Радиационное давление

Давление, оказываемое на любую поверхность, подвергающуюся воздействию электромагнитного излучения

Сила, действующая на отражатель, возникает в результате отражения потока фотонов.

Давление излучения (также известное как давление света ) — это механическое давление , оказываемое на поверхность вследствие обмена импульсом между объектом и электромагнитным полем . Сюда входит импульс света или электромагнитного излучения любой длины волны , которое поглощается , отражается или иным образом излучается (например, излучение черного тела ) материей любого масштаба (от макроскопических объектов до частиц пыли и молекул газа). ^{[1] [2] [3]} Соответствующая сила называется силой радиационного давления , а иногда просто силой света .

Силы, создаваемые радиационным давлением, обычно слишком малы, чтобы их можно было заметить в повседневных обстоятельствах; однако они важны в некоторых физических процессах и технологиях. В частности, это касается объектов в космическом пространстве , где обычно основной силой, действующей на объекты помимо гравитации, является суммарный эффект крошечной силы, который может иметь большой кумулятивный эффект в течение длительных периодов времени. Например, если бы влияние радиационного давления Солнца на космический корабль программы « Викинг » было проигнорировано, космический корабль промахнулся бы с орбиты Марса примерно на 15 000 км (9 300 миль). ^[4] Радиационное давление звездного света также имеет решающее значение в ряде астрофизических процессов. Значение радиационного давления быстро возрастает при чрезвычайно высоких температурах и иногда может затмить обычное давление газа , например, в недрах звезд и термоядерном оружии . Кроме того, большие лазеры, работающие в космосе, были предложены в качестве средства приведения в движение парусных судов с использованием лучевой энергии .

Силы радиационного давления являются основой лазерных технологий и отраслей науки, которые в значительной степени полагаются на лазеры и другие оптические технологии . Это включает, помимо прочего, биомикроскопию (где свет используется для облучения и наблюдения за микробами, клетками и молекулами), квантовую оптику и оптомеханику (где свет используется для исследования и управления такими объектами, как атомы, кубиты и макроскопические квантовые объекты). ). Прямыми приложениями силы радиационного давления в этих областях являются, например, лазерное охлаждение (предмет Нобелевской премии по физике 1997 г. ), ^[5] квантовое управление макроскопическими объектами и атомами (Нобелевская премия по физике 2012 г.), ^[6] интерферометрия (Нобелевская премия по физике 2017 г.) ^[7] и оптические пинцеты (Нобелевская премия по физике 2018 г.). ^[8]

Давление излучения можно с равным успехом объяснить, рассматривая импульс классического электромагнитного поля или импульсы фотонов , частиц света. Взаимодействие электромагнитных волн или фотонов с веществом может включать обмен импульсом . В соответствии с законом сохранения импульса любое изменение общего импульса волн или фотонов должно включать равное и противоположное изменение импульса вещества, с которым оно взаимодействовало ( третий закон движения Ньютона ), как показано в сопроводительном документе. рисунок для случая идеального отражения света от поверхности. Эта передача импульса является общим объяснением того, что мы называем радиационным давлением.

Открытие

Советская рублевая монета в память об открытии Лебедева

Иоганн Кеплер выдвинул концепцию радиационного давления в 1619 году, чтобы объяснить наблюдение о том, что хвост кометы всегда направлен в сторону от Солнца. ^[9]

Утверждение о том, что свет, как электромагнитное излучение , обладает свойством импульса и, таким образом, оказывает давление на любую поверхность, подвергающуюся его воздействию, было опубликовано Джеймсом Клерком Максвеллом в 1862 году и экспериментально доказано русским физиком Петром Лебедевым в 1900 году ^[10] и Эрнест Фокс Николс и Гордон Ферри Халл в 1901 году. ^[11] Давление очень мало, но его можно обнаружить, позволив излучению падать на тонко сбалансированную лопасть отражающего металла в радиометре Николса (это не следует путать с Радиометр Крукса , характерное движение которого вызвано не радиационным давлением, а потоком воздуха, вызванным перепадом температур.)

Теория

Давление излучения можно рассматривать как следствие сохранения импульса с учетом импульса, приписываемого электромагнитному излучению. Этот импульс можно одинаково хорошо рассчитать на основе электромагнитной теории или на основе объединенных импульсов потока фотонов, что дает идентичные результаты, как показано ниже.

Радиационное давление от импульса электромагнитной волны

Согласно теории электромагнетизма Максвелла, электромагнитная волна несет импульс, который передается непрозрачной поверхности, на которую она ударяется.

