Strålingstrykk

Strålingstrykk på en flate som er utsatt for elektromagnetisk stråling, skyldes at strålingen ikke bare inneholder energi, men også impuls. Blir strålingen fullstendig absorbert av flaten, er trykket lik med energitettheten til strålingen. Ved fullstendig refleksjon blir strålingstrykket dobbelt så stort. I varmestråling er trykket alltid en tredjedel av energitettheten.
Under normale forhold er strålingstrykket for lite til at det merkes, men er likevel viktig i mange mer spesielle sammenhenger. Likevel kan det ha stor betydning ute i verdensrommet hvor det kan virke over lang tid. Da dette trykket øker raskt med temperaturen, er det viktig i mange astrofysiske sammenhenger. Stabiliteten til mange stjerner skyldes strålingstrykket i deres indre. Av samme grunn spiller det en avgjørende rolle i termonuklær fusjon i form av hydrogenbomber.
Denne idéen ligger til grunn for eksperimenter  ved Lawrence Livermore National Laboratory hvor man med bruk av kraftige lasere prøver å skape så høye strålingstrykk at man kan frembringe kjernefysisk fusjon mellom hydrogenisotoper. Lykkes dette, kan metoden utvikle seg til å bli en fremtidig energikilde.

Historie

For fire hundre år siden skrev Kepler boken De Cometis om kometer. Her foreslo han at grunnen til at deres støvhaler alltid peker bort fra Solen, kunne være trykket fra lyset som den sender ut.  På den tiden fantes det ikke noen entydig forståelse av hva lys kunne være, men Keplers forslag om et slikt lystrykk er analogt med hva som vil skje hvis strålingen består av en strøm med partikler.
I sitt store verk A Treatise on Electricity and Magnetism som Maxwell publiserte i 1873, viste han fra sin teori for det elektromagnetiske feltet at lys er  bølger av dette feltet. Med denne nye innsikten kunne han beregne strålingstrykket som virker på en flate. Denne kunne i alminnelighet både absorbere og reflektere deler av den innfallende strålingen. Han fant at trykket er direkte proporsjonalt med energitettheten til strålingen.
Den første eksperimentelle påvisning av strålingstrykket ble gjort av den russiske fysiker Pjotr Lebedev. Han fant i 1901 overensstemmelse med Maxwells teori.
Kort tid etterpå ble hans resultat verifisert mer nøyaktig av de amerikanske fysikere Ernest Nichols and Gordon Hull ved Dartmouth College.
En vanskelighet ved disse målingene var at de måtte gjøres under forhold der strålingen i størst mulig grad virket i et vakum. Flere tiår tidligere hadde den engelske kjemikeren William Crookes forsøkt å påvise strålingstrykket eksperimentelt i glassrør under lavt trykk. Han observerte en lignende effekt, men det ble raskt klart at dette skyldes bevegelse av luften i røret som ble oppvarmet av strålingen. Denne effekten blir i dag benyttet kommersielt i lysmøller som er eksempel på et Crookes-radiometer.
Elektromagnetisk stråling kan også være i termisk likevekt ved en gitt temperatur. Maxwell hadde vist at trykket i strålingen da er det samme i alle retninger og lik med en tredjedel av energitettheten. Dette ble allerede i 1884 benyttet av Ludwig Boltzmann til å beregne energitettheten til varmestrålingen. Han fant at den øker med fjerde potens av temperaturen  som er innholdet av Stefan-Boltzmanns lov.
Etter at Max Planck ved århundreskiftet hadde forklart frekvensspektret til varmestrålingen, kunne Einstein utlede at strålingen måtte betraktes som bestående av fotoner med en bestemt energi og impuls. Med denne nye forståelsen skyldes strålingstrykket impulsen som en flate mottar når den absorberer eller reflekterer slike partikler.

Elektromagnetisk impuls

Mens Poyntings vektor gir fluksen av energi i en elektromagnetisk bølge, er fluksen av impuls gitt vektoren G = D × B hvor det elektriske polarisasjonsfeltet D = ε₀E hvor ε₀ er det elektriske konstanten i vakum. Denne impulstettheten kan benyttes til å gi en ekvivalent utledning av strålingstrykket.
Ved igjen å betrakte en bølge som absorberes normalt til en overflate, vil et areal A i et lite tidrom Δt motta en impuls Δp = GAcΔt fra bølgen. Fra Newtons andre lov gir det en kraft F = Δp/Δt = GAc. Nå er G = ε₀μ₀S = S/c² slik at trykket P = F/A =  Gc = S/c som tidligere.
Hvis bølgen har en frekvens ν = c /λ hvor λ er bølgelengden, vil en kvantemekanisk beskrivelse av strålingstrykket skyldes en strøm av fotoner med samme energi og impuls. Er deres tetthet n, vil bølgen ha en energitetthet u = nhν og en impulstetthet G = nh/λ hvor h er Plancks konstant. Trykket blir dermed P