光壓的利用

摘 要：光壓是光的粒子性的典型表現(xiàn)，當光照射到物體表面，光子被物體吸收或反射時，光都會對物體產(chǎn)生壓強，這就是光壓.太陽光帆推進器被科學家們視為目前唯一可使空間探測器到達太陽系外行星系的動力之源.

關(guān)鍵詞：光量子；光壓；太陽光帆；推進器

作者簡介：馮瑋，北京理工大學附屬中學學生.

1 光量子理論

從1900年普朗克發(fā)現(xiàn)量子，到1913年玻爾分析氫光譜，物理學界突然爆發(fā)出一位卓越的物理學家，名叫阿爾伯特.愛因斯坦.愛因斯坦26歲那一年（1905年），一連發(fā)表了五篇論文，都很重要.其中有三篇成了物理學發(fā)展的軸心，在相當大的程度上，也是科學世界發(fā)展的軸心.這三篇論文，第一篇講光的本質(zhì)，第二篇講分子運動，第三篇狹義相對論.第一篇使他得到了1921年諾貝爾獎.愛因斯坦說，光是由微粒構(gòu)成的；一束光就好比一連串子彈.這些“子彈”叫光子，也稱為光量子（light quantum）.

光撞擊金屬表面的時候，會從金屬的原子上面撞出電子，電子便向外飛出去.愛因斯坦用光粒子理論來解釋光電效應現(xiàn)象，光由光子（或光量子）構(gòu)成；并且高頻光的光子能量比低頻光的光子多.

支持愛因斯坦光量子假說的一個實驗結(jié)果是“康普頓效應”，是由圣路易斯的華盛頓大學教授康普頓在1922年研究X-射線散射時得到的，康普頓效應充分證明了量子力學的正確性，為此康普頓榮獲1927年的諾貝爾物理獎，并首次用photon來稱呼光量子.

2 光壓

光壓是光的粒子性的典型表現(xiàn)，光壓的產(chǎn)生機理如同氣體壓強，由大量的氣體分子與器壁的頻繁碰撞產(chǎn)生了持續(xù)均勻的壓力，器壁在單位面積上的壓力就是氣體的壓強.當光照射到物體表面，光子被物體吸收或反射時，光都會對物體產(chǎn)生壓強，這就是“光壓”.

根據(jù)光量子理論，光子的動能為E=hv，動量為P，真空中的光速為c=λv，其中h是普朗克常數(shù)，v是光子的頻率，λ是光子的波長.光子的能量和動量之間的關(guān)系：E=pc.

當光照射到物體表面時，光子和物體碰撞，設物體對光子的作用力為F，作用時間為t，由動量定理可知，當光子被物體完全吸收時，F(xiàn)t=P；當光子被物體完全反射時，F(xiàn)t=2P，由牛頓第三定律可知，光子對物體的作用力的大小等于F.當光子被完全反射時，產(chǎn)生的光壓最大.

3 太陽光帆推進器

空間探測器是發(fā)射到宇宙深處的無人駕駛航天器，2005年11月歐洲向金星發(fā)射首枚探測器“金星快車”，我國也將在2020年以前向火星發(fā)射探測器.在太空探測中，動力問題是一個關(guān)鍵問題，現(xiàn)在研究出一種比較可行的方法是利用太陽帆推進器.太陽帆是特殊材料制成的非常輕而薄的聚酯金屬薄膜.

20世紀20年代初，俄羅斯科學家最早提出了太陽帆的概念，而后科幻小說家阿瑟·克拉克以他的小說《太陽帆船》讓太陽帆的概念深入人心.在距離相對較小的太空旅行中，太陽帆不可能取代使用化學燃料的火箭，因為它開始時的加速度非常小，可是，如果是進行遠距離太空探索，太陽帆的優(yōu)勢就顯示出來，它完全可以取代使用化學燃料的火箭，因為光壓會給太陽帆一個恒定的推力，產(chǎn)生恒定的加速度，速度越來越快.與火箭和航天飛機迅速消耗完的燃料相比，陽光是無限的動力之源.使長距離星際航行成為可能.

參考文獻：

[1]劉進軍.遙遠的使命——空間探測[J].科學24小時，2010（06）：6-9.

[2]全國高中應用物理競賽輔導[M].北京：北京師范大學出版社，2016.

[3][美]弗·卡約里 著，戴念祖 譯.物理學史[M].廣西師范大學出版社，2009.

[4][美]喬治·伽莫夫，[英]羅素· 斯坦納德 著，吳伯澤 譯.物理世界奇遇記[M].科學出版社，2012.

[5][美]蓋瑞·祖卡夫 著，廖世德 譯.像物理學家一樣思考[M].海南出版社，2012.

[6]施堅. “光壓”及其應用[J]. 科學大眾·科學教育，2009（7）：63.endprint