Поток энергии (излучение) плоской волны рассчитывается с помощью вектора Пойнтинга , величину которого мы обозначаем S. S , разделенная на скорость света, представляет собой плотность импульса на единицу площади (давления) электромагнитного поля. Итак, размерно вектор Пойнтинга равен S = ${\displaystyle \mathbf {S} =\mathbf {E} \times \mathbf {H} }$власть/область"="скорость выполнения работы/область"="Δ Ф/Δ тΔ х/область, что является скоростью света, c = Δx / Δt , умноженной на давление, ΔF / площадь . Это давление воспринимается как радиационное давление на поверхность:

$${\displaystyle P_{\text{incident}}={\frac {\langle S\rangle }{c}}={\frac {I_{f}}{c}}}$$

где – давление (обычно в паскалях ), – падающая освещенность (обычно в Вт/м ² ) и – скорость света в вакууме. Здесь, ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle I_{f}}$ ${\displaystyle c}$1/с≈3,34 Н/ГВт .

Если поверхность плоская под углом α к падающей волне, интенсивность на поверхности будет геометрически уменьшена на косинус этого угла, а составляющая силы излучения, действующей на поверхность, также будет уменьшена на косинус α, в результате чего в давлении:

$${\displaystyle P_{\text{incident}}={\frac {I_{f}}{c}}\cos ^{2}\alpha }$$

Импульс падающей волны направлен в том же направлении, что и эта волна. Но только составляющая этого импульса, нормальная к поверхности, способствует давлению на поверхность, как указано выше. Составляющая этой силы, касательная к поверхности, не называется давлением. ^[12]

Давление излучения от отражения

Приведенная выше трактовка падающей волны учитывает радиационное давление, испытываемое черным (полностью поглощающим) телом. Если волна зеркально отражена , то отдача от отраженной волны будет дополнительно способствовать давлению излучения. В случае идеального отражателя это давление будет идентично давлению, создаваемому падающей волной:

$${\displaystyle P_{\text{emitted}}={\frac {I_{f}}{c}}}$$

тем самым удваивая чистое радиационное давление на поверхности:

$${\displaystyle P_{\text{net}}=P_{\text{incident}}+P_{\text{emitted}}=2{\frac {I_{f}}{c}}}$$

Для частично отражающей поверхности второй член необходимо умножить на отражательную способность (также известную как коэффициент отражения интенсивности), чтобы увеличение было менее чем вдвое. Для диффузно отражающей поверхности необходимо учитывать детали отражения и геометрию, что снова приводит к увеличению чистого радиационного давления менее чем в два раза.

Радиационное давление за счет эмиссии

Точно так же, как волна, отраженная от тела, вносит свой вклад в испытываемое результирующее радиационное давление, тело, которое излучает собственное излучение (а не отраженное), получает радиационное давление, снова определяемое излучением этого излучения в направлении, нормальном к поверхности I _e :

$${\displaystyle P_{\text{emitted}}={\frac {I_{\text{e}}}{c}}}$$

Эмиссия может быть результатом излучения черного тела или любого другого радиационного механизма. Поскольку все материалы излучают излучение черного тела (если они не полностью отражающие или не имеют абсолютного нуля), этот источник радиационного давления повсеместен, но обычно крошечный. Однако, поскольку излучение черного тела быстро увеличивается с температурой (как четвертая степень температуры, определяемая законом Стефана-Больцмана ), давление излучения из-за температуры очень горячего объекта (или из-за падающего излучения черного тела от аналогичных жаркое окружение) может стать значительным. Это важно в звездных интерьерах.

Радиационное давление в единицах фотонов

Электромагнитное излучение можно рассматривать как частицы, а не волны; эти частицы известны как фотоны . Фотоны не имеют массы покоя; однако фотоны никогда не покоятся (они движутся со скоростью света) и, тем не менее, приобретают импульс, который определяется формулой:

$${\displaystyle p={\dfrac {h}{\lambda }}={\frac {E_{p}}{c}},}$$

phпостоянная Планкаλдлина волныcE _p

$${\displaystyle E_{p}=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}$$

Давление излучения снова можно рассматривать как передачу импульса каждого фотона непрозрачной поверхности плюс импульс из-за (возможного) фотона отдачи для (частично) отражающей поверхности. Поскольку падающая волна излучения I _f на площадь A имеет мощность I _f A , это подразумевает поток I _f / E _p фотонов в секунду на единицу площади, падающий на поверхность. Объединив это с приведенным выше выражением для импульса одиночного фотона, вы получите те же зависимости между излучением и давлением излучения, которые описаны выше с использованием классической электромагнетики. И снова, отраженные или иным образом испущенные фотоны будут вносить одинаковый вклад в суммарное радиационное давление.

