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光壓(Light Pressure)

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光壓(Light Pressure)
國立臺中女子高級中學物理科陳正昇老師/國立彰化師範大學物理學系吳仲卿教授責任編輯

光壓亦稱為輻射壓,是暴露在電磁輻射下的任何表面所承受的壓力。遠在1748年,L.歐拉即已指出光壓的存在。我們現在可以從光的電磁理論或光的量子理論推算出光壓的大小。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。如果電磁輻射被此表面吸收,光壓等於光功率的流量密度除以光速;如果電磁輻射被此表面完全反射,則光壓將會加倍。例如,太陽光的能量在地球表面上的功率流量密度是1370 W/m2,所以吸收狀態下的輻射壓是4.6微巴(1巴等於100000N/m2)。

1871年,英國物理學家馬克士威從理論上推導出電磁輻射會對所有暴露在其下的物體表面施加壓力的事實,但是要測量光壓,在實驗室中還須要克服許多難題,因為光壓的大小非常微弱,所以一般要測量光壓是觀察光對懸褂在真空中的金屬薄片所產生的壓力,但容器中的殘存氣體分子在光照的薄片表面處擁有較多的熱能,因此也會對薄片有一壓力,這種效應稱為輻射計效應。1899年,列別捷夫成功地消除了輻射計效應,測量到與理論值相符合的光壓。1901年,又被尼古拉斯和赫爾經由實驗證實。現在我們可以利用尼古拉斯輻射計(利用幾片反射電磁輻射下仍可保持精確平衡的金屬板的儀器)偵測出光壓的存在。

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具有相同的數量級。當彗星在太陽旁通遇時,它的塵粒與氣體分子受到光壓的作用,形成彗尾。恒星能夠保持體形穩定不變是靠內部的光壓以及氣體分子間的壓力與萬有引力相互平衡而實現的,一般在恆星內部的溫度都非常高,恆星模型預測太陽在核心的溫度約1,500萬K,超巨星核心的溫度更高達10億K。光壓與溫度的四次方成正比,因此在太陽,輻射壓力與氣體壓力比較仍是微不足道的,但在大質量的恆星,輻射壓是會變成所有壓力中最主要的成分。

參考資料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure、中國大百科物理卷p.501

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