A nyomást a sugárzás vagy a sugárzási nyomás a mechanikai nyomás fejt ki a felületén az egyik cseréje révén időt a tárgy és a elektromágneses mező . Ez magában foglalja bármilyen hullámhosszúságú fény- vagy elektromágneses sugárzás impulzusát , amelyet az anyag bármilyen léptékben elnyel, visszaver vagy más módon kibocsát (pl. Fekete test sugárzása ) (makroszkopikus tárgyak porszemcséi átjutnak a gázmolekulákon).
Ez a nyomás az analóg a sugárzás a gáznyomás és a, mint ez, társított átadása térfogat lendületet adott terjedési iránya, pontosabban az áramlás ennek a mennyiségnek. Egysége a paschal (Pa).
Ezért termodinamikus mennyiség , még akkor is, ha szorosan kapcsolódik az elektromágnesesség által adott leíráshoz. Ennek a kapcsolatnak köszönhető, hogy a kis méretű (a hullámhosszal azonos nagyságrendű ) részecskére gyakorolt nyomás kiterjesztésével beszélünk , amely jelenség csak az elektromágnesesség számára hozzáférhető.
Ezt a fogalmat a plazmafizikával , az asztrofizikával és a csillagfizikával kapcsolatos számos területen használják . Az elektromágneses aspektus jelen van a részecskék manipulálásában.
A sugárzási nyomás által generált erők általában túl gyengék ahhoz, hogy mindennapi körülmények között észrevegyék őket; ezek azonban fontosak bizonyos fizikai folyamatokban. Ez különösen érvényes azokra a tárgyakra, amelyek a térben helyezkednek el, ahol a gravitáció mellett ez általában a tárgyakra ható fő erő, és ahol az apró erő nettó hatása hosszú időn keresztül nagy kumulatív hatást gyakorolhat. Például, ha figyelmen kívül hagyták volna a nap sugárzásának a Viking program űrhajójára gyakorolt hatásait , az űrszonda megközelítőleg 15 000 km-rel elmulasztotta volna a Mars pályáját . A csillagfény sugárzási nyomása számos asztrofizikai folyamatban is döntő jelentőségű . A sugárzás nyomásának nagysága rendkívül magas hőmérsékleten gyorsan növekszik, és néha elhomályosíthatja a szokásos gáznyomást , például a csillagok belső terében és a termonukleáris fegyverekben .
A sugárzás dinamikus hatását elsőként Johannes Kepler mozdította elő, aki az üstökös farkának orientációját a napsugárzás áramlásával magyarázta (1619).
A falon lévő elektromágneses hullám által generált erőket elméletileg James Maxwell magyarázta el 1873-ban. Ezt követően az erőfeszítések az elektromágneses megközelítés és a termodinamika vagy a statisztikai fizika közötti kapcsolatra összpontosultak . Az első próbálkozás a nyomás termodinamikai megközelítéssel történő mérésére Adolfo Bartolinak 1884-ben és Pjotr Lebedevnek 1900-ban vezethető vissza . Ernest Nichols és Gordon Hull (in) fontos kísérleteket végeztek, amelyek egyidejűleg mutatták ki a kapcsolatot a felszínen bekövetkező energia és lendület között. az energia mérése bolometriával és lendülettel egy erre a célra kifejlesztett radiométerrel ( Nichols radiométer ) 1901-ben és 1903-ban.
A gáz vagy a sugárzási nyomás klasszikusan a jelenség által generált erő, amely a felületre vonatkozik. Ez fizikailag és logikailag nem helyes:
A szigor érdekében ezért megadunk egy formális meghatározást, amely a jelenség jellege, nevezetesen a fotonhalmaz térfogatimpulzusának áramlása alapján történik.
Természetesen az elektromágneses aspektus áll a háttérben, és Maxwell egyenleteiből kiszámíthatjuk (bizonyos esetekben meg kell) a falra vagy egy részecskére gyakorolt erőt . Még mindig beszélünk ebben az esetben a sugárzási nyomásról, bár ez nem felel meg a természetes fizikai változónak.