Сжатие в однородном поле излучения

В общем случае давление электромагнитных волн можно получить из исчезновения следа тензора электромагнитных напряжений : поскольку этот след равен 3 P − u , получаем

$${\displaystyle P={\frac {u}{3}},}$$

u

Это также можно показать в конкретном случае давления, оказываемого на поверхности тела, находящегося в тепловом равновесии с окружающей средой, при температуре T : тело будет окружено однородным полем излучения, описываемым законом излучения черного тела Планка и будет испытывать сжимающее давление из-за падающего излучения, его отражения и собственного излучения черного тела. Отсюда можно показать, что результирующее давление равно одной трети полной лучистой энергии на единицу объема окружающего пространства. ^{[13] [14] [15] [16]}

Используя закон Стефана-Больцмана , это можно выразить как

$${\displaystyle P_{\text{compress}}={\frac {u}{3}}={\frac {4\sigma }{3c}}T^{4},}$$

где – постоянная Стефана–Больцмана . ${\displaystyle \sigma }$

Давление солнечной радиации

Давление солнечной радиации обусловлено излучением Солнца на более близких расстояниях, особенно в пределах Солнечной системы . (Радиационное давление солнечного света на Земле очень мало: оно эквивалентно давлению, оказываемому примерно миллиграммом на площадь в 1 квадратный метр, или 10 мкН/м 2 ^{, или} 10 ⁻¹⁰ атмосфер ^{. )} действует на все объекты, его суммарный эффект обычно больше на меньших телах, поскольку у них большее отношение площади поверхности к массе. Все космические корабли испытывают такое давление, за исключением случаев, когда они находятся в тени более крупного вращающегося тела .

Давление солнечного излучения на объекты вблизи Земли можно рассчитать, используя интенсивность солнечного излучения в 1  а.е. , известную как солнечная постоянная , или G _SC , значение которой установлено на уровне 1361  Вт / м ² по состоянию на 2011 год. ^[17]

Все звезды имеют спектральное распределение энергии , которое зависит от температуры их поверхности. Распределение примерно такое же, как у излучения черного тела . Это распределение необходимо учитывать, например , при расчете радиационного давления или выборе материалов отражателя для оптимизации солнечного паруса .

Мгновенное или многочасовое солнечное давление действительно может возрастать из-за солнечных вспышек и выбросов корональной массы , но последствия остаются практически неизмеримыми по отношению к орбите Земли. Однако это давление сохраняется на протяжении тысячелетий, в совокупности вызывая измеримое движение на орбите системы Земля-Луна.

Давление поглощения и отражения

Давление солнечного излучения на расстоянии Земли от Солнца можно рассчитать путем деления солнечной постоянной G _SC (выше) на скорость света c . Для поглощающего листа, обращенного к Солнцу, это просто: ^[18]

$${\displaystyle P={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}\approx 4.5\cdot 10^{-6}~{\text{Pa}}=4.5~\mu {\text{Pa}}.}$$

Этот результат выражен в паскалях , что эквивалентно Н/м ² ( ньютонам на квадратный метр). Для листа, расположенного под углом α к Солнцу, эффективная площадь A листа уменьшается на геометрический коэффициент, в результате чего в направлении солнечного света возникает сила :

$${\displaystyle F={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}(A\cos \alpha ).}$$

Чтобы найти составляющую этой силы, нормальную к поверхности, необходимо применить еще один косинусный коэффициент, в результате чего на поверхности появится давление P :

$${\displaystyle P={\frac {F\cos \alpha }{A}}={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}\cos ^{2}\alpha .}$$

Однако обратите внимание, что для того, чтобы учесть суммарное воздействие солнечной радиации, например, на космический корабль, нужно будет учитывать полную силу (в направлении от Солнца), заданную предыдущим уравнением, а не только компонент нормально к поверхности, которую мы называем «давлением».

Солнечная постоянная определяется для излучения Солнца на расстоянии до Земли, также известном как одна астрономическая единица (а.е.). Следовательно, на расстоянии R астрономических единиц ( таким образом, R безразмерен), применяя закон обратных квадратов , мы найдем:

$${\displaystyle P={\frac {G_{\text{SC}}}{cR^{2}}}\cos ^{2}\alpha .}$$

Наконец, учитывая не поглощающую, а идеально отражающую поверхность, давление удваивается за счет отраженной волны, в результате чего:

$${\displaystyle P=2{\frac {G_{\text{SC}}}{cR^{2}}}\cos ^{2}\alpha .}$$

Обратите внимание, что в отличие от поглощающего материала результирующая сила, действующая на отражающее тело, определяется именно этим давлением, действующим перпендикулярно поверхности, при этом касательные силы от падающей и отражающей волн нейтрализуют друг друга. На практике материалы не являются ни полностью отражающими, ни полностью поглощающими, поэтому результирующая сила будет представлять собой средневзвешенное значение сил, рассчитанных по этим формулам.

