光壓

光壓（light pressure）是指光照射到物體上對物體表面產生的壓力。遠在1748年歐拉即已指出光壓的存在，並在1901年由俄國物理學家列別捷夫首次測量出來。人們可以從光的電磁理論或光的量子理論推算出光壓的大小。

基本介紹

• 中文名：光壓
• 外文名：light pressure
• 簡單定義：光照射到物體上產生的壓力
• 公式：p=S/c
• 公式：F=（1+ρ）E/c

經典理論詮釋

早在17世紀初，天文學家克卜勒就曾用太陽光的壓力解釋彗星的尾巴為什麼背著太陽。到19世紀中葉，麥克斯韋由電磁理論算出：光正入射到黑體（完全吸收光的物體）上所產生的壓強為：

光壓

p=S/c

式中S為光的坡印廷矢量的值，c為光速。由此得出，太陽光正入射到地面黑體上的光壓為p=5×10^－6牛/米²。要觀察光壓，一般是觀察光對懸掛在真空中薄片的壓力。但容器中的殘存氣體分子在光照的薄片表面處熱能較大，也會對薄片有一壓力，這種效應稱輻射計效應。1901年，P.列別捷夫成功地消除了輻射計效應，用實驗證明了光壓的存在，他測出太陽光壓的值與麥克斯韋的計算結果符合。

光照射在物體上，把動量傳遞給物體，表現為光壓。這個光壓的大小與光的動量密度、表面的反射係數以及入射角有關。當光垂直照射於完全吸收的物體上，表面所受光壓強即等於p。當光垂直照射於一個完全反射面時，光壓等於2p。也可從光子具有動量出發得到相同的結果。由此得出，(2-ε)J=p·c，其中ε為表面輻入係數,J為黑體輻入度，p為光壓強（矢量），c為光速（矢量）。該公式由黑體輻射、衝量定理及狹義相對論得出。

量子解釋

光壓是射在物體上的光所產生的壓強，也稱為輻射壓強（輻射壓）。麥克斯韋依據經典電磁理論首先指出了光壓的存在。由於光具有波粒二象性，光量子（光子）概念提出後，光的粒子性可以用來解釋光壓現象。光壓是光子把其的動量傳給物體的結果。由於光的粒子性，根據動量定理，光子具有動量hν/c，會對物體產生一定的壓力。入射到物體表面後被吸收或者反射。大量光子長時間的作用就會形成一個穩定的壓力。事實上由於光壓的作用，光子會將部分的能量以動量的形式傳遞給物體，使物體的動能發生變化，而剩餘的能量除一部分被轉化成熱能外，其餘的則以反射光的形式輻射。

光壓

光的粒子性被大量實驗證實。根據愛因斯坦等人的研究，電磁波遵從量子力學理論，因此光子具有表征質量。由物質波方程 λ=h/p=h/mv，可以推導出光子表征質量為m=h/λc。

由此可見，光子同時具有質量與速度，或者說光子具有動量。具有動量的大量光子，照射在物體上產生穩定的壓強即為光壓。

一般情況下，如果物體表面的反射係數為ρ，則在每秒內入射的全部N個光子中，有(1－ρ)N個被吸收，而ρN個被反射。

解釋天體現象

光壓在解釋天體現象中有一定的作用，因為在一定條件下（例如強光照射下）小顆粒所受的光壓可以與所受萬有引力同數量級。當彗星在太陽旁通過時，它的塵粒與氣體分子受到光壓的作用，形成彗尾。

光壓的值雖然很小，但對環繞地球的人造地球衛星來說，時間長了會使它逐漸偏離軌道，因此在設計人造地球衛星時就要考慮到這一點。
光壓對於恆星有重要作用。恆星大都是發光的天體，萬有引力使恆星收縮，而光壓（輻射壓）則使恆星膨脹。當萬有引力大於光壓時，恆星便會坍縮；當萬有引力小於光壓時，恆星便會膨脹。只有在萬有引力與光壓相等時，恆星才能夠處在穩定狀態，如今的太陽便是這樣。