь приравняем:
EF = ET+ P^2/M
Поскольку ET>0
EF>P^2/2M

Получается энергия фотона зависит от массы тела (если не бесконечна) или где-то в подпространстве прячется дополнительная энергия, которая в момент столкновения вылазит наружу и превращается в кинетическую энергию тела.

Процесс поглощения фотона - это конкретный процесс, при котором система переходит с одного уровня на другой. Если правильно учесть все слагаемые: написать энергетическое уравнение: энергия фотона = разности между уровнями перехода + кинетическая энергия отдачи частицы, то естественно, никаких фокусов не возникает. Кинетическая энергия частицы всегда будет меньше энергии падающего фотона. парадокса нет.  

Полное решение задачи - это совместное решения уравнений сохранения импульса и энергии.
Энергия же самого налетающего фотона, естественно, равна p x c, безо всяких сомнений .
На семинарах по ядерной физике студенты решают задачи такого типа постоянно. Если интересуетесь, можете взять любой задачник по ядерной физике.

[AK III]

Какие еще уровни для свободной частицы?
Не надо тут впутывать непричастную к делу математику.

Вообще я энергию фотона представляю только как тепловую - все что она может, это разбить тело на две части и оттолкунуть их в противоположных направлениях с одинаковыми но противоположно направленными импульсами.

Чтоб придать всему телу кинетическую энергию, свет должен с собой нести эту самую энергию, а без массы это невозможно.

И вы никакими ухищрениями не избавитесь от этого противоречия.
Нельзя переносить импульс безмассовыми частицами.

[Stranger]

Какие еще уровни для свободной частицы?
Не надо тут впутывать непричастную к делу математику.

Вообще я энергию фотона представляю только как тепловую - все что она может, это разбить тело на две части и оттолкунуть их в противоположных направлениях с одинаковыми но противоположно направленными импульсами.

Чтоб придать всему телу кинетическую энергию, свет должен с собой нести эту самую энергию, а без массы это невозможно.

И вы никакими ухищрениями не избавитесь от этого противоречия.
Нельзя переносить импульс безмассовыми частицами.

Извините, долго не отвечали и я лег спать. Только сейчас проснулся .
Это уже старо как мир.  Фотон может поглотиться или рассеяться.
1) Если рассматриваете поглощение фотона:  микроскопически это переход системы с одного уровня на другой. Например, если одиночный атом - переход с одного уровня на другой. Если кристалл, или вещество: переход одного из атомов кристалла из основного состояние в возбужденное. Это упрощенно. Уровни и состояния в кристалле или любом другом макроскопическом теле могут быть разные. Не обязательно принадлежащие одному атому или одной молекуле, могут быть коллективные.
2) Странное замечание о "свободной частице"   у которой нет уровней. Вы хотели, наверное сказать "бесструктурная" частица, которой сейчас считается, например, электрон, или другая элементарная (или считаемая на данный момент элементарной) частица.  В этом случае, если рассматриваете элементарную частицу  в вакууме, никакого поглощения фотона не будет. Будет только эффект рассеяния. В том числе и эффект рассеяния фотона на 180 градусов, в обратном направлении, как частный случай. Эффект рассеяния фотона электроном тоже очень давно и очень хорошо известен и исследован и называется эффект Комптона. При этом, энергия (частота) рассеянного фотона зависит от угла рассеяния (угол между начальным направлением фотона и конечным направлением после рассеяния).
Посмотрите, например, Эффект Комптона в Википедии: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0

 Задача тоже хорошо известная. Найдете ее в любом нормальном задачнике по ядерной или атомной физике. Студенты решают ее как на семинарах теоретически, так и измеряют эффект Комптона на лабораторных работах непосредственно. Теория в данном случае полностью совпадает с экспериментом.  Опять, для решения задачи в вашем распоряжении законы сохранения энергии и импульса.    
 

[tory]

Возьмем простой пример:
Свет поглощается (или отражается) покоящимся телом, массой M и тело получает импульс P.
После этого тело должно начать двигаться из условия сохранения импульса: M*V=P
Со скоростью:
V=P/M
Подсчитаем приобретенную телом кинетическую энергию:
E=M*V^2/2 = P/2M

Что же это?

Приобретенная энергия тела зависит от его массы?

Т.е. если свет передаст свой ,не важно какой, импульс телу с очень маленькой массой, то оно приобретет сколь угодно большую энергию?

При отражении импульс приобретается вдвое больший.

[AK III]

Все это хорошо и "теория уровней" очень хорошо пудрит мозги и может завуалировать механизм.
Но я специально не конкретизирую что это за частица и как она устроена, а предполагаю, что фотон не рассеялся, а именно поглотился.

