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  • 1 # 科技領航人

    因為光有動量,所有它會對其他物體產生推動力。但光沒有質量,按照經典物理學光應該不會有動量。而光確實具有動量,這是為什麼呢?

    動量可以被認為是一個物體由於其運動而推動另一個物體的能力。傳統上,動量定義為物體的質量乘以物體的速度,p = mv。由於光沒有質量,您可能會想說光沒有動量。此外,日常經驗似乎可以證實光沒有動力(Sunny不會像飛出去的棒球能將汽水瓶打翻)。

    但是,光確實以能量的形式攜帶動量。實際上,對於光子(光的最小位),能量E和動量p由簡單方程E = pc關聯,其中c是光速。光所攜帶的動量是如此之小,以至於我們在日常生活中不會注意到它。開啟燈泡時,我們不會被打倒,蠟燭發出的光也不會使窗簾搖晃。

    但是光的動量足夠大,可以測量,並且實際上可以在某些應用中使用。例如,鐳射冷卻機用鐳射從各個方向射出樣品,以便利用鐳射的動量來減慢樣品中的原子,從而冷卻樣品。在光阱(也稱為光鑷)中,光的動量用於捕獲和操縱小物體。太空探測器上的太陽帆會捕獲Sunny,並利用其動量推動探測器前進。

    有趣的是,光在真空中始終以相同的速度傳播,並且在非真空中則會慢很多。與棒球不同,光是透過降低頻率而不是降低速度來失去動量的。由於動量守恆定律,光攜帶動量這一事實對粒子相互作用具有深遠的影響。

    例如,如果電子和正電子以相同的速度從相反的方向彼此飛行,則它們的總動量為零。粒子相互湮滅並將其質量完全轉換為能量後,它們必須轉變為總動量為零的物體。單個光子不會,因為它帶有動量。但是,兩個沿相反方向傳播的光子加起來的總動量為零(因為它們沿相反方向傳播)。因此,電子-正電子湮滅事件總是產生兩個沿相反方向傳播的光子,而不僅僅是一個。

    此事實用於醫學正電子發射斷層掃描(PET)掃描以對人體組織成像。給病人注射放射性液體。當放射性化學物質在體內腐爛時,它們會釋放出正電子。每個正電子都會與病人體內的電子作用湮滅,從而產生兩個沿相反方向傳播的光子。機器可以檢測這兩個光子,並可以使用它們的方向和時間來確定它們的產生位置以及放射性液體的聚集位置。

  • 2 # 漫步科學

    不管是狹義上的可見光還是整個頻段的電磁波都具有力量,而且正如題目所說,光會對被射物體產生推力,這種效果我們可以稱之為“光壓”。

    光壓

    光對被照射物體表面產生的壓力稱之為光壓,也被稱為輻射壓。

    早在17世紀初,天文學家開普勒在研究天體運動時發現,彗星的尾巴總是背對著太陽,開普勒解釋這種現象時就運用到了光壓的概念。到19世紀中葉,麥克斯韋用電磁理論推算出,當一束光垂直射向完全吸收光的物體上(黑體)時,由光造成的壓強p=S/c,式中S為電磁場中的能流密度向量值,c為光速。20世紀初,俄國物理學家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫首次透過實驗證明了光壓的存在。

    光壓現象的解釋

    經典物理學認為,光壓就是光把自身動量傳遞給被照射物體的一種表現。光壓值的大小除了和光的動量密度有關外還和被照射物體表面的反射係數和光的入射角有關,如果一束光照射到黑體上,其光壓值為p,那麼這束光照射到完全反射光的物體上時,產生的光壓就是2p。

    光壓的微觀解釋就涉及到量子理論了,主要體現在光的粒子性(光具有波粒二象性),當光子的概念被提出後,光壓就可以看做是光子傳遞動量的一種過程。我們可以把光子看做是一個玻璃球,當一束光照射到物體表面時,大量的玻璃球持續碰撞該物體表面,在宏觀上就表現為持續的壓力,這種碰撞遵循動量守恆原理。

