Ciśnienie promieniowania lub promieniowania ciśnienia jest nacisk mechaniczny wywierany na powierzchni jednego do wymiany czasu pomiędzy przedmiotem i pola elektromagnetycznego . Obejmuje to impuls z lekkiego promieniowania elektromagnetycznego lub dowolnej długości fali , które jest absorbowane, odbite lub w inny sposób emitowanego (np Promieniowanie ciała doskonale czarnego ) materią w dowolnej skali (makroskopowe obiekty cząstki pyłu przechodzącej przez cząsteczki gazu).
To ciśnienie jest analogiem do promieniowania ciśnienia gazu i podobnie jest związane z przenoszeniem pędu objętościowego w danym kierunku propagacji, a dokładniej z przepływem tej wielkości. Jej jednostką jest paschał (Pa).
Jest to zatem wielkość termodynamiczna , nawet jeśli jest ściśle związana z opisem podanym przez elektromagnetyzm. To z powodu tego związku mówimy o rozszerzeniu nacisku wywieranego na cząstkę o małych wymiarach (tego samego rzędu wielkości co długość fali ), zjawisku dostępnym tylko dla elektromagnetyzmu.
Pojęcie to jest używane w wielu dziedzinach związanych z fizyką plazmy , astrofizyką i fizyką gwiazd. W manipulacji cząstkami występuje aspekt elektromagnetyczny.
Siły wytwarzane przez ciśnienie promieniowania są na ogół zbyt słabe, aby można je było zauważyć w codziennych okolicznościach; jednakże są one ważne w niektórych procesach fizycznych. Dzieje się tak w szczególności w przypadku obiektów znajdujących się w przestrzeni, gdzie oprócz grawitacji jest to zwykle główna siła działająca na przedmioty i gdzie wypadkowy efekt niewielkiej siły może mieć duży, skumulowany efekt w długich okresach czasu. Na przykład, gdyby zignorować wpływ ciśnienia promieniowania słonecznego na sondę programu Viking , sonda minęłaby orbitę Marsa o około 15 000 km . Ciśnienie promieniowania światła gwiazd ma również kluczowe znaczenie w wielu procesach astrofizycznych . Wielkość ciśnienia promieniowania gwałtownie rośnie w ekstremalnie wysokich temperaturach i czasami może przyćmić zwykłe ciśnienie gazu , na przykład we wnętrzach gwiazd i broni termojądrowej .
Pierwszym, który rozwinął dynamiczny efekt promieniowania, był Johannes Kepler, który wyjaśnił orientację ogonów komet przepływem promieniowania słonecznego (1619).
Siły generowane przez falę elektromagnetyczną na ścianie zostały teoretycznie wyjaśnione przez Jamesa Maxwella w 1873 r. Następnie wysiłki skupiły się na związku między podejściem elektromagnetycznym a termodynamiką lub fizyką statystyczną . Pierwsze próby pomiaru ciśnienia metodą termodynamiczną zostały podjęte przez Adolfo Bartoli w 1884 r. I przez Piotra Lebiediewa w 1900 r. Ernest Nichols i Gordon Hull (in) dokonali ważnych eksperymentów, które wykazały związek między energią i pędem występującym na powierzchni poprzez jednoczesne pomiar energii metodą bolometrii i pędu za pomocą opracowanego w tym celu radiometru ( radiometr Nicholsa ) w 1901 i 1903 roku.
Ciśnienie gazu lub promieniowania jest klasycznie definiowane jako siła generowana przez zjawisko, związana z powierzchnią, na którą jest wywierane. Nie jest to poprawne fizycznie i logicznie :
Ze względu na ścisłość podamy zatem formalną definicję opartą na naturze zjawiska, a mianowicie na przepływie pędu objętości zbioru fotonów.
Oczywiście aspekt elektromagnetyczny leży u podstaw i możemy (w niektórych przypadkach musimy) obliczyć siłę wywieraną na ścianę lub cząstkę z równań Maxwella . Nadal mówimy w tym przypadku o ciśnieniu radiacyjnym, chociaż nie odpowiada to naturalnej zmiennej fizycznej.
