- 光壓的基本定義
- 測(cè)量光壓的實(shí)驗(yàn)
- 光壓的計(jì)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(duì)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(qiáng)。當(dāng)物體完全吸收正入射的光輻射時(shí)，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(gè)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(guó)物理學(xué)家列別捷夫用實(shí)驗(yàn)測(cè)得了光壓，證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言。光壓的存在說明了電磁波具有動(dòng)量，因而是電磁場(chǎng)物質(zhì)性的有力證明。愛因斯坦光子假設(shè)又進(jìn)一步說明了光壓存在的合理性。
一、測(cè)量光壓的實(shí)驗(yàn)
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(gè)涂黑，另一個(gè)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(gè)。由于作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的大小，列別捷夫測(cè)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(duì)理論作出定量的驗(yàn)證。
二、光壓的量子理論解釋
按照光子說的觀點(diǎn)，光壓是光子把它的動(dòng)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?yàn)槊恳粋€(gè)光子具有動(dòng)量p=hυ/c，當(dāng)光子被物體所吸收時(shí)，每個(gè)光子傳給物體的動(dòng)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(dòng)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(dòng)量，即光作用在這個(gè)面上的光壓為E/c。當(dāng)光子被物體所反射時(shí)，光子的動(dòng)量從＋hυ/c變到－h(huán)υ/c，則每個(gè)光子傳給物體的動(dòng)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(diǎn)，光壓是光子把它的動(dòng)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?yàn)槊恳粋€(gè)光子具有動(dòng)量p=hυ/c，當(dāng)光子被物體所吸收時(shí)，每個(gè)光子傳給物體的動(dòng)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(dòng)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(dòng)量，即光作用在這個(gè)面上的光壓為E/c。當(dāng)光子被物體所反射時(shí)，光子的動(dòng)量從＋hυ/c變到－h(huán)υ/c，則每個(gè)光子傳給物體的動(dòng)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(duì)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(huì)感覺發(fā)暖，亦有壓力，只是因?yàn)楦杏X器官的限制而感覺不到。光壓的發(fā)現(xiàn)源于俄國(guó)和美國(guó)。19世紀(jì)，英國(guó)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(shí)，將對(duì)這一表面施加壓力。
1899年，俄國(guó)物理學(xué)家列別捷夫用實(shí)驗(yàn)測(cè)得了光壓，證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言。光壓的存在說明了電磁波具有動(dòng)量，因而是電磁場(chǎng)物質(zhì)性的有力證明。愛因斯坦光子假設(shè)又進(jìn)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(shí)光壓的存在，不少物理學(xué)工作者都撲到這項(xiàng)科學(xué)研究上來。1901年，俄國(guó)物理學(xué)家彼得•尼古拉耶維奇•列別捷夫設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)光壓，并且測(cè)量了數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，美國(guó)物理學(xué)家尼科爾斯和哈爾也分別用精密實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)，根據(jù)動(dòng)量定理，會(huì)對(duì)此物體產(chǎn)生一定的壓力。大量光子長(zhǎng)時(shí)間作用就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的壓力。
光壓-公式
光照到物體表面時(shí)施予表面的壓力。J.開普勒在解釋彗尾的形成時(shí)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(shí)，單位面積所受光壓為P＝I（1＋R）／c，式中I為單位時(shí)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(dòng)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(dòng)量與入射后的總動(dòng)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(duì)光壓的首次實(shí)驗(yàn)測(cè)量是由俄國(guó)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(shí)，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(duì)地球所形成的光壓為4.5*10^(-6)N/m^2一、測(cè)量光壓的實(shí)驗(yàn)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(gè)涂黑，另一個(gè)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(gè)。由于作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的大小，列別捷夫測(cè)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(duì)理論作出定量的驗(yàn)證。
