- 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，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。