Pojęcie ciśnienia odwołuje się do fizyki statystycznej i termodynamiki. Dotyczy to gazu złożonego z atomów lub cząsteczek, ale także gazu fotonów .
Promieniowanie charakteryzuje się liczbą fotonów na jednostkę objętości częstotliwości pomiędzy ν a ν + d ν poruszających się w stożku d Ω wokół kierunku Ω . Jest to zatem rozkład kątowy f ν ( Ω ). 0n wykorzystuje luminancję widmową zdefiniowaną przez
gdzie C jest prędkością światła , a h w stałą Plancka . Wielkość ta jest podstawową funkcją w badaniach transferu radiacyjnego .
W formularzu możemy napisać f ν
gdzie n ν jest gęstością cząstek, a g ν jest rozkładem kątowym znormalizowanym przez całkowanie na kuli jednostkowej
Luminancje są zatem sumowane, podobnie jak liczba fotonów, ponieważ nie ma interakcji foton-foton.
Pęd fotonu jest
Jest zatem powiązany z luminancją wg
p ν jest widmowym ciśnieniem radiacyjnym, strumieniem na powierzchni normalnym do Ω objętościowej gęstości pędu . W związku z tym naciski można zsumować.
Pojęcie to jest uogólnione poniżej.
Ciśnienie radiacyjne jest tensorem naprężeń radiacyjnych rzędu 2, symetrycznych, otrzymanych z iloczynu tensorowego (znormalizowaną jednostką miary jest Pa s , ponieważ jest to ciśnienie określone w przedziale widmowym).
Ślad tego tensora jest energia objętość widmowa
Ilustrują to dwa przykłady:
Oczywiście wszystkie te wielkości można całkować po całym lub części widma: otrzymujemy wtedy ciśnienie całkowite wyrażone w Pa .
Dwa przykłady mogą zilustrować te obliczenia:
Ciśnienie promieniowania słonecznego jest dominującym źródłem zakłóceń w przestrzeni międzyplanetarnej.
Ciśnienie promieniowania słonecznegoCiśnienie promieniowania słonecznego i ciśnienie promieniowania słonecznego to ciśnienie wywierane na powierzchnię w wyniku wymiany pędu między obiektem a fotonami emitowanymi przez słońce .
Ciśnienie to promieniowanie jest odróżnić od tego powodowanego przez wiatr energii słonecznej , który jest przepływ cząstek z materii .
Na poziomie Ziemi ciśnienie promieniowania słonecznego wynosi około 5 mikropaskali .
Powierzchnia jest określana przez jej chłonność i współczynnik odbicia . Może to być na ogół określany jako suma a zwierciadlanego odbicia w części a i izotropowego odbicia rozproszonego . W większości przypadków jest to rozsądne przybliżenie. W najbardziej ogólnym przypadku należy zastosować model odbicia dwukierunkowego iw tym przypadku obliczenia stają się cyfrowe.
Konieczne jest dodanie czystej emisji , ogólnie (ale niekoniecznie) termicznej.
Wymiana pędu na fotonZakłada się, że ściana (wykładnik S ) + układ fotonów przed odbiciem (wykładnik 1) i po (wykładnik 2) zachowuje pęd. Indeks ν jest pomijany.
Relacja ta jest rzutowana na osie równoległe (indeks //) i prostopadłe (indeks ⊥). Foton ma padanie θ w stosunku do normalnej do powierzchni.
W sumie za padające promieniowanie
Promieniowanie nieodłączne jest zasadniczo izotropowe. W tym wypadku
Zmień na poziom ciśnieniaPodejście ciśnieniowe jest analogiczne do powyższego. Rzeczywiście, tensory sumy ciśnień, ponieważ operator całkowania jest liniowy. Czyli w pobliżu ściany
gdzie jest tensor promieniowania padającego i promieniowania opuszczającego powierzchnię.
gdzie jest energia padająca w półprzestrzeni zwróconej do ściany. W związku z tym
Jak dla pojedynczego fotonu, pozostaje tylko masę frakcje r i s w celu uzyskania otrzymanego tensor ciśnienia (pasmowy lub łącznie).
Ta metoda ma tę zaletę, że umożliwia systematyczne wykonywanie obliczeń formalnych lub numerycznych.
