輻射壓

輻射壓(Radiation Pressure)
加州大學柏克萊分校物理系 2012 盧奕銓

• 定義及基本概念

電磁波（光）在傳遞時帶有動量，所以當電磁波打在物質上時，不論是被吸收或是被反射，都會對物質施力。就如同許多小球不斷地打在牆壁上，牆壁會受到力一樣。而每單位面積所受到電磁波的力，就稱為輻射壓，或是光壓。

輻射壓的大小，除了跟電磁波所攜帶的動量大小有關之外，也跟受力物質的特性有關：如果物質本身完全吸收入射電磁波，那麼光壓 \(P\) 就是

\(P=\frac{1}{A}\frac{p}{t}\)

 其中 \(p\) 是在 \(t\) 時間內入射在面積 \(A\)內的電磁波動量。如果物質本身完全反射了電磁波，表示動量變化是兩倍的 \(p\)，所以輻射壓也是兩倍大

\(P=\frac{1}{A}\frac{2p}{t}\)

如果受力物質本身完全透明，代表可見光可以完全穿透該物質，那麼可見光就不會對該物質造成任何輻射壓。所以，物質與電磁波如何交互作用，也會影響輻射壓的大小。

• 輻射壓理論

電磁波的動量如何傳遞到物質上，有古典及量子兩種解釋：

1. 古典理論：
   電磁波在傳遞時，電場和磁場都垂直於傳遞方向，如圖一所示。當電磁波遇到物質內的帶電粒子時，電場會驅動正電荷向上移動，而正電荷一旦有了速度，就會受到磁力 \(\vec{F}=q\vec{v}\times \vec{B}\) 而使電荷向物質的方向移動，所以對物質內部產生壓力。
   值得一提的是，如果物質內的電荷不能跟電場同步，那麼輻射壓的方向就不一定會指向物質本身。例如，如果物質內部只有完全自由的電荷，那麼用數學可以證明，電荷的運動有時候與電場同向，有時候反向，所以受到的磁力有時指向物質內部，有時指向物質外部，所以物質平均受力是零。幸好，一般物質，即使是完美的導體，其內部的電荷都不是完全自由的。用數學可以證明，電磁波如果打在一塊完美的平面導體上，導體電荷的集體行為會和電場完全同向，所以受到的磁力也永遠指向導體內部。
   

2. 量子理論：
   用量子論來解釋輻射壓就直觀許多：量子論中，電磁波是由許多移動的光子所組成，所以光子打到物質後，不論是被吸收還是被反射，動量都會傳遞到物質上。物質每單位時間所改變的光子動量就是力，除以受力面積之後就是壓力。

參考文獻

1. Griffiths, D. J. (2012), Introduction to Electrodynamics, 4th edition. Pearson.