Возмущения радиационного давления

Давление солнечной радиации является источником орбитальных возмущений . Это существенно влияет на орбиты и траектории малых тел, включая все космические аппараты.

Давление солнечной радиации влияет на тела на большей части Солнечной системы. Маленькие тела поражаются сильнее, чем крупные, из-за их меньшей массы по отношению к площади поверхности. Космические аппараты поражаются наряду с естественными телами (кометами, астероидами, пылинками, молекулами газа).

Давление излучения приводит к возникновению сил и моментов на телах, которые могут изменять их поступательные и вращательные движения. Трансляционные изменения влияют на орбиты тел. Скорость вращения может увеличиваться или уменьшаться. Слабо агрегированные тела могут распасться при высоких скоростях вращения. Пылинки могут либо покинуть Солнечную систему, либо по спирали устремиться к Солнцу. ^[19]

Все тело обычно состоит из множества поверхностей, которые имеют разную ориентацию на теле. Фасеты могут быть плоскими или изогнутыми. У них будут разные территории. Они могут иметь оптические свойства, отличающиеся от других аспектов.

В любой конкретный момент некоторые грани подвергаются воздействию Солнца, а некоторые находятся в тени. Каждая поверхность, подвергающаяся воздействию Солнца, отражает, поглощает и излучает радиацию. Фасеты в тени излучают радиацию. Сумма давлений на всех гранях определяет результирующую силу и крутящий момент, действующие на тело. Их можно рассчитать, используя уравнения из предыдущих разделов. ^{[12] [18]}

Эффект Ярковского влияет на перемещение малого тела. Это происходит из-за того, что лицо, выходящее из солнечного света, имеет более высокую температуру, чем лицо, приближающееся к солнечному свету. Излучение, испускаемое более теплым лицом, более интенсивное, чем излучение противоположного лица, в результате чего на тело действует результирующая сила, влияющая на его движение. ^[20]

Эффект YORP представляет собой набор эффектов, расширяющих более раннюю концепцию эффекта Ярковского, но имеющих аналогичную природу. Это влияет на спиновые свойства тел. ^{[ нужна цитата ]}

Эффект Пойнтинга -Робертсона применим к частицам размером с зерно. С точки зрения пылинки, вращающейся вокруг Солнца, кажется, что солнечное излучение исходит немного вперед ( аберрация света ). Следовательно, поглощение этого излучения приводит к возникновению силы с составляющей, направленной против направления движения. (Угол аберрации невелик, поскольку излучение движется со скоростью света, тогда как пылинка движется на много порядков медленнее этой скорости.) В результате происходит постепенное спиральное движение пылинок к Солнцу. В течение длительных периодов времени этот эффект очищает большую часть пыли в Солнечной системе.

Хотя сила радиационного давления довольно мала по сравнению с другими силами, она неумолима. В течение длительных периодов времени суммарный эффект силы значителен. Такое слабое давление может оказывать заметное воздействие на мельчайшие частицы, такие как газовые ионы и электроны , и играет важную роль в теории эмиссии электронов от Солнца, кометного материала и так далее.

Поскольку отношение площади поверхности к объему (и, следовательно, массе) увеличивается с уменьшением размера частиц, пылевые частицы ( микрометрового размера) чувствительны к радиационному давлению даже во внешней части Солнечной системы. Например, на эволюцию внешних колец Сатурна существенное влияние оказывает радиационное давление.

Вследствие светового давления Эйнштейн ^[21] в 1909 г. предсказал существование «радиационного трения», которое будет препятствовать движению материи. Он писал: «Излучение будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, действующие на обе стороны, равны, если пластина покоится. Однако, если она находится в движении, от поверхности будет отражаться больше излучения, чем находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Таким образом, обратная сила давления, действующая на переднюю поверхность, больше, чем сила давления, действующая на заднюю. Следовательно, как равнодействующая двух сил, остается силой, противодействующей движению пластины и возрастающей с увеличением скорости пластины. Вкратце мы назовем возникающую в результате этого «радиационным трением».

Солнечные паруса

Солнечное плавание, экспериментальный метод движения космических кораблей , использует радиационное давление Солнца в качестве движущей силы. Идея межпланетного путешествия на свету была упомянута Жюлем Верном в его романе 1865 года «С Земли на Луну» .