Jest analogiczny do mechaniki płynów , umożliwiając uzyskanie normalnego i równoległego udziału sił działających na ścianę („ciśnienie” i „ścinanie”).
gdzie x jest wektorem jednostkowym normalnym do powierzchni, a F siłą (widmową lub całkowitą) wywieraną na jednostkę powierzchni.
An padające elektromagnetyczne fale współpracuje poprzez ich pola elektrycznego z materiałem za pomocą cząstek lub quasi cząstek ciała stałego w pobliżu ściany. Są to elektrony z pasma walencyjnego dla metalu lub fononu dla dielektryka. Indukowane oscylacje powodują emisję fali o tej samej częstotliwości, mniej więcej przesuniętej w fazie, co zakłóca falę padającą. W przypadku emisji falę tworzy mieszanie termiczne .
Wykorzystanie równań Maxwella do obliczenia właściwości powierzchni, o których mowa powyżej: współczynnika odbicia , chłonności i emisyjności na podstawie wewnętrznych właściwości ciała stałego lub stanu powierzchni. Rzadko jest używany do bezpośredniej oceny sił indukowanych.
Interakcja fala-atomRozważmy wiązkę lasera oświetlającą ośrodek gazowy. Gdy długość fali odpowiada linii absorpcyjnej, atom nabiera pędu q w kierunku propagacji i przechodzi w stan o wyższej energii. Podczas deekscytacji atom emituje foton o tej samej energii. Transmisja jest w dowolnym kierunku. Zatem średnio pęd wynikający z odwzbudzenia wynosi zero. Wiązka ponownie przyspiesza ruch każdego atomu o tę samą wartość, ponownie średnio. Jest to zatem średnia (makroskopowa) prędkość gazu, na który ma to wpływ. Statystyczny rozkład prędkości mikroskopowych nie jest.
Aby uzyskać efekt zmniejszenia prędkości mikroskopowych (a tym samym spadku temperatury gazu), konieczne jest zastosowanie kątowo selektywnej absorpcji. Zjawisko to nie jest zatem bezpośrednio związane z pojęciem ciśnienia radiacyjnego.
Interakcja fala-cząstkaPrzypadek cząstek o wielkości zbliżonej do długości fali jest inny, ponieważ nie można zastosować przybliżenia cząstek. Zjawisko interakcji między falami i cząstkami jest złożone: zależy od względnej wielkości cząstki w odniesieniu do długości fali, ale także od właściwości dielektrycznych materiału składowego.
Efekt ten można wykorzystać do manipulowania cząsteczkami poprzez wyłapywanie ich dzięki gradientowi luminancji: jest to zasada działania cęgów optycznych .
Istnieje wiele zastosowań w astrofizyce i fizyce gwiazd:
W pokrewnej dziedzinie znajdujemy podobne problemy (z wyjątkiem oczywiście grawitacji) w fizyce plazmy ( fuzja jądrowa ).
W latach siedemdziesiątych nauczyliśmy się manipulować cząstkami za pomocą siły promieniowania, w tym cząstek lewitujących.
W latach 80 - tych nauczyliśmy się wychwytywać atomy, zanim opracowaliśmy pułapki optyczne i manipulowaliśmy bakteriami i wirusami.
Od połowy lat osiemdziesiątych używamy - coraz częściej - ciśnienia radiacyjnego skupionego lasera do manipulowania, przemieszczania, sortowania bardzo małych obiektów, cząstek, białek, komórek, na przykład do budowy silników molekularnych , nanoskładników lub manipulowania komórkami za pomocą pęseta optyczna .
Wśród zastosowań przewidzianych przez science fiction i techniki eksploracji kosmosu , żagle słoneczne są możliwą metodą napędu kosmicznego, która wykorzystuje jako siłę napędową ciśnienie radiacyjne wywierane przez promieniowanie słoneczne na duży żagiel.
Od początku 2016 r. Projekt Breakthrough Starshot ma na celu wykorzystanie ciśnienia promieniowania w połączeniu z żaglem optycznym do napędzania sond z prędkością 0,2 c za pomocą lasera znajdującego się na Ziemi.