• 輻射壓

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    輻射壓

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    射壓是由于物體和電磁場之間的動量交換而施加在任何表面上的機械壓力。 這包括被任何尺度的物質(從宏觀物體到塵埃顆粒再到氣體分子)吸收、反射或以其他方式發射(例如黑體輻射)的任何波長的光或電磁輻射的動量。 相關的力稱為輻射壓力,有時簡稱為光力。

    輻射壓力產生的力通常太小,在日常情況下不會被注意到; 但是,它們在某些物理過程和技術中很重要。 這尤其包括外層空間中的物體,在外層空間中,它通常是除重力之外作用于物體的主要力,并且微小力的凈效應可能會在很長一段時間內產生巨大的累積效應。 例如,如果忽略太陽輻射壓力對維京計劃航天器的影響,航天器將偏離火星軌道約 15,000 公里(9,300 英里)。 來自星光的輻射壓在許多天體物理過程中也至關重要。 輻射壓力的重要性在極高溫度下會迅速增加,有時會使通常的氣體壓力相形見絀,例如,在恒星內部和熱核武器中。 此外,有人建議將在太空中運行的大型激光器作為以光束動力推進方式推進帆船的一種手段。

    射壓部隊是激光技術的基石,也是嚴重依賴激光和其他光學技術的科學分支。 這包括但不限于生物顯微鏡(光用于照射和觀察微生物細胞和分子)、量子光學和光機械學(光用于探測和控制原子量子比特和宏觀量子物體等物體) ). 輻射壓強在這些領域的直接應用,例如激光冷卻(1997年諾貝爾物理學獎的課題)、宏觀物體和原子的量子控制(2012年諾貝爾物理學獎)、干涉測量(2017年諾貝爾物理學獎) 物理學)和光鑷(2018 年諾貝爾物理學獎)。

    輻射壓同樣可以通過考慮經典電磁場的動量或光子、光粒子的動量來解釋。 電磁波或光子與物質的相互作用可能涉及動量交換。 由于動量守恒定律,波或光子的總動量的任何變化都必須涉及與其相互作用的物質的動量的相等且相反的變化(牛頓第三運動定律),如圖所示 在附圖中,光被表面完美反射的情況。 這種動量轉移是對我們所說的輻射壓力的一般解釋。

    發現

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    約翰內斯·開普勒于 1619 年提出輻射壓力的概念,以解釋彗星的尾巴總是背離太陽的觀測結果。

    詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 (James Clerk Maxwell) 于 1862 年發表了關于光作為電磁輻射具有動量特性并因此對任何暴露于光的表面施加壓力的斷言,并于 1900 年由俄羅斯物理學家彼得·列別捷夫 (Pyotr Lebedev) 和歐內斯特·福克斯 (Ernest Fox) 通過實驗證明 Nichols 和 Gordon Ferrie Hull,1901 年。壓力非常小,但可以通過讓輻射落在 Nichols 輻射計(這不應與 Crookes 輻射計,其特征運動 不是由輻射壓力引起的,而是由撞擊氣體分子引起的)。

    理論

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    考慮到歸因于電磁輻射的動量,輻射壓可以被視為動量守恒的結果。 可以根據電磁理論或光子流的組合動量同樣很好地計算出該動量,得到如下所示的相同結果。

    輻射壓

    來自電磁波動量的輻射壓

    根據麥克斯韋的電磁學理論,電磁波攜帶動量,動量會轉移到它撞擊的不透明表面。

    平面波的能量通量(輻照度)使用坡印亭向量 S = E × H {displaystyle mathbf {S} =mathbf {E} times mathbf {H} } 計算,其 我們用 S 表示的大小。 S 除以光速就是電磁場每單位面積(壓力)的線性動量密度。 所以,在量綱上,坡印亭矢量為S=功率/面積=做功率/面積=ΔF/ΔtΔx/面積,即光速c=Δx/Δt,乘以壓力,ΔF/面積。

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