    終上所述,光壓就是光子將部分能量以碰撞的形式傳遞給被照射物體,是被照射物體產生動能變化,其他的能量一部分以反射離開被照射物體,另一部分則轉化成物體的熱能。

    光壓現象與應用

    光壓是一種非常小的力,日常生活中很難察覺,但是光壓依然滿足衝量定律。在太空中,由於光壓長時間的作用,這種力依然會產生很大的影響,比如彗星的尾巴由於光壓作用總是背對太陽;人造衛星由於光壓的作用也會產生軌道偏移的不利影響,同理利用光壓也可以對衛星進行軌道修正。

    依靠光壓原理,科學家構想出了一種依靠太Sunny壓力的航天器,巨大的太陽帆用來接收太Sunny產生的壓力,這種壓力就是航天器的動力。計算表明一個半徑為1千米的太陽帆,由光壓原理產生的推力可達1.5噸,而且光壓這種能量幾乎是取之不盡用之不竭的能量。

    “突破攝星”計劃,就利用到了光壓原理,一種郵票大小的探測器被鐳射施加壓力,理論上這種光壓作用可以使探測器飛行速度達到光速的五分之一。

  • 3 # 宇宙微塵4

    光在量子力學上稱謂光量子,具有波粒二象性,它既是波又是物質粒子,照射在任何物體上由於粒子的作用是有一定推力及壓力的,只是很輕微,作為人類身體是難以感覺推力的存在,但輕微的壓力刺激卻可以讓人在光的照射下難以入眠。如今的鐳射技術及其在實際上的應用尤其是在軍事武器上的使用充分說明了光量子存在的威力。

  • 4 # 星光之霖

    在上中學時就接觸過光壓這個概念。從根本上說,凡是以波的形式進行傳播的光,聲等都會有能量傳遞的現象存在(例如鐳射武器和聲波懸浮),也就是說,會產生一定的推力(壓力)。

    記得有一個晚上,被屋裡的日光燈晃得睡不著覺,就問在燈下苦讀的哥哥:“日光燈發出的壓力是不是會讓人睡不著覺呢?”記得哥哥說:“不要胡思亂想了,那樣的壓力小到可以忽略的!”

    後來透過報刊得知歐洲和日本的一些科學家,還提出了一種利用光壓的形式進行星際旅行的太陽帆的概念。因為地球上特定環境因素,使得太陽帆無法在地球大氣層內進行驗證和應用。

    但是地球大氣層之外的太空,由於接近真空,所以有著絕佳的驗證太陽帆的環境。

    因為沒有了空氣阻力,太陽帆可以進行速度的累加,不斷的加速。理論上最終可以達到近乎光速的速度飛行。

    因為脫離了大氣層內地球引力的影響,這也能讓太陽帆在太空中可以做得很大~面積越大,產生的推力也越大。(失重和沒有空氣阻力)

    同時,在太陽的附近光壓飛行器可以利用太Sunny。但在遠離太陽的地方,自身攜帶的鐳射發生器就派上了用場,它產生鐳射來推動太陽帆的飛行,這樣就變成了鐳射帆!這使得我們可以實現用極小的能量代價換取極高的速度,而且這也是長途星際旅行的理想載具~既兼具了高速,經濟,又有著極低的能耗……

    最後我們整理一下:光壓不但證明光本身是帶有能量的,也會在照射到物體表面時,使物體表面迸射出電子,進而產生光電效應,並因此帶來推力。

  • 5 # 彭曉韜

      首先,光是變化的電磁場,是一種力的傳遞方式;

      其次,光傳遞的電磁力只對帶電/磁體發生作用;

      再者,當光到達物體表面時,會使物體中的帶電/磁體產生狀態變化。這種狀態的變化與光的頻率、帶電/磁體的表面形態和電荷量/磁性有關。如果要使其產生推力,則需要物體表面的磁場或電荷受到光產生的變化電磁場作用時的力的方向穩定。但因光產生的是與其頻率相同的變化電磁場,與一般物體表面相互作用產生的力也會隨時間變化,不會是穩定方向的力。因此,在光產生的電磁場作用一週期間的總體力可能為0。除非物體表面的磁場和電荷與光照產生的電磁場能同步變化,這樣才有可能產生恆定方向的力。

      總之,光照射在物體表面上是有可能產生推力的,但要形成穩定的力的條件比較苛刻。特別是因為光產生的電場和磁場與光的運動方向垂直,使產生與物體表面垂直的力或存在一定夾角的力,則光照方向不能是垂直表面的。

      關於光的本性及相關問題,有興趣的朋友可參閱本人的以下文章:

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