Парус отражает около 90% падающего излучения. Поглощенные 10% излучаются от обеих поверхностей, при этом доля излучения от неосвещенной поверхности зависит от теплопроводности паруса. Парус имеет кривизну, неровности поверхности и другие незначительные факторы, влияющие на его характеристики.

Японское агентство аэрокосмических исследований ( JAXA ) успешно запустило в космос солнечный парус, который уже успешно привел в движение свою полезную нагрузку в рамках проекта IKAROS .

Космические эффекты радиационного давления

Радиационное давление оказало большое влияние на развитие космоса, от зарождения Вселенной до продолжающегося формирования звезд и формирования облаков пыли и газов в широком диапазоне масштабов. ^[22]

Ранняя вселенная

Фотонная эпоха — это фаза, когда в энергии Вселенной доминировали фотоны, между 10 секундами и 380 000 годами после Большого взрыва . ^[23]

Формирование и эволюция галактик

Облака Столпы Творения в туманности Орла сформированы радиационным давлением и звездными ветрами.

Процесс формирования и эволюции галактик начался на ранних этапах истории космоса. Наблюдения за ранней Вселенной убедительно свидетельствуют о том, что объекты росли снизу вверх (т.е. меньшие объекты сливались, образуя более крупные). Поскольку звезды таким образом формируются и становятся источниками электромагнитного излучения, радиационное давление звезд становится фактором динамики оставшегося околозвездного материала. ^[24]

Облака пыли и газов

Гравитационное сжатие облаков пыли и газов находится под сильным влиянием радиационного давления, особенно когда конденсации приводят к рождению звезд. Более крупные молодые звезды, формирующиеся внутри сжатых облаков, излучают интенсивные уровни радиации, которые смещают облака, вызывая либо дисперсию, либо конденсацию в близлежащих регионах, что влияет на уровень рождаемости в этих близлежащих регионах.

Скопления звезд

Звезды преимущественно формируются в областях больших облаков пыли и газа, образуя звездные скопления . Давление излучения звезд-членов в конечном итоге рассеивает облака, что может оказать глубокое влияние на эволюцию скопления.

Многие рассеянные скопления по своей природе нестабильны и имеют достаточно небольшую массу, поэтому скорость убегания системы ниже средней скорости составляющих звезд. Эти скопления быстро рассеются в течение нескольких миллионов лет. Во многих случаях удаление газа, из которого образовалось скопление, под действием радиационного давления горячих молодых звезд уменьшает массу скопления настолько, что позволяет быстрое рассеяние.

Протопланетный диск с просветленной центральной областью (задумка художника).

Звездообразование

Звездообразование — это процесс, при котором плотные области молекулярных облаков в межзвездном пространстве разрушаются, образуя звезды . Как раздел астрономии , звездообразование включает изучение межзвездной среды и гигантских молекулярных облаков (ГМО) как предшественников процесса звездообразования, а также изучение протозвезд и молодых звездных объектов как его непосредственных продуктов. Теория звездообразования, помимо объяснения образования одиночной звезды, должна также учитывать статистику двойных звезд и начальную функцию масс .

Звездные планетные системы

Обычно считается, что планетарные системы формируются как часть того же процесса, который приводит к образованию звезд . Протопланетный диск формируется в результате гравитационного коллапса молекулярного облака , называемого солнечной туманностью , а затем превращается в планетарную систему в результате столкновений и гравитационного захвата. Давление излучения может очистить область в непосредственной близости от звезды. Поскольку процесс формирования продолжается, радиационное давление продолжает играть роль, влияя на распределение материи. В частности, пыль и зерна могут проникать в звезду по спирали или покидать звездную систему под действием радиационного давления.

Комета Хейла–Боппа (C/1995 O1). Хорошо видно воздействие радиационного давления и солнечного ветра на пылевые и газовые хвосты.

Звездные интерьеры

В недрах звезд температура очень высока. Звездные модели предсказывают температуру 15 МК в центре Солнца , а в ядрах звезд- сверхгигантов температура может превышать 1 ГК. Поскольку радиационное давление масштабируется как четвертая степень температуры, оно становится важным при таких высоких температурах. На Солнце радиационное давление все еще довольно мало по сравнению с давлением газа. В самых тяжелых невырожденных звездах радиационное давление является доминирующей составляющей давления. ^[25]

Кометы

Давление солнечной радиации сильно влияет на хвосты комет . Солнечное нагревание приводит к выделению газов из ядра кометы , которые также уносят пылинки. Давление излучения и солнечный ветер затем отгоняют пыль и газы в сторону от Солнца. Газы обычно образуют прямой хвост, в то время как более медленно движущиеся частицы пыли создают более широкий изогнутый хвост.

