- 光壓的基本定義
- 測量光壓的實驗
- 光壓的計算方法
光壓很小，如果陽光直射到地面，并且光被地面全部吸收，那么地面所感受到的光壓也只有4.5×10。光對被照射物體單位面積上所施加的壓力叫光壓。也稱為輻射壓強。當(dāng)物體完全吸收正入射的光輻射時，光壓等于光波的能量密度；若物體是完全反射體，則光壓等于光波能量密度的2倍。這個關(guān)系可以由經(jīng)典電磁理論得到，也可以直接由光的量子理論得到。麥克斯韋依據(jù)經(jīng)典電磁理論首先指出了光壓的存在。1899年，俄國物理學(xué)家列別捷夫用實驗測得了光壓，證實了麥克斯韋的預(yù)言。光壓的存在說明了電磁波具有動量，因而是電磁場物質(zhì)性的有力證明。愛因斯坦光子假設(shè)又進一步說明了光壓存在的合理性。
一、測量光壓的實驗
列別捷夫所用儀器的主要部分是一用細(xì)線懸掛起來的極輕的懸體R，其上固定有小翼a及b，如圖1示,其中一個涂黑，另一個是光亮的。將懸體R置于如圖2所示的真空容器G內(nèi)。借助透鏡及平面鏡系統(tǒng)將由弧光燈B發(fā)出的光線射向小翼中的一個。由于作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的大小，可借助望遠(yuǎn)鏡及固定在軸線上的小鏡觀察到。移動雙鏡能使光射在涂黑的小翼上。比較兩種情況下懸體轉(zhuǎn)動的大小，列別捷夫測得，涂黑表面所受的光壓力比反射表面所受的光壓力小一半，與理論完全符合。
借助薄片P1使光流的一部分射到溫差電池T上可以度量入射光能量的大小，因而可以對理論作出定量的驗證。
二、光壓的量子理論解釋
按照光子說的觀點，光壓是光子把它的動量傳給物體的結(jié)果。設(shè)頻率為υ的單色光，每秒垂直入射到物體表面每平方米上的能量為E，則每秒垂直入射到物體表面每平方米上的光子數(shù)為N=E/(hυ)。因為每一個光子具有動量p=hυ/c，當(dāng)光子被物體所吸收時，每個光子傳給物體的動量為p=hυ/c，如果入射光子全部被物體所吸收，則物體表面每平方米在每秒內(nèi)所獲得的動量應(yīng)等于N•p=E/c。物體表面每平方米在每秒內(nèi)所獲得的動量，即光作用在這個面上的光壓為E/c。當(dāng)光子被物體所反射時，光子的動量從＋hυ/c變到－h(huán)υ/c，則每個光子傳給物體的動量為2p=2hυ/c。如果入射光子全部被物體所反射，則作用在物體表面上的光壓力為N•2p=2E/c。
光壓的量子理論
解釋按照光子說的觀點，光壓是光子把它的動量傳給物體的結(jié)果。設(shè)頻率為υ的單色光，每秒垂直入射到物體表面每平方米上的能量為E，則每秒垂直入射到物體表面每平方米上的光子數(shù)為N=E/(hυ)。因為每一個光子具有動量p=hυ/c，當(dāng)光子被物體所吸收時，每個光子傳給物體的動量為p=hυ/c，如果入射光子全部被物體所吸收，則物體表面每平方米在每秒內(nèi)所獲得的動量應(yīng)等于N•p=E/c。物體表面每平方米在每秒內(nèi)所獲得的動量，即光作用在這個面上的光壓為E/c。當(dāng)光子被物體所反射時，光子的動量從＋hυ/c變到－h(huán)υ/c，則每個光子傳給物體的動量為2p=2hυ/c。如果入射光子全部被物體所反射，則作用在物體表面上的光壓力為N•2p=2E/c。
光壓
光對被照射物體單位面積上所施加的壓力叫光壓。如陽光照在身體上，不僅會感覺發(fā)暖，亦有壓力，只是因為感覺器官的限制而感覺不到。光壓的發(fā)現(xiàn)源于俄國和美國。19世紀(jì)，英國物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立了電磁理論，指出光的本質(zhì)是電磁波。麥克斯韋還預(yù)言：光射到物質(zhì)表面時，將對這一表面施加壓力。
1899年，俄國物理學(xué)家列別捷夫用實驗測得了光壓，證實了麥克斯韋的預(yù)言。光壓的存在說明了電磁波具有動量，因而是電磁場物質(zhì)性的有力證明。愛因斯坦光子假設(shè)又進一步說明了光壓存在的合理性。
光壓很小，如果陽光直射到地面，并且光被地面全部吸收，那么地面所感受到的光壓也只有4.5×10-6帕。
為了證實光壓的存在，不少物理學(xué)工作者都撲到這項科學(xué)研究上來。1901年，俄國物理學(xué)家彼得•尼古拉耶維奇•列別捷夫設(shè)計了一個實驗，首次發(fā)現(xiàn)光壓，并且測量了數(shù)據(jù)。與此同時，美國物理學(xué)家尼科爾斯和哈爾也分別用精密實驗測定了光的壓力。
彗星的尾巴背著太陽就是太陽的光壓造成的。由于光具有粒子性，所以在達(dá)到物體上時，根據(jù)動量定理，會對此物體產(chǎn)生一定的壓力。大量光子長時間作用就會形成一個穩(wěn)定的壓力。
光壓-公式
光照到物體表面時施予表面的壓力。J.開普勒在解釋彗尾的形成時就已提出了光壓概念。J.C.麥克斯韋根據(jù)電磁理論解釋了光壓現(xiàn)象，并算出了光壓的值。當(dāng)平行光垂直照射物體時，單位面積所受光壓為P＝I（1＋R）／c，式中I為單位時間垂直入射到單位面積的光能量，R為表面的能量反射率，c為真空中的光速。光子概念提出后，也可用光的粒子性來解釋光壓現(xiàn)象。光子具有動量hv／c，入射到表面后或被吸收或被反射，入射前光子的總動量與入射后的總動量之差等于表面所受沖量，這樣算出的光壓公式與麥克斯韋的公式一致。對光壓的首次實驗測量是由俄國物理學(xué)家P.N.列別捷夫于1899年完成的。
當(dāng)彗星靠近太陽時，彗星中的塵埃和氣體分子由于受到太陽輻射的光壓作用而產(chǎn)生了彗尾，彗尾永遠(yuǎn)指向太陽的反方向。維持恒星穩(wěn)定的因素除萬有引力和內(nèi)部壓力外，內(nèi)部輻射所產(chǎn)生的光壓也是不可忽略的因素。
典型的太陽光對地球所形成的光壓為4.5*10^(-6)N/m^2一、測量光壓的實驗列別捷夫所用儀器的主要部分是一用細(xì)線懸掛起來的極輕的懸體R，其上固定有小翼a及b，其中一個涂黑，另一個是光亮的。將懸體R置于真空容器G內(nèi)。借助透鏡及平面鏡系統(tǒng)將由弧光燈B發(fā)出的光線射向小翼中的一個。由于作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的大小，可借助望遠(yuǎn)鏡及固定在軸線上的小鏡觀察到。移動雙鏡能使光射在涂黑的小翼上。比較兩種情況下懸體轉(zhuǎn)動的大小，列別捷夫測得，涂黑表面所受的光壓力比反射表面所受的光壓力小一半，與理論完全符合。
借助薄片P1使光流的一部分射到溫差電池T上可以度量入射光能量的大小，因而可以對理論作出定量的驗證。
