光照在物体表面会产生压力吗?

文摘   2024-12-01 00:00   四川  

水泼到墙上、风吹在纸上、物体相撞都会产生压力。那么光照在物体表面也会产生压力吗?由于光的基本单元——光子也是一种粒子,它具有跟一般实物一样的动量,根据动量守恒定律可知光照在物体表面一样会产生压力或压强。这种压强称为光压或辐射压。物体相撞产生的压力跟它反弹的速度有关,完全反弹的完全弹性碰撞产生的压力最大,完全不反弹的完全非弹性碰撞产生的压力最小。类似的,光照在物体表面时产生的压力也跟反射或吸收的程度有关。照在纯黑色的表面,会被完全吸收,此时产生的压强最小,为

p=S/c

照在理想的镜面完全反射时产生的压强最大,为

p=2S/c

式中S为光的坡印廷矢量,c为光速。1871年,英国物理学家麦克斯韦从理论上推论出电磁辐射会对所有暴露在其下的物体表面施加压力的事实。


在地球大气层外,太阳光照射到单位面积的物体表面被全部吸收时,产生的辐射压强大约为4.7×d-7Pa,与地面大约为10-5Pa的大气压强相比,非常小。所以通常感受不到光压。但列别捷夫还是巧妙的利用杠杆原理对力的放大作用观测到了光压的存在。此外,辐射压还被认为是使经过太阳附近的彗星的尾巴远离太阳的原因之一。


辐射压与温度的四次方成正比,在恒星内部温度非常高,恒星模型预测太阳在核心的温度约1,500万K,超巨星核心的温度更高达10亿K。因此,尽管在人类能直接接触的环境下,辐射压通常极其微小,但在大质量的恒星内部,辐射压是所有压力中最主要的成分。不过在太阳中,辐射压与气压比较仍是微不足道的。


人们还曾设计出太阳帆,利用光照在太阳帆上产生的辐射压作为太空船的推力,太空飞船宇宙1号就尝试使用这种形式的动力。


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