A nyomás fogalma statisztikai fizikát és termodinamikát igényel. Ez igaz az atomokból vagy molekulákból képződött gázra, de a fotonok gázára is .
Sugárzás jellemzi a fotonok száma egységnyi térfogatban frekvencia közötti ν és ν + d ν mozog a kúp d Ω körül az irányt Ω . Ezért f ν ( Ω ) szögeloszlásról van szó . A 0n a spektrum fényerejét használja
ahol c jelentése a fénysebesség és h a Planck-állandó . Ez a mennyiség az alapvető funkció a sugárzási transzfer vizsgálatában .
F ν- t írhatunk formába
ahol n ν a részecske sűrűsége és g ν az egységgömbön történő integrációval normalizált szögeloszlás
A fénysugarak tehát összegezhetők, mint a fotonok száma, mivel nincs foton-foton kölcsönhatás.
A foton lendülete az
Ezért kapcsolódik a fényerősséghez
p ν egy spektrális sugárzási nyomás, a felületen lévő fluxus normális az impulzus térfogatsűrűségének Ω- ig . A nyomás tehát összegezhető.
Ezt a fogalmat az alábbiakban általánosítjuk.
A sugárzási nyomás a tenzortermékből kapott, szimmetrikus 2-es rendű sugárzási feszültségek tenzora (a szabványos mértékegység Pa s , mivel ez egy spektrális intervallumban meghatározott nyomás).
Ennek a tenzornak a nyoma a spektrális térfogatú energia
Két példa szemlélteti ezt:
Természetesen mindezek a mennyiségek integrálhatók a spektrum egészére vagy egészére: ezután Pa-ban kifejezett teljes nyomást kapunk .
Két példa szemlélteti ezeket a számításokat:
A napsugárzás nyomása a domináns zavarforrás a bolygóközi térben.
A napsugárzás nyomásaA napsugárzás nyomás és a napsugárzás nyomás az a nyomás kifejtett egy felülete által cseréjét lendület a tárgy és a fotonok által kibocsátott a Sun .
Ez a sugárzás nyomást meg kell különböztetni attól a által kifejtett napszél , amely egy áramlás részecskék az anyag .
A Föld szintjén a napsugárzás nyomása körülbelül 5 mikropascál .
A felületet abszorpciós képessége és reflektivitása határozza meg . Ezt általában úgy írhatjuk le, mint az s részben lévő tükörkép és egy izotróp diffúz visszaverődés összege . Ez a legtöbb esetben ésszerű közelítés. A legáltalánosabb esetben kétirányú reflektivitási modellt kell használni, és ebben az esetben a számítások digitalizálódnak.
Hozzá kell adni a tiszta , általában (de nem feltétlenül) termikus emissziót.
Lendületcsere fotonraFeltételezzük, hogy a fal ( S kitevő ) + fotonrendszer a visszaverődés előtt (1. kitevő) és utána (2. kitevő) megőrzi a lendületet. A ν index elhagyásra kerül.
Ez a kapcsolat a párhuzamos (index //) és a merőleges (index ⊥) tengelyekre vetül. A fotonjának előfordulási θ tekintetében a felületre merőleges.
Összesen a beeső sugárzásra
A benne rejlő sugárzás általában izotróp. Ebben az esetben
Váltás a nyomásszintreA nyomás megközelítés a fentiek analógja. Valóban, a nyomás tenzorai összeadódnak, mert az integráció operátora lineáris. Tehát a fal közelében
hol van a beeső sugárzás és a felszínről távozó sugárzás tenzora .
hol van a beeső energia a fal felé néző féltérben. Ebből kifolyólag
Ami egyetlen fotont illeti, csak az r és s frakciók alapján kell súlyozni, hogy megkapjuk a kapott nyomási tenzort (spektrális vagy teljes).
Ennek a módszernek az az előnye, hogy lehetővé teszi formális vagy numerikus számítások szisztematikus végrehajtását.
