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【转发】“克鲁克斯辐射计”和“光压风车”--真伪“光压风车”之辨析

2019-03-26 10:59阅读：

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【转发】
“克鲁克斯辐射计”和“光压风车”
--真伪“光压风车”之辨析
作者：胡 滨 陈 杰（中国科学技术馆）
潘 玮 薛 海（北京樱宁仪器设备研究所）
中文摘要：长期以来很多有关光压的物理现象展示存在一些误区，无论是中学物理教学试验还是科普展品都存在把热辐射计与光压现象混淆的事实。两者的物理现象非常近似，但是物理本质却大不相同。本文目的就是通过对“光压风车”这件展品的剖析，把两者的关系理清，纠正误解。
关键词： 克鲁克斯 辐射计 光压 展品 科技馆
1、引言
“光压风车”（见图1）在全国范围内的科技馆或科普大篷车里是一种常见的展品，广受观众的喜爱和好评，展品结构简单、造价低廉且十分耐用。随着“光压风车”展品的影响不断扩大，许多中学在物理教学中把这个展品作为教具，用于演示光的粒子性。有些厂家已经把它做成了科普商品。总之，目前所能见到的“光压风车”展品在外形、结构设计以及产生的现象上几乎一模一样。但是，就是这样一个日趋成熟、影响颇深的展品对广大观众产生的效果却是一种误导。实际上，这种“光压风车”的本质不是真正的光压产生动力使叶片转动，而是一个“克鲁克斯辐射计”。中国科技馆新馆在内容建设过程中，一直致力于光压演示展品的研究和开发，目前新馆展出的名为“太阳帆”的展品成功实现了真正的展示光压现象，这是科普界第一次以互动展品的形式展示真正的“光压风车”，而不是“克鲁克斯辐射计”。人们很容易把这两者混淆，本文的目
的就是对这两者进行辨析，以正视听。
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图1. 克鲁克斯辐射计
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图2.激光器发出的激光光压打动光压风轮转动
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图3.正在抽真空的光压风轮
2、什么是光压
既然叫“光压风车”，那么顾名思义先要明确什么是光压。光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫做光压，也称为辐射压强。经典电磁理论和量子理论都指出，当物体完全吸收正入射的光辐射时，光压等于光波的能量密度；若物体是完全反射体，则光压等于光波能量密度的2倍。麦克斯韦依据经典电磁理论首先指出了光压的存在。光压的存在说明了电磁波具有动量，因而是电磁场物质性的有力证明，爱因斯坦光子假设又进一步说明了光压存在的合理性。
按照光子说的观点，光压是光子把它的动量传递给物体的结果，设频率为υ的单色光，每秒垂直入射到物体表面每平方米上的能量为E，则每秒垂直入射到物体表面每平方米上的光子数为N=E/(hυ)。因为每一个光子具有动量p= hυ/c，（h为普朗克常数，υ为光的频率，C为光速）当光子被物体所吸收时，每个光子传递给物体的动量为p= hυ/c，如果入射光子全部被物体所吸收，则物体表面每平方米在每秒内所获得的动量应等于N·p=E/c。物体表面每平方米在每秒内所获得的动量，即光作用在这个面上的光压为E/c。当光子被物体所反射时，光子的动量从+hυ/c变到-hυ/c，则每个光子传递给物体的动量为2p=2hυ/c。如果入射光子全部被物体所反射，则作用在物体表面上的光压力为N·2p=2E/c。。
关于光有压力的探索最早可以追溯到17世纪，1619年开普勒猜测彗星的尾巴之所以背向太阳，是因为存在一种“太阳风”将其吹开，现在知道导致彗尾背向太阳的原因主要是阳光的压力，所以开普勒的猜想可以作为第一个牵涉到光压领域的论述。后来牛顿主张的光微粒说则很自然地也引进了光压的概念，但随着“光是一种电磁波”概念的普及，光压也就失去了生存的空间。即使如此，仍旧有众多实验物理学家试图以实验证明光具有压力。
为了证实光压的存在，不少物理学工作者都扑到这项科学研究上来。1901年，俄国物理学家彼得·尼古拉耶维奇·列别捷夫（Peter Nikolaievich Lebedev，П.Н.Лебедев，l866-1911）设计了一个实验，首次发现光压，并发表了《光压的实验研究》（Experimental Research on Light Pressure），证明了光的粒子性。继此之后，美国物理学家尼科尔斯（E. F. Nichols）和哈尔（G. F. Hull）也分别用精密实验测定了光的压力。
3、展品现象与原理的辨析
明确光压的概念和定义之后，我们就要对这两种“光压风车”展品进行现象与原理的辨析，最终使真相浮出水面。首先，两者的组成结构相似，都是由一个球泡和一个光源发射器组成，表面上看好像差不多，但是实际上差异很大，所以先对结构做一个对比，如表1。

名称
结构
 克鲁克斯辐射计
 光压风车

球
泡

 针尖上是一个黑白片相间的叶片转轮
 针尖上是一个黑白片相间的叶片转轮
4个叶片
 4个叶片
球泡内半真空
 球泡内高度真空
光源发射器
 普通白炽灯
 激光器
表 1 结构对比表