То что для поглощения фотона используется представление об уровнях - это говорит о том, что предполагается поглощение именно тепловой энергии - т.е. колебаний.
Для перехода на уровень электрону нужна вторая частица (ядро или дырка или что-то еще) - чтоб они вдвоем образовали осциллятор у которого могут быть некие уровни.
Но это все - внутренняя энергия (которую я ранее обозначил ET) - нас она не интересует.
Понятно, что если рассматривать поглощение света как увеличение энергии осциллятора (не важно есть у него уровни или нет) - то у нас энергетический баланс сойдется.

Но задача не про то.

Когда говорится, что свет переносит импульс - это означает что наш осциллятор весь обе частицы их центр тяжести приобретает дополнительный импульс - поэтому не важно на какие там уровни поднимется электрон в атоме (или в чем он там возбуждается) - мы должны рассматривать наш осциллятор как просто частицу имеющую массу и все.
Внутренняя энергия нас не интересует.

Для этого не нужны никакие уровни, у свободной одинокой частицы их нет, поскольку нет того, относительно чего эта частица будет колебаться.

Есть только закон сохранения импульса и выражение для кинетической энергии - этого достаточно.
И здесь оказывается, что если мы предположим, что безмассовая частица переносит импульс, то при столкновении с другой частицей возникает парадокс с бесконечной энергией.

Вывод: безмассовая частица переносить импульс не может.

[Stranger]

Все это хорошо и "теория уровней" очень хорошо пудрит мозги и может завуалировать механизм.
Но я специально не конкретизирую что это за частица и как она устроена, а предполагаю, что фотон не рассеялся, а именно поглотился.

То что для поглощения фотона используется представление об уровнях - это говорит о том, что предполагается поглощение именно тепловой энергии - т.е. колебаний.
Для перехода на уровень электрону нужна вторая частица (ядро или дырка или что-то еще) - чтоб они вдвоем образовали осциллятор у которого могут быть некие уровни.
Но это все - внутренняя энергия (которую я ранее обозначил ET) - нас она не интересует.
Понятно, что если рассматривать поглощение света как увеличение энергии осциллятора (не важно есть у него уровни или нет) - то у нас энергетический баланс сойдется.

Но задача не про то.

Когда говорится, что свет переносит импульс - это означает что наш осциллятор весь обе частицы их центр тяжести приобретает дополнительный импульс - поэтому не важно на какие там уровни поднимется электрон в атоме (или в чем он там возбуждается) - мы должны рассматривать наш осциллятор как просто частицу имеющую массу и все.
Внутренняя энергия нас не интересует.

Для этого не нужны никакие уровни, у свободной одинокой частицы их нет, поскольку нет того, относительно чего эта частица будет колебаться.

Есть только закон сохранения импульса и выражение для кинетической энергии - этого достаточно.
И здесь оказывается, что если мы предположим, что безмассовая частица переносит импульс, то при столкновении с другой частицей возникает парадокс с бесконечной энергией.

Вывод: безмассовая частица переносить импульс не может.

Если частица "со структурой", то она имеет уровни. Примеры частиц "со структурой" -  атомы, молекулы, твердые вещества, жидкости, газы. И атомные ядра - тоже частицы "со структурой", при поглощении гамма квантов ядро может переходить на возбужденный уровень.
        Если речь идет только о поглощении фотона, и вы рассматриваете, как говорите, частицу "без структуры" и "свободную", то фотон не может ею поглотиться вообще.   Законы сохранения энергии и импульса запрещают поглощение  фотона электроном в вакууме (электрон в вакууме, как раз, пример "свободной" бесструктурной частицы).  На свободном электроне фотон может только рассеяться - эффект Комптона.
  Это тоже хорошо и давно известно,  следует всего лишь из законов сохранения энергии и импульса. Никакой "заумности". Практически все студенты, изучающие атомную и ядерную физику решали эту задачу:

p c = (m^2 c^4 +p^2 c^2)^(1/2) - m c^2

Вот я вам выписал закон сохранения для "поглощения" фотона электроном. Слева- энергия фотона. Справа- кинетическая энергия электрона, "поглотившего" фотон. Можете убедиться, что это уравнение не удовлетворяется никогда (правая часть уравнения всегда меньше левой, кроме случая p =0, то есть отсутствия фотона и поглощения).
     Если бы фотон налетал не на электрон, а на атом, имеющий структуру и уровни, то фотон мог бы поглотиться, атом перешел бы на возбужденный уровень и кроме этого приобрел бы кинетическую энергию отдачи.  

    

[AK III]

     Если бы фотон налетал не на электрон, а на атом, имеющий структуру и уровни, то фотон мог бы поглотиться, атом перешел бы на возбужденный уровень и приобрел бы кинетическую энергию отдачи.  