Лазерное применение радиационного давления

Оптические пинцеты

Лазеры можно использовать в качестве источника монохроматического света с длиной волны . С помощью набора линз можно сфокусировать лазерный луч в точку диаметром (или ). ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle r=\lambda /2}$

Таким образом , давление излучения лазера P = 30 мВт с λ = 1064 нм можно рассчитать следующим образом.

Область:

$${\displaystyle A=\pi \left({\frac {\lambda }{2}}\right)^{2}\approx 10^{-12}{\text{ m}}^{2},}$$

сила:

$${\displaystyle F={\frac {P}{c}}={\frac {30{\text{ mW}}}{299792458{\text{ m/s}}}}\approx 10^{-10}{\text{ N}},}$$

давление:

$${\displaystyle p={\frac {F}{A}}\approx {\frac {10^{-10}{\text{ N}}}{10^{-12}{\text{ m}}^{2}}}=100{\text{ Pa}}.}$$

Это используется для улавливания или левитации частиц в оптических пинцетах .

Взаимодействие света и материи

В этой оптико-механической полости свет улавливается и усиливается между двумя зеркалами. Одно из зеркал прикреплено к пружине и может двигаться. Сила радиационного давления света, циркулирующего в резонаторе, может демпфировать или усиливать колебания зеркала на пружине.

Отражение лазерного импульса от поверхности упругого твердого тела может привести к возникновению различных типов упругих волн, распространяющихся внутри твердого тела или жидкости. Другими словами, свет может возбуждать и/или усиливать движение материалов и внутри них. Это предмет изучения в области оптомеханики. Самыми слабыми волнами обычно являются те, которые генерируются радиационным давлением, действующим при отражении света. Такие упругие волны, индуцированные световым давлением, например, наблюдались внутри диэлектрического зеркала со сверхвысокой отражательной способностью . ^[26] Эти волны являются самым основным отпечатком взаимодействия света и твердого вещества в макроскопическом масштабе. ^[27] В области оптомеханики полостей свет улавливается и резонансно усиливается в оптических полостях , например, между зеркалами. Это служит цели значительного увеличения мощности света и радиационного давления, которое он может оказывать на объекты и материалы. Оптическое управление (то есть манипулирование движением) множеством объектов было реализовано: от километровых лучей (таких как в интерферометре LIGO ) ^[28] до облаков атомов ^[29] и микроинженерных батутов ^{[ 30]} к сверхтекучим . ^{[31] [32]}

В этой оптомеханической системе сила радиационного давления используется для обнаружения отдельной молекулы белка . Лазерный свет взаимодействует со стеклянной сферой : сила давления излучения заставляет ее вибрировать. Присутствие единственной молекулы на сфере нарушает эту (тепловую) вибрацию, и нарушение движения сферы можно обнаружить в спектре осциллятора слева. ^[33]

В отличие от возбуждения или усиления движения, свет также может ослаблять движение объектов. Лазерное охлаждение — это метод охлаждения материалов, очень близкий к абсолютному нулю , путем преобразования части энергии движения материала в свет. Кинетическая энергия и тепловая энергия материала здесь являются синонимами, поскольку они представляют собой энергию, связанную с броуновским движением материала. Атомы, движущиеся к источнику лазерного света, воспринимают эффект Доплера , настроенный на частоту поглощения целевого элемента. Давление излучения на атом замедляет движение в определенном направлении до тех пор, пока эффект Доплера не выйдет за пределы частотного диапазона элемента, вызывая общий эффект охлаждения. ^[34]

Еще одним активным направлением исследований взаимодействия лазера с веществом является ускорение радиационным давлением ионов или протонов от мишеней из тонкой фольги. ^[35] Пучки ионов высокой энергии могут генерироваться для медицинских целей (например, в ионной лучевой терапии ^[36] ) за счет давления излучения коротких лазерных импульсов на ультратонкую фольгу.

Смотрите также

• Поглощение (электромагнитное излучение)
• Оптомеханика резонаторов
• Лазерное охлаждение
• ЛИГО
• Оптические пинцеты
• Фотон
• Вектор Пойнтинга
• Теорема Пойнтинга
• Эффект Пойнтинга-Робертсона
• Квантовая оптика
• Солнечная постоянная
• Солнечный парус
• Солнечный лучик
• Корпускулярно-волновой дуализм
• Эффект Ярковского
• Эффект Ярковского – О'Кифа – Радзиевского – Падака.

