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光压

光压(light pressure)是指照射到物体上对物体表面产生的压力。远在1748年欧拉即已指出光压的存在,并在1901年由俄国物理学家列别捷夫首次测量出来。人们可以从光的电磁理论光的量子理论推算出光压的大小。 [1-2]

早在17世纪初,天文学家开普勒就曾用太阳光压力解释彗星的尾巴为什么背着太阳。到19世纪中叶,麦克斯韦电磁理论算出:光正入射黑体(完全吸收光的物体)上所产生的压强为:

p=S/c

式中S为光的坡印廷矢量的值,c光速。由此得出,太阳光正入射到地面黑体上的光压为p=5×10-6牛/米2。要观察光压,一般是观察光对悬挂在真空中薄片的压力。但容器中的残存气体分子在光照的薄片表面处热能较大,也会对薄片有一压力,这种效应辐射计效应。1901年,P.列别捷夫成功地消除了辐射计效应,用实验证明了光压的存在,他测出太阳光压的值与麦克斯韦的计算结果符合。 [1] [2]

光照射在物体上,把动量传递给物体,表现为光压。这个光压的大小与光的动量密度、表面的反射系数以及入射角有关。当光垂直照射于完全吸收的物体上,表面所受光压强即等于p。当光垂直照射于一个完全反射面时,光压等于2p。也可从光子具有动量出发得到相同的结果。 [2] 由此得出,(2-ε)J=pc,其中ε为表面辐入系数,J为黑体辐入度,p为光压强(矢量),c为光速(矢量)。该公式由黑体辐射、冲量定理及狭义相对论得出。

光压是射在物体上的光所产生的压强,也称为辐射压强(辐射压)。麦克斯韦依据经典电磁理论首先指出了光压的存在。由于光具有波粒二象性光量子光子)概念提出后,光的粒子性可以用来解释光压现象。光压是光子把其的动量传给物体的结果。由于光的粒子性,根据动量定理,光子具有动量/c,会对物体产生一定的压力。入射到物体表面后被吸收或者反射。大量光子长时间的作用就会形成一个稳定的压力。事实上由于光压的作用,光子会将部分的能量以动量的形式传递给物体,使物体的动能发生变化,而剩余的能量除一部分被转化成热能外,其余的则以反射光的形式辐射

光的粒子性被大量实验证实。根据爱因斯坦等人的研究,电磁波遵从量子力学理论,因此光子具有表征质量。由物质波方程 λ=h/p=h/mv,可以推导出光子表征质量为m=h/λc

由此可见,光子同时具有质量与速度,或者说光子具有动量。具有动量的大量光子,照射在物体上产生稳定的压强即为光压。

一般情况下,如果物体表面的反射系数ρ,则在每秒内入射的全部N个光子中,有(1-ρ)N个被吸收,而ρN个被反射

光压在解释天体现象中有一定的作用,因为在一定条件下(例如强光照射下)小颗粒所受的光压可以与所受万有引力同数量级。当彗星在太阳旁通过时,它的尘粒与气体分子受到光压的作用,形成彗尾 [2]

光压的值虽然很小,但对环绕地球人造地球卫星来说,时间长了会使它逐渐偏离轨道,因此在设计人造地球卫星时就要考虑到这一点。 [1]
  光压对于恒星有重要作用。恒星大都是发光的天体,万有引力使恒星收缩,而光压(辐射压)则使恒星膨胀。当万有引力大于光压时,恒星便会坍缩;当万有引力小于光压时,恒星便会膨胀。只有在万有引力与光压相等时,恒星才能够处在稳定状态,如今的太阳便是这样。 [1]

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