А я говорю, что внутреннее устройство в общих соображениях не должно иметь никакого значения.
"Кинетическая энергия отдачи" - Это не та энергия.
Конечно, все уравнения сохранения будут давать ошибку при попытке приписать свету импульс.
На электроне это особенно заметно, поскольку у него маленькая масса, а вот у атома то же нарушение законов сохранения можно завуалировать разными там уровнями и внутренней структурой.
Но и для атома закон сохранения энергии будет нарушаться.
Именно исходя из общих соображений.

Что такое масса в неупругом столкновении?
Когда две частицы "слипаются" и дальше движутся вместе, то на самом деле вторая частица (бывшая неподвижная) получает не весь общий импульс, а только его часть, и масса - это мера распределения этого импульса между двумя частицами после столкновения.
Она же (масса) обеспечивает и закон сохранения кинетической энергии (правильным распределением импульса).
Если же масса одной из частиц стремиться к нулю но импульс при этом не стремиться к нулю , то кинетическая энергия такой частицы стремиться к бесконечности.
При таких условиях (нулевой массы) невозможно соблюсти закон сохранения энергии.
Если масса частицы стремиться к нулю, то и импульс также должен стремиться к нулю.

[Stranger]

А я говорю, что внутреннее устройство в общих соображениях не должно иметь никакого значения.
"Кинетическая энергия отдачи" - Это не та энергия.
Конечно, все уравнения сохранения будут давать ошибку при попытке приписать свету импульс.
На электроне это особенно заметно, поскольку у него маленькая масса, а вот у атома то же нарушение законов сохранения можно завуалировать разными там уровнями и внутренней структурой.
Но и для атома закон сохранения энергии будет нарушаться.
Именно исходя из общих соображений.

Что такое масса в неупругом столкновении?
Когда две частицы "слипаются" и дальше движутся вместе, то на самом деле вторая частица (бывшая неподвижная) получает не весь общий импульс, а только его часть, и масса - это мера распределения этого импульса между двумя частицами после столкновения.
Она же (масса) обеспечивает и закон сохранения кинетической энергии (правильным распределением импульса).
Если же масса одной из частиц стремиться к нулю но импульс при этом не стремиться к нулю , то кинетическая энергия такой частицы стремиться к бесконечности.
При таких условиях (нулевой массы) невозможно соблюсти закон сохранения энергии.
Если масса частицы стремиться к нулю, то и импульс также должен стремиться к нулю.

Раз законы сохранения для поглощения фотона бесструктурной частицей не выполняются, значит поглощение бесструктурной частицей фотона невозможно. Я уже выписал закон сохранения,
p c = (m^2 c^4 +p^2 c^2)^(1/2) - m c^2
Масса здесь произвольна, необязательно электрон, лишь бы не было  внутренней структуры. Это уравнение не имеет решения.

          Но это не значит, что фотон не несет энергию и импульс. Налетающий фотон рассеивается электроном (эффект Комптона). При этом, энергия и импульс фотона уменьшается (если начальный электрон покоился), а сам электрон приобретает кинетическую энергию и импульс. Все происходит строго в соответствии с законами сохранения энергии и импульса. То есть, фотон передает часть своей энергии и своего импульса электрону, а сам "отскакивает". Так же, как летящий шарик налетает на другой, передает часть энергии и импульса покоящемуся шарику. Такие эффекты  (Комптона) наблюдаются экспериментально и полностью описывается с большой точностью.

[Alexpo]

При этом, энергия и импульс фотона уменьшается (если начальный электрон покоился

Это проявляется в изменении длины волны света.

[Stranger]

Это проявляется в изменении длины волны света.

Длина волны однозначно связана с импульсом фотона. Чем больше импульс фотона, тем меньше длина волны и наоборот. Отдавая часть импульса электрону в эффекте Комптона, фотон "краснеет", то есть длина волны его увеличивается.

[Фёдор Менде]

Это проявляется в изменении длины волны света.

Алекспа, бросайте свой отстойник и переходите на наш форум. Мы Вас здесь подучим физике.
У нас ведь работают настоящие учёные, не скрывающиеся под масками крокодилов и обезьян и стыдящиеся своего рода и племени, а не подставные кругляковские учдуры.

[AK III]

Эффект Комптона - это уже другой вопрос.
(Пока ясно, что существование импульса у света противоречит закону сохранения энергии)
Теперь, что такое Эффект Комптона.
Никто не рассеивал свет на одиночном электроне.
Если же брать группу электронов, то они могут вести себя как идеальный газ и соответственно иметь температуру.
Если температура электронного газа меньше температуры излучения, то газ будет нагреваться этим излучением (в соответствии с законами термодинамики), при этом средний импульс (по модулю) электронов увеличится, а частота света (температура) уменьшится.

И никакого импульса у света - только энергия.

[Alexpo]

Алекспа, бросайте свой отстойник и переходите на наш форум. Мы Вас здесь подучим физике.

Это какой физике? Той фигне которую вы написали в теме про фотоэффект? Спасибо, не надо.
Лучше уж вы откройте учебник и подучите физику.