Áp suất bức xạ là gì?
Áp suất bức xạ là áp lực cơ học mà bức xạ điện từ (ánh sáng) tác dụng lên một bề mặt. Vì các photon mang động lượng nên chúng "đẩy" vào bất kỳ vật nào mà chúng va chạm. Dù trong đời sống hằng ngày hiệu ứng này rất nhỏ, nó lại đóng vai trò quan trọng đối với buồm năng lượng mặt trời, các hạt bụi trong vũ trụ, đuôi sao chổi và những chùm laser công suất cao. Máy tính này mang tính phổ quát — nó chỉ dựa trên các hằng số vật lý và áp dụng được trong mọi bối cảnh.
Cách sử dụng máy tính
Nhập cường độ ánh sáng I theo đơn vị watt trên mét vuông (W/m²) — ví dụ, hằng số mặt trời gần Trái Đất vào khoảng 1361 W/m². Sau đó chọn xem bề mặt là hấp thụ hoàn toàn hay phản xạ hoàn toàn. Công cụ sẽ trả về áp suất bức xạ tính bằng pascal (N/m²) cùng tổng lực mà áp suất này tạo ra trên diện tích một kilômét vuông.
Giải thích công thức
Đối với bề mặt hấp thụ hoàn toàn, toàn bộ động lượng của photon tới được truyền sang bề mặt:
$$P = \frac{\text{Cường độ }I}{c}$$trong đó \(c = 299{.}792{.}458\) m/s là tốc độ ánh sáng. Đối với bề mặt phản xạ hoàn toàn, các photon đảo chiều chuyển động, nên động lượng truyền vào gấp đôi:
$$P = \frac{2\,\text{Cường độ }I}{c}$$Bề mặt thực tế nằm giữa hai trường hợp giới hạn này, tùy thuộc vào độ phản xạ.
Ví dụ minh họa
Giả sử ánh sáng mặt trời với cường độ \(I = 1361\) W/m² chiếu vào một buồm năng lượng mặt trời phản xạ hoàn toàn. Khi đó
$$P = \frac{2 \times 1361}{299{.}792{.}458} \approx 9{,}08 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$$Trên diện tích một kilômét vuông (\(10^6\) m²), điều này tạo ra một lực khoảng 9,08 N — tuy nhỏ nhưng tác động liên tục và dần dần gia tốc cho một cánh buồm nhẹ theo thời gian.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao áp suất phản xạ lại gấp đôi? Một photon bị phản xạ thay đổi động lượng bằng hai lần giá trị ban đầu của nó (nó dừng lại rồi bật ngược trở lại), nên truyền xung lượng gấp đôi so với khi bị hấp thụ.
Cường độ dùng đơn vị nào? Cường độ phải tính bằng W/m². Áp suất thu được sẽ tính bằng pascal (N/m²).
Đây có giống với áp suất gió mặt trời không? Không. Gió mặt trời là dòng các hạt tích điện; còn áp suất bức xạ ở đây chỉ đến từ ánh sáng (photon).
