什么是辐射压强?
辐射压强是指电磁辐射(光)作用于物体表面所产生的机械压强。由于光子携带动量,它们撞击任何物体时都会产生推力。虽然这种效应在日常生活中微乎其微,但对于太阳帆、太空尘埃颗粒、彗星尾巴以及大功率激光来说却举足轻重。本计算器具有普适性——它只依赖物理常数,适用于任何场景。
如何使用本计算器
输入光强 \(I\),单位为瓦特每平方米(W/m²)——例如,地球附近的太阳常数约为 1361 W/m²。接着选择物体表面是完全吸收还是完全反射。计算器会给出以帕斯卡(N/m²)为单位的辐射压强,以及该压强作用在一平方千米面积上所产生的总力。
公式详解
对于完全吸收的表面,入射光子的全部动量都被传递:$$P = \frac{\text{Intensity }I}{c}$$其中 \(c = 299{,}792{,}458 \ \text{m/s}\) 是光速。对于完全反射的表面,光子会反向弹回,因此传递的动量加倍:$$P = \frac{2\,\text{Intensity }I}{c}$$真实表面则介于这两种极端之间,具体取决于其反射率。
实例演算
假设强度为 \(I = 1361 \ \text{W/m}^2\) 的阳光照射在一面完全反射的太阳帆上。则 $$P = \frac{2 \times 1361}{299{,}792{,}458} \approx 9.08 \times 10^{-6} \ \text{Pa}$$在一平方千米(\(10^6 \ \text{m}^2\))的面积上,这会产生约 9.08 N 的力——虽然很小,但它持续作用,足以在一段时间内推动一面轻质太阳帆不断加速。
常见问题
为什么反射面的压强是吸收面的两倍?被反射的光子动量变化是其入射值的两倍(先停下再反向弹回),因此与被吸收相比,它传递的冲量加倍。
光强用什么单位?光强必须以 W/m² 为单位,计算出的压强则以帕斯卡(N/m²)为单位。
这和太阳风压强是一回事吗?不是。太阳风是一股带电粒子流;而这里的辐射压强仅由光(光子)产生。