Рекомендации

1. Звездные атмосферы , Д. Михалас (1978), второе издание, WH Freeman & Co.
2. Эддингтон, AS, и Эддингтон, AS (1988). Внутреннее строение звезд . Издательство Кембриджского университета.
3. Чандрасекхар, С. (2013). Радиационный перенос . Курьерская корпорация.
4. Юджин Хехт, «Оптика», 4-е издание, с. 57.
5. Коэн-Таннуджи, Клод Н. (1 июля 1998 г.). «Нобелевская лекция: Управление атомами с помощью фотонов». Обзоры современной физики . 70 (3): 707–719. Бибкод : 1998RvMP...70..707C. дои : 10.1103/RevModPhys.70.707 . ISSN  0034-6861.
6. Вайнленд, Дэвид Дж. (12 июля 2013 г.). «Нобелевская лекция: Суперпозиция, запутанность и воспитание кота Шредингера». Обзоры современной физики . 85 (3): 1103–1114. Бибкод : 2013RvMP...85.1103W. дои : 10.1103/RevModPhys.85.1103 . ISSN  0034-6861.
7. Вайс, Райнер (18 декабря 2018 г.). «Нобелевская лекция: LIGO и открытие гравитационных волн I». Обзоры современной физики . 90 (4): 040501. Бибкод : 2018RvMP...90d0501W. doi : 10.1103/RevModPhys.90.040501 .
8. Ширбер, Майкл (04 октября 2018 г.). «Нобелевская премия — лазеры как инструменты». Физика . 11 : 100. Бибкод : 2018PhyOJ..11..100S. дои : 10.1103/физика.11.100. S2CID  125788399.
9. Иоганн Кеплер (1619). Де Кометис Либелли Трес.
10. П. Лебедев, 1901, «Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes», Annalen der Physik , 1901 Series 4 6, 433-458.
11. Николс, Э. Ф. и Халл, Г. Ф. (1903) Давление из-за радиации, Астрофизический журнал , Том 17, № 5, стр. 315-351
12. Райт, Джером Л. (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers
13. Шанкар Р. Принципы квантовой механики (PDF) (2-е изд.).
14. Кэрролл, Брэдли В.; Дейл А. Остли. Введение в современную астрофизику (2-е изд.).
15. Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика .
16. Кардар, Мехран. «Статистическая физика частиц».
17. Копп, Г.; Лин, Дж.Л. (2011). «Новое, более низкое значение общего солнечного излучения: доказательства и климатическое значение». Письма о геофизических исследованиях . 38 (1): н/д. Бибкод : 2011GeoRL..38.1706K. дои : 10.1029/2010GL045777 .
18. Георгевич, Р.М. (1973) «Модель сил давления и крутящих моментов солнечного излучения», Журнал астронавтических наук , Vol. 27, № 1, январь–февраль. Первая известная публикация, описывающая, как давление солнечного излучения создает силы и крутящие моменты, воздействующие на космический корабль.
19. В центре, Космический полет Годдарда НАСА. «Модели пыли изображают вид Солнечной системы пришельцами (с видео)». физ.орг . Проверено 01 марта 2022 г.
20. Вокругицкий, Дэвид; Боттке, Уильям Ф. (2 мая 2012 г.). «Эффекты Ярковского и YORP». Схоларпедия . 7 (5): 10599. arXiv : 1502.01249 . Бибкод : 2012SchpJ...710599B. doi : 10.4249/scholarpedia.10599 . ISSN  1941-6016.
21. Эйнштейн, А. (1989). О развитии наших взглядов на природу и строение радиации. В переводе: Собрание сочинений Альберта Эйнштейна . Том. 2. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 391.
22. Карел Велан, А. (1992), «Рождение первого поколения звезд», Мультивселенный космос , Springer US, стр. 267–278, doi : 10.1007/978-1-4684-6030-8_22, ISBN 9781468460322
23. Ранняя вселенная . Унру, В.Г., Семенов, Г.В., Организация Североатлантического договора. Отдел по научной работе. Дордрехт: Д. Рейдель. 1988. ISBN 9027726191. ОСЛК  16684785.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
24. Лонгэйр, Малкольм С., 1941- (2008). Формирование галактик . Спрингер. ISBN 9783540734772. ОСЛК  212409895.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
25. Дейл А. Остли и Брэдли В. Кэрролл, Введение в современную астрофизику (2-е издание), стр. 341, Пирсон, Сан-Франциско, 2007 г.