Ez analóg a folyadékmechanikával , lehetővé téve az erők normális és párhuzamos hozzájárulását a falhoz (a „nyomás” és a „nyírás”).
ahol x a felületre normális egységvektor, F pedig a területegységenként kifejtett erő (spektrális vagy teljes).
A beeső elektromágneses hullám elektromos mezőjén keresztül kölcsönhatásba lép az anyaggal a szilárd anyag részecskéin vagy kvázi részecskéin keresztül a fal közelében. Ezek az elektronok egy vegyérték sáv egy fém vagy egy fonon egy dielektrikum. Az indukált rezgések azonos frekvenciájú hullám kisugárzását idézik elő, többé-kevésbé fázison kívül, ami zavarja a beeső hullámot. Emisszió esetén a termikus keverés okozza a hullámot.
A Maxwell-egyenletek felhasználásával a fent említett felületek tulajdonságainak kiszámításához: a fényvisszaverő képesség , az abszorpcióképesség és a szilárd anyag belső tulajdonságainak emissivitása. Csak ritkán használják az indukált erők közvetlen értékelésére.
Hullám-atom kölcsönhatásVegyünk egy lézersugarat, amely megvilágítja a gáznemű közeget. Amikor a hullámhossz megfelel egy abszorpciós vonalnak, az atom a terjedés irányában megszerzi a q lendületet, és magasabb energiaállapotba kerül. A deexcitation során az atom azonos energiájú fotont bocsát ki. Az adás bármilyen irányban zajlik. Tehát átlagosan a gerjesztés miatti lendület nulla. A nyaláb ugyanazon mennyiséggel, átlagosan ismét felgyorsítja az egyes atomok mozgását. Ezért a gáz átlagos (makroszkopikus) sebessége van hatással. A mikroszkopikus sebességek statisztikai eloszlása nem.
A mikroszkopikus sebesség csökkentésének (tehát a gáz hőmérsékletének csökkenése) hatásának eléréséhez szögletesen szelektív abszorpciót kell alkalmazni. Ez a jelenség tehát nem kapcsolódik közvetlenül a sugárzási nyomás fogalmához.
Hullám-részecske kölcsönhatásA hullámhosszhoz közeli méretű részecskék esete eltér, mivel a részecske-közelítés nem használható. A hullám-részecske kölcsönhatás jelensége összetett: függ a részecske relatív nagyságától a hullámhossz szempontjából, de az alkotó anyag dielektromos tulajdonságaitól is.
Ez a hatás felhasználható a részecskék manipulálására úgy, hogy befogja őket a fényerő-gradiensnek köszönhetően: ez az optikai bilincs elve .
Az asztrofizikában és a csillagfizikában számos alkalmazás létezik:
Egy kapcsolódó területen hasonló problémákat találunk (természetesen a gravitáció kivételével) a plazmafizikában ( magfúzió ).
Az 1970-es években megtanultuk a részecskék manipulálását sugárerő segítségével, ideértve a lebegő részecskéket is.
Az 1980-as években megtanultuk elkapni az atomokat, mielőtt optikai csapdákat fejlesztettünk ki, és manipuláltuk a baktériumokat és vírusokat.
Az 1980-as évek közepe óta egyre gyakrabban használjuk a fókuszált lézer sugárzási nyomását nagyon apró tárgyak, részecskék, fehérjék, sejtek manipulálására, mozgatására, válogatására, például molekuláris motorok , nanokomponensek felépítésére vagy a sejtek manipulálására optikai csipeszek .
Között a felhasználás által megálmodott sci-fi és űrkutatás technikák , napenergia vitorlák egy lehetséges módja űrhajómeghajtás hogy felhasználása, mint a hajtóereje a sugárzási nyomást gyakorolt napsugárzás egy nagy vitorla.
2016 eleje óta az Breakthrough Starshot projekt célja, hogy optikai vitorlával párosuló sugárzási nyomást használjon a szondák meghajtására 0,2 c sebességgel a földön elhelyezett lézer segítségével.