光压的利用

摘 要：光压是光的粒子性的典型表现，当光照射到物体表面，光子被物体吸收或反射时，光都会对物体产生压强，这就是光压.太阳光帆推进器被科学家们视为目前唯一可使空间探测器到达太阳系外行星系的动力之源.

关键词：光量子；光压；太阳光帆；推进器

作者简介：冯玮，北京理工大学附属中学学生.

1 光量子理论

从1900年普朗克发现量子，到1913年玻尔分析氢光谱，物理学界突然爆发出一位卓越的物理学家，名叫阿尔伯特.爱因斯坦.爱因斯坦26岁那一年（1905年），一连发表了五篇论文，都很重要.其中有三篇成了物理学发展的轴心，在相当大的程度上，也是科学世界发展的轴心.这三篇论文，第一篇讲光的本质，第二篇讲分子运动，第三篇狭义相对论.第一篇使他得到了1921年诺贝尔奖.爱因斯坦说，光是由微粒构成的；一束光就好比一连串子弹.这些“子弹”叫光子，也称为光量子（light quantum）.

光撞击金属表面的时候，会从金属的原子上面撞出电子，电子便向外飞出去.爱因斯坦用光粒子理论来解释光电效应现象，光由光子（或光量子）构成；并且高频光的光子能量比低频光的光子多.

支持爱因斯坦光量子假说的一个实验结果是“康普顿效应”，是由圣路易斯的华盛顿大学教授康普顿在1922年研究X-射线散射时得到的，康普顿效应充分证明了量子力学的正确性，为此康普顿荣获1927年的诺贝尔物理奖，并首次用photon来称呼光量子.

2 光压

光压是光的粒子性的典型表现，光压的产生机理如同气体压强，由大量的气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上的压力就是气体的压强.当光照射到物体表面，光子被物体吸收或反射时，光都会对物体产生压强，这就是“光压”.

根据光量子理论，光子的动能为E=hv，动量为P，真空中的光速为c=λv，其中h是普朗克常数，v是光子的频率，λ是光子的波长.光子的能量和动量之间的关系：E=pc.

当光照射到物体表面时，光子和物体碰撞，设物体对光子的作用力为F，作用时间为t，由动量定理可知，当光子被物体完全吸收时，Ft=P；当光子被物体完全反射时，Ft=2P，由牛顿第三定律可知，光子对物体的作用力的大小等于F.当光子被完全反射时，产生的光压最大.

3 太阳光帆推进器

空间探测器是发射到宇宙深处的无人驾驶航天器，2005年11月欧洲向金星发射首枚探测器“金星快车”，我国也将在2020年以前向火星发射探测器.在太空探测中，动力问题是一个关键问题，现在研究出一种比较可行的方法是利用太阳帆推进器.太阳帆是特殊材料制成的非常轻而薄的聚酯金属薄膜.

20世纪20年代初，俄罗斯科学家最早提出了太阳帆的概念，而后科幻小说家阿瑟·克拉克以他的小说《太阳帆船》让太阳帆的概念深入人心.在距离相对较小的太空旅行中，太阳帆不可能取代使用化学燃料的火箭，因为它开始时的加速度非常小，可是，如果是进行远距离太空探索，太阳帆的优势就显示出来，它完全可以取代使用化学燃料的火箭，因为光压会给太阳帆一个恒定的推力，产生恒定的加速度，速度越来越快.与火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比，阳光是无限的动力之源.使长距离星际航行成为可能.

参考文献：

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[5][美]盖瑞·祖卡夫 著，廖世德 译.像物理学家一样思考[M].海南出版社，2012.

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