26. Пожар, Т.; Можина, Ю. (2013). «Измерение упругих волн, вызванных отражением света». Письма о физических отзывах . 111 (18): 185501. Бибкод : 2013PhRvL.111r5501P. doi : 10.1103/Physrevlett.111.185501. ПМИД  24237537.
27. Пожар, Т.; Лалош, Дж.; Бабник А.; Петковшек Р.; Бетьюн-Уодделл, М.; Чау, К.Дж.; Лукасевич, ГВБ; Астрат, NGC (2018). «Изолированное обнаружение упругих волн, движимых импульсом света». Природные коммуникации . 9 (1): 3340. Бибкод : 2018NatCo...9.3340P. дои : 10.1038/s41467-018-05706-3. ПМК 6105914 . ПМИД  30131489. 
28. Джонстон, Хэмиш (10 декабря 2019 г.). «Квантовое сжатие повышает производительность детекторов гравитационных волн LIGO и Virgo». Мир Физики .
29. Шрепплер, Сидней; Спетманн, Николас; Брамс, Натан; Боттер, Тьерри; Барриос, Мэрироуз; Стампер-Курн, Дэн М. (27 июня 2014 г.). «Оптическое измерение силы вблизи стандартного квантового предела». Наука . 344 (6191): 1486–1489. arXiv : 1312.4896 . Бибкод : 2014Sci...344.1486S. дои : 10.1126/science.1249850. ISSN  0036-8075. PMID  24970079. S2CID  206554506.
30. Клекнер, Дастин; Маршалл, Уильям; де Дуд, Мишель Дж.А.; Диньяри, Ходадад Нима; Порс, Барт-Ян; Ирвин, Уильям ТМ; Бауместер, Дирк (2 мая 2006 г.). «Высокоточная оптико-механическая полость с подвижным зеркалом размером тридцать микрон». Письма о физических отзывах . 96 (17): 173901. Бибкод : 2006PhRvL..96q3901K. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.173901. hdl : 1887/65506 . PMID  16712296. S2CID  1801710.
31. Харрис, Дж.И.; Макослан, DL; Шеридан, Э.; Сачков Ю.; Бейкер, К.; Боуэн, WP (2016). «Лазерное охлаждение и управление возбуждениями в сверхтекучем гелии». Физика природы . 12 (8): 788–793. arXiv : 1506.04542 . Бибкод : 2016NatPh..12..788H. дои : 10.1038/nphys3714. ISSN  1745-2481. S2CID  118135792.
32. Кашканова, А.Д.; Шкарин, А.Б.; Браун, CD; Флауэрс-Джейкобс, Невада; Чилдресс, Л.; Хох, Юго-Запад; Хоманн, Л.; Отт, К.; Райхель, Дж.; Харрис, JGE (2017). «Сверхтекучая оптомеханика Бриллюэна». Физика природы . 13 (1): 74–79. arXiv : 1602.05640 . Бибкод : 2017NatPh..13...74K. дои : 10.1038/nphys3900. ISSN  1745-2481. S2CID  10880961.
33. Ю, Вэньян; Цзян, Вэй С.; Линь, Цян; Лу, Тао (27 июля 2016 г.). «Полостое оптомеханическое пружинное зондирование одиночных молекул». Природные коммуникации . 7 (1): 12311. arXiv : 1504.03727 . Бибкод : 2016NatCo...712311Y. дои : 10.1038/ncomms12311 . ISSN  2041-1723. ПМЦ 4974467 . ПМИД  27460277. 
34. Аспельмейер, Маркус; Киппенберг, Тобиас Дж.; Марквардт, Флориан (30 декабря 2014 г.). «Резонаторная оптомеханика». Обзоры современной физики . 86 (4): 1391–1452. arXiv : 1303.0733 . Бибкод : 2014RvMP...86.1391A. doi : 10.1103/RevModPhys.86.1391. S2CID  119252645.
35. Мейнхольд, Тим Арнико; Кумар, Навин (декабрь 2021 г.). «Ускорение протонов радиационным давлением из структурированных мишеней из тонкой фольги». Журнал физики плазмы . 87 (6): 905870607. arXiv : 2111.14087 . Бибкод : 2021JPlPh..87f9007M. дои : 10.1017/S0022377821001070 . ISSN  0022-3778. S2CID  244636880.
36. Малка, Виктор; Фрицлер, Свен; Лефевр, Эрик; д'Юмьер, Эммануэль; Ферран, Режис; Грийон, Жорж; Альбаре, Клод; Мейронейнк, Самуэль; Шамбаре, Жан-Поль; Антонетти, Андре; Хулен, Даниэль (27 мая 2004 г.). «Практическая целесообразность протонной терапии с использованием компактных лазерных систем». Медицинская физика . 31 (6): 1587–1592. Бибкод : 2004MedPh..31.1587M. дои : 10.1118/1.1747751. ПМИД  15259663.

дальнейшее чтение

• Демир, Дилек, «Настольная демонстрация радиационного давления», 2011, дипломная работа, E-Theses univie.