为什么光子撞击电子速度不变,光子撞击电子为什么动量不变

首页 > 实用技巧 > 作者:YD1662023-12-09 01:34:42

光子在我们的身边可以说是无处不在,我们能够看到这个世界,其实就是因为我们的视觉系统一直在接收外界光子所携带的信息,换个角度来讲就是,我们几乎每时每刻都在被光子击中。

为什么光子撞击电子速度不变,光子撞击电子为什么动量不变(1)

光子在真空中的速度高达299792458千米/秒,以这样的速度,1秒钟的时间就可以围绕着地球赤道跑大约7圈半,事实上,光子的速度已达到宇宙极限,宇宙中任何有静止质量的物体都不可能超过这种速度。

而据我们所知,在其它条件不变的情况下,一个物体的运动速度越快,它撞击时产生的冲击力就越大,所以我们就有了一个问题。

光子的速度那么快,为什么我们却感觉不到光子的冲击力呢?

对于这个问题,一个常见的解释就是,因为光子没有质量,所以不会产生冲击力。然而这种解释其实是不太正确的,因为在相对论的体系中,光子并不是没有质量,它们只是没有“静止质量”。既然光子有质量,那么光子就会产生冲击力,那么一个光子产生的冲击力有多大呢?

为什么光子撞击电子速度不变,光子撞击电子为什么动量不变(2)

太阳是地球上最大的光子来源,如上图所示,太阳释放的光子大多数都集中在可见光的范围内,因此我们不妨以可见光的光子为例来简单计算一下。

光子的能量的计算公式为“E = hf”(h为普朗克常量,约为6.63 x 10^(-34)J·s,f为光的频率),可见光的频率380~750THz之间,这里取个平均值565THz,即5.65 x 10^14Hz,据此我们可以得出,一个可见光的光子的能量约为3.75 x 10^(-19)J。

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根据相对论中的质能方程式,光子的质量可以通过“m = E/c^2”计算(E和c分别代表光子的能量和光速常量),据此我们可以得出,该光子质量约为4.17 x 10^(-36)kg。

在牛顿经典力学中,运动物体的动量可由“p = mv”得出,其造成的冲击力可用“F = Δp/Δt”进行计算(Δp为动量的变化量,Δt为冲击过程经历的时间)。

这里假设光子击中我们的时候被吸收了(没有反射),再将Δt设定为电磁相互作用的典型时间“10^(-16)秒”,经过计算后我们就可以得出,一个可见光的光子对我们的冲击力约为1.25 x 10^(-11)牛顿,直观点来看就是:0.0000000000125牛顿。

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很明显,我们对这么小的冲击力根本就不可能有什么感觉。当然了,每一束光线都拥有大量的光子,尽管单个光子的冲击力微乎其微,但大量光子的“群体力量”还是可以在宏观世界中体现出来,这种现象被称为“光压”。

早在17世纪初,天文学家开普勒就提出了“光压”的概念,他认为光束照射在物体表面时,会产生一定程度的“压力”,1871年,物理学家麦克斯韦根据电磁理论推导出了“光压”的存在,而1901年,物理学家列别捷夫首次在实验中测量出了“光压”。

既然太阳是地球上最大的光子来源,那太阳光给在地球上的我们造成的“光压”有多大呢?其实这也是可以计算的。

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“光压”的计算公式为“P=I(1+R)/c”(I为光束在单位面积上的辐射强度,R为物体表面的反射率,范围在0至1之间,c为光速常量)。

测量数据显示,地球轨道上的太阳平均辐射强度约为1370W/平方米,据此我们可以得出,我们在地球上受到的来自太阳光的“光压”大约在0.00000457牛顿/平方米至0.00000914牛顿/平方米之间(注:这里忽略了地球大气层的影响)。

可以看到,虽然光子的速度已达到宇宙极限,但因为光子的冲击力实在太小,就算是强大的太阳光,其产生的冲击力也是非常微小的,以至于我们根本就感觉不到。

尾声

值得一提的是,尽管光子的冲击力极为微弱,但是在没有空气阻力存在、又几乎没有重力影响的太空中,这种力就可以发挥作用了。

为什么光子撞击电子速度不变,光子撞击电子为什么动量不变(6)

其实早已有人提出了“太阳帆”技术,简单来讲,该技术就是在宇宙飞船上安装上巨大的薄膜镜片,然后将太阳光在薄膜镜片造成的冲击力作为前进的动力。就目前来看,“太阳帆”技术已得到初步验证,因此有不少科学家都乐观地认为,在技术成熟之后,“太阳帆”完全可以为人类未来的星际旅行提供动力。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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