光壓及其應用

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摘要：光壓是射在物體上的光所產生的壓力.由于光是由光子構成的.它由沒有靜態質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，并給撞擊物體以相應的作用及壓力.本文討論光壓在現代技術上的一些應用。

關鍵詞：光壓；光子；光子能量；能量傳遞

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2016）02-0273-01

1873年英國物理學家麥克斯韋創立了電磁理論.他指出光的本質是一種電磁波.他還預言：光射到物質表面時，將對這個物體的表面施加壓力，光有一定的壓力。

到了1887赫茲由實驗來證實了麥克斯韋的電磁理論.同時卻又發現了能直接的得出了對光的粒子性描述的光電效應.在1899年，俄國物理學家列別捷夫用實驗測得了光壓，證實了麥克斯韋的預言.到了1905年愛因斯坦發表了光子假設有進一步說明了光壓存在的合理性。

這就是它們在單位時間內傳遞給物體單位面積上的動量，即光壓。

按照愛因斯坦的光子假說和上面的光壓計算可以知道光壓實光對被照射物體單位面積上所施加的壓力，也成為輻射壓強.早在1748年歐拉就指出光壓得存在，這后英國物理學家麥克斯維首先用電磁場理論退證出來，并計算清甜的太陽對一平方米的黑體（能夠完全吸收入射電磁波的理想物體）表面的壓力為4.7×10-6N.距強度為100萬燭光的光源1m處的鏡面上，所受到的可見光的光壓只有10-5N/m.

從上面的數據我們可以知道光壓是很小的，所以我們只能感覺發暖，亦有壓力.只是因為感覺器官的限制而感覺不到.所以人們剛開始覺得光壓很小而沒有實際應用.那么光壓確實沒有應用嗎？

2.光壓的應用

著名的天文學家開普勒在400年前就曾設想不要帶任何能源，緊緊依靠太陽能就可以設宇宙帆船馳騁太空.到了1924年俄國航天事業的先驅康斯坦丁.齊偶爾克夫斯基和同事費里德里希.山德爾明指出《用找到很波的巨大反射鏡上的陽光所產生的推力獲得的宇宙速度》.正是山德爾德提出了太陽帆（太陽反射器）是一種包在硬質塑料上的超薄金屬帆的設想成為今天建造太陽帆的基礎。

太陽帆。太陽帆是一種不帶機械動裝置的輕便的航天器.他是一種靠太陽光壓作控制力和推理的新型航天器，其原理類似于普通帆船，只不過是產生動力不自然風而且是太陽光.當太陽照射帆面時，反面上反射出光子，按照動量定理，光子會對太陽帆施加一定的作力而推動零力的太陽帆前行.

從太陽來的光壓雖然很小，但以長期不斷的作用.理論上研究表明，在進入太空的航天器上拉起一張巨大的飯，可為航天器提供10萬分之一到千分之一地球重力加速度g的加速度.如果反面直徑300米，可匙500千克重的航天器嚴辦橢圓軌道，經過200多天的加速度后飛到火星.如果帆面直徑增大到2000米，則可使5噸重的飛船飛離太陽系。

由于來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以以每小時24萬公里的速度前進.這個速度要被當前以火箭推進的最快航天器快4-6倍.即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍.我們的太陽帆面積越大，我們獲得的推力也越大.飛船質量越小，所獲得的加速度就越大。

太陽帆飛船的優點是不要花費任何燃料成本，也沒有發動機.可攜帶根多科學儀器和貨物；確定是推力太低導致加速度過慢，同時遠離太陽的地方光壓會過低（此事不用人工主動照射來獲得推理.可采用聚光照射或主動發射能量光速兩種方法）.在距太陽1個天文單位的距離上（約相當于地日質心到太陽的距離）太陽光壓約為9×10-6N/m2。根據牛頓第二定律可算出太陽帆將會以 （0.03-1.00）×10-3m/s2的加速度暖慢運動.具體數值與太陽帆的重量面積比有關.由于太陽光壓能持續不斷的作用于飛船，故可逐漸將飛船推進到極高的速度.例如若飛船在太空中從靜止開始以0.5×10-3m/s2的加速度飛行.100天后時速度將達1.6萬千米.如果持續飛行3年，速度會提升到每小時16萬千米，相當于宇宙探測先驅"旅行者號"探測器時速度的3倍.在美國宇航局先進概念研究所專門從事太陽帆研究的朱伯倫博士認為，如果設合理，太陽帆的最高速度可達光速的2%，即6000千米/秒。果真如此，星航行將成為可能。

太陽帆目前已成為廣受青睞的宇航技術.俄羅斯，日本先后作過幾次模擬嘗試；美國也在研究太陽帆飛船，并為選擇太陽帆的制造材料作了大量測試.美國宇航局預計2010年太陽帆飛船將歷經15年以上的航程，飛行37億千米直到太陽系邊緣，或是攜帶儀器探測遙遠的冥王星.我們相信，在不遠的將來人類將有可能借助太陽帆邀游太空。

3.結論

現在利用光壓進行原子冷卻和捕陷，以及對介質微粒的操縱，已成為當今最熱門的研究課題之一.光壓不僅在物理方面應用而且在生命科學，化學以及工藝技術領域中有著廣泛的應用前景，越來越受到人們的重視。