Fénynyomás

A fénynyomás a fény által a fénynek kitett felületre kifejtett mechanikai nyomás. A fény részecskesajátságainak egyike ugyanis, hogy mechanikai nyomást fejt ki arra a felületre, amelyen elnyelődik vagy visszaverődik.

Felfedezése

1874-ben James Clerk Maxwell fedezte fel, hogy a sugárnyomás az elektromágneses elméletből vezethető le.

1876-ban Adolfo Bartoli vezette le a sugárnyomást a termodinamikából.

A Maxwell–Bartoli-tétel

Ennek nyomán a fénynyomás leírására az úgynevezett Maxwell–Bartoli-tételt használják, ami a $\delta$ beesési szögben érő fénynyaláb $p$ nyomását adja meg:

$p=w(1+r-d)\cos \delta$

Ahol $r$ a felület fényvisszaverő képessége, $d$ az áteresztőképesség, $w$ a fénynyaláb térfogati energiasűrűsége. Az $1+r-d$ különbség pontosan megadja egy beeső foton elnyelődésének a valószínűségét. Ha megvizsgáljuk közelebbről a fent említett egyenletet, akkor megállapítható, hogy minél jobban visszaveri a fényt egy felület (minél közelebb van az $r$ az 1-hez), annál nagyobb lesz a rá ható fénynyomás.

Crookes-féle radiométer

A Crookes-féle radiométer

A fénynyomással kapcsolatos egyik legismertebb demonstrációs eszköz a Crookes-féle radiométer vagy más néven fénymalom. Ez egy vákuumba helyezett tű hegyére illesztett négykarú lapátos kerék, amelynek lapátjai egyik oldalon kormozottak. A kerék fény hatására forgásba jön. A jelenség magyarázata összetett: a lapátok két oldalán kialakuló hőmérséklet-különbség hatása nem elhanyagolható, de a fénynyomásnak is van szerepe a mozgás létrejöttében. Fénymalmot először Sir William Crookes (1832–1919) brit fizikus és kémikus készített, miután arra figyelt fel, hogy a vákuumban végzett nagy pontosságú tömegmérést a közvetlen napfény megzavarja.

Felhasználása az űrkutatásban

Felmerült, hogy a Földön vitorlázásra használt szélenergiához hasonlóan, űrhajók mozgatására is fel lehetne használni a Nap fénye hatására kialakuló fénynyomást. Ez lenne a napvitorlázás. Az ötletet már Jules Verne is felvetette Utazás a Holdba című regényében 1865-ben. Tudományosan is vizsgálták a napvitorlázást, az eredmény összefoglalva az, hogy a Naprendszeren belül alkalmas űrhajó mozgatására a fénynyomás, de az űrhajó feljuttatásához továbbra is a megfelelő tólóerőt képviselő rakéta szükséges.

Az első sikeresen működő napvitorlás a japán IKAROS, 2010-ben jutott el az űrbe.

A napvitorlás megmozgatta a tudományos-fantasztikus filmek alkotóinak a fantáziáját is (pl. Csillagok háborúja).

Források

• Lente Gábor:Távolban egy napvitorla, Természet Világa, 146. évf. 9. sz.
• Dr. Bergou János - Dr. Erostyák János - Dr. Kozma László - Dr. Pintér Ferenc:Általános fizika III. - Fénytan - Relativitáselmélet – Atomhéjfizika, Dialóg Campus Kiadó, 2003.
• Crookes, William (1 January 1874). "On Attraction and Repulsion Resulting from Radiation" (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 164: 501–527