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光子的冲击力有几牛？: 热度 5 kiwaho 2016-2-21 11:43; 光线有辐射压力是已经得到验证的科学事实：太阳系内早就有人造的辐射压驱动的太阳帆飞行器。那么一颗光子究竟能产生多大的冲击力呢？且看我来推导。大家知道：牛顿第二定律的公式，最早是将受力写成动量对时间的导数，尽管常写成 F = ma = mdv/dt 。对光子而言，动量 P= h/ λ ，其中 h 为普朗克常数， λ 为波长。光子撞击原子核刚体瞬间，在测不准的极微距离 Δx 内，动量减至 0 ，其变化为： ΔP= h/λ - 0 = h/λ 。（ 1 ）根据量子力学测不准原理，光子的动量和位置不可能同时准确测得。其数值关系为： Δx * ΔP ℏ /2 = h/4π （ 2 ）假设光子冲击刚体，例如原子核，在极短时间 Δt 内，其速度从光速 c 线性减至 0 ，则有微位移： Δx = Δt * (c + 0)/2 （ 3 ）描述特定光子，既可以用波长 λ ，也可以用其能量 E 。通常来说，波长方便原子电子能级的低能光子，如可见光的描述，而能量方便 MeV 左右的高能光子，例如 γ 射线的描述。两者有下列关系式： E= hv = h*c/λ （ 4 ）根据牛顿第二定律，冲击力 F= ΔP/ Δt 。联立求解等式（ 1 ）至（ 4 ），可以得到结果： F 2πE 2 /(hc) （ 5 ）可见，冲击力正比于光子能量的平方。好了，下面试算几个不同能量的光子最大冲击力。对 1MeV 的光子， F = 2*3.14*(1.602*10 -13 ) 2 /(6.626*10 -34 *3*10 8 ) = 0.82N 。核反应产生 10MeV 的高能光子也不稀奇，此时冲击力可达 82N ，也相当于 8.4kg 。厉害吧？你挥出一记老拳，还不一定有一颗微不足道的光子冲击力大呢，嘿嘿！可见光单光子由于能量低，冲击力小得可怜。例如波长 600nm日光对应的能量为 2eV ，其冲击力约 3.3*10 -12 N。尽管这么小，但因太阳光子辐射通量很高，且在摩擦为0的太空真空，间或也有少许高能宇宙射线，所以仍能驱动面积很大的太阳帆。整个推导过程假设了原子核是静止刚体，且融合了经典力学和量子理论。单个核子的质量或等价能量约 930MeV ，只要光子能量远小于这个数，该假设就算相对合理，尤其重核如此。高能 γ 光子，能撬开核子之间的强力，使得原子核释放出单个核子如中子。通过评估相关力，可以大致判断光中子反应是否可能。知道医用伽玛刀吧？正是利用了高能光子的巨大冲击力、切削力！医用 X 射线能量在100keV 左右，单光子穿透力 8.2mN (毫牛)，做一次CT/CR/DR诊断，在微观尺度，身体投射部位就被 X光子打穿成“筛子”啦。不过，大可不必担心，其辐射剂量远不到致命程度！如果算出来负很多次幂的微力，读者常识上可以接受，但若算出公斤级的力，也许难以接受：岂不把原子打飞了？其实因为热震动，常温原子的速度也许在声波速度量级，但远小于光速。高能光子猛力击打，就算能克服物质团块内的后座力瞬间加速原子，加速之后仍然远远小于光速，因而刚体的假设不算太离谱。何况公知的核强力在数百牛顿，要用光子象敲钉子那样撬也得数量级相当的冲击力吧？而实验证实高能光子确实可从大核中撬出中子！能量大于2个电子静止质量即1.022MeV的光子，如果不是迎面撞击大核，而是擦身过，则有可能分解为正负电子对。此时不再可以前述推导公式计算冲击力。微观世界存在很多量子共振点。形象一点或称“痛点”、“痒点”、“性感G点”。当能量恰到好处的光子与电子或核撞击产生共振吸收，粒子跃迁到高一级的共振态，而入射光子则湮灭。而能量偏离“G点”时，光子继续生存，但动量降低而“红移”了。例如13.6eV的光子若与氢原子核外电子撞击则湮灭，同时被撞电子升轨为自由电子，若能量稍偏移则光子被红移散射。红移越多，动量减少越多，冲击力越大。核的“G点”能级比核外电子能级至少高出3个数量级，高端可在10MeV以上，湮灭了的高能光子一般可提升核自旋角动量2 ℏ 。光子和核的反应截面大约毫靶mb级（1靶或barn = 100平方飞米），而和核外电子的反应截面兆靶Mb级，故而光子更易与电子碰撞。物质的光学属性基本是由核外电子配置决定的，但高能光子动质量可远大于电子静质量，因而对核冲击作用力更值得研究。宏观上榔头冲击钉子类似于光子冲击原子核。冲击力远大于榔头自重在牛顿力学里绝对合理；光子虽无静质量，但有动质量和冲击力也是理所当然。量子力学尽管打着“力”的旗号，其实对力的大小并不感兴趣，仅对能量和几率情有独衷，断不敢涉及受力分析，至少力的量纲“牛顿”就与量子相克！故而分析能量才能在量子领域吃得开，上述受力计算权作参考吧。; 8178 次阅读|18 个评论

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