二、电磁场的动量和光压

    电磁波不仅具有能量,也具有动量。根据量子理论,电磁波和光波一样都具有波粒二象性,电磁波的能量是由许多分立的、以光速运动的光子所携带,而每个光子的能量决定于辐射的频率,并可以表示为

                            E = hn ,                     (12-100)

其中h = 6.626176´10-34 J×s称为普朗克常量。根据相对论的质能关系,每个光子的能量也可以表示为

                            E = mc2 ,                   (12-101)

所以光子的质量为

                          ,                 (12-102)

而光子的静质量为零。由上式可以得到光子的动量为

                        .                (12-103)

前面大家已经得到了电磁波单位体积的能量为w,从式(12-103)可以得到电磁波单位体积的动量,即动量密度为

                          .                  (12-104)

在得到上式时用到了关系式

                            S = wc .                    (12-105)

动量是矢量,动量密度也是矢量,其方向与波的传播方向一致,即与能流密度矢量S的方向一致,故可表示为

                           .                   (12-106)

    既然电磁波具有动量,那么当电磁波照射到物体上就会对物体产生压力作用。光是一种电磁波,当然也有这样的作用,这已为列别捷夫在1901年所进行的光压实验所证实。

    当一束平面电磁波垂直照射一物体的表面DS时,在一般情况下将会有一部分被反射,如果入射波和反射波的动量密度分别为 ,那么电磁波在Dt时间内动量改变量为

                     DG = ( - )cDtDS ,

而物体的动量改变量则为-DG,即

            -DG = -( - ) cDtDS = ( - ) cDtDS ,

其大小为

                     DG = ( + ) c Dt DS .                      

物体表面所受的冲量就等于其动量改变量,所以物体表面所受冲力的大小为

                     ( + ) cDS .

物体表面所受电磁波的压强为

                c ( + ) ( + ),           (12-107)

式中 分别是入射电磁波和反射电磁波的能流密度矢量的大小。对于全反射, = ,物体表面所受压强为

                        ,

物体表面所受压强在一个周期内的平均值,称为平均压强

                           .                  (12-108)

对于全吸取, = 0,物体表面所受压强为

                       ,

平均压强为

                          .                 (12-109)

如果照射到物体上的电磁波是光波,则式(12-108)和式(12-109)分别是全反射和全吸取时的光压。

    光压很小,不通过精密实验测量是很难察觉到的。例如,在地球公转轨道上一个全吸取平面所受太阳辐射产生的光压约为5´10-6  N×m-2。但是在宇宙天体中和在微观世界里,光压却常常起着重要的作用,导致重要的现象。

       
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