克鲁克斯辐射计是英国物理学家、化学家克鲁克斯(William Crookes)于 1875 年发明的。它是一个装在抽为半真空的玻璃容器中的位于针尖上的叶轮。每个叶片的同一方向被涂黑，另一面为亮白色。在有阳光或其他辐射的情况下，叶片即开始稳定地转动。当时克鲁克斯误认为造成叶轮转动的原因是光压，然而，实际上只是气体分子运动论的一个证据。
其实，克鲁克斯辐射计叶片转动的原理是气体压强差。把克鲁克斯辐射计放在灯光下，叶轮就开始转动。叶轮总是按叶片黑的一面向白的一面转，而不可能相反。其解释是由于吸收了热辐射，叶片黑色一面温度较白色一面高。由于叶片对其表面附近的气体分子（因为玻璃容器中还残存有气体）加热，使黑色表面附近的气体温度比白色表面附近的气体温度高，因此，玻璃容器中的残存气体对黑面的压强比白面的压强较大，这个压强差就使克鲁克斯辐射计的叶片黑的一面向白的一面转动。实验证明，继续提高抽真空度，导致黑白两面的气体压强差太小了，所以到一定程度叶片也不会再转了。当然，由于分子的这种碰撞力很小，所以如果不抽真空，由于阻力较大，也将看不到叶轮旋转。
迄今为止，中学物理实验室和科普界的一些人士还把该实验作为演示光压的实验。所以才造成目前把“克鲁克斯辐射计”当作“光压风车”盛行的局面。在通常情况下，光压极小而且难以观测，历史上第一次在实验室中发现光压的列别捷夫实验装置和实验方法相当复杂和精细，本文介绍的真正的“光压风车”展品不是力图还原当年列别捷夫的实验，而是在于利用互动展品的形式让观众能够看到真实的光压演示。
光压的测量是很困难的，因为在通常的实验条件下，光压力只有 10-6 ~ 10-7N·m-2。而“辐射计”效应是在测量光压中发现的，其效应可以比光压大几十万倍。在实验中，光压与“辐射计”效应同时出现。因此，要真正演示出光压，必须消除“辐射计”效应。产生“辐射计”效应的原因主要有两个：
1）在真空室中由于温度不均匀而引起的剩余气体的对流作用；
2）光照射面与背光面的温度差而引起的稀薄气体分子的热运动压力差；
我们消除“辐射计”效应的方法是：
1）提高真空室中的真空度，减小对流作用，直到对流作用可以忽略不计；
2）吸光板与反光板做得愈薄愈好，以使其两面的温度差减小；
经过这些认真研究和思考之后，我们在制作真正的“光压风车”展品的时候，攻克了“微小阻力针尖”、“云母镀膜”以及“抽高真空度”等一系列技术难题。为了适应科技馆展品要求，这台展品采用调制电路自动调节固体激光器的功率，当叶片转动起来之后功率自动减少，既可以节能又可以保护参观者的眼睛。此展品由观众按动电钮，使激光器发射激光作用于叶片上，叶片受光压的作用发生转动，从而直接观察光压的存在。在一般情况下，当物体表面的反射系数为ρ时，则在每秒内入射的全部N个光子中，有(1－ρ)N个被吸收而ρN个被反射，所以作用于物体表面上的光压为：
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真正的“光压风车”容器内真空度很高，气体分子几乎不存在，气体压强差对叶片的作用也几乎不存在，当激光照射到叶片上时，打在叶片黑色面的光子几乎被完全吸收，光子的动量ｐ减为零，而打在叶片白色面的光子几乎原速率反弹回去，光子的动量ｐ变为-ｐ，由于打在叶片白色面的光子动量大于黑面，即光子对叶片白面的光压大于黑面，其综合效果就是叶片白面推着黑面旋转，这里叶片的旋转机理是光压，故取名《光压风车》，也是真正的光压演示设备。必须指出：叶片受光压的作用发生转动，与克鲁斯克辐射计的转向完全相反。
经过以上剖析，把两种展品的现象与原理做一个对比如表2，可以一目了然，这两者是截然不同的展品，表达的也是相差甚远的科学概念。

名称
项目
 克鲁克斯辐射计
 光压风车
现象
 叶片黑色面推白色面转动
 叶片白色面推黑色面转动
原理
 叶片两侧气体压强差
 叶片两侧光压差
表 2 两种展品的现象与原理对比
4、结论
（1）光压的存在是麦克斯韦电磁波理论的推论之一，而光的粒子理论也能对光压有圆满的定量解释。通过光压风车，说明了光的粒子性，让观众直接观察光压的存在。因此，光压演示展品将有助于观众深刻理解光的波粒二象性。
（2）光压与“辐射计”效应同时出现，在制作“光压风车”展品的时候要着重考虑如何消除“辐射计”效应，使展品真正表达的是光压的科学概念。
（3）通过真伪“光压风车”的辨析，让科普工作者意识到科普展品应该更加严谨，在传播科学知识的同时应该把科学概念界定的很清晰，以免使观众受其误导。

参考文献
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６施坚．“光压”及其应用．科学大众，2009，7
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１０姜锦龙，任伟德．克鲁克斯辐射计及其应用．教学仪器与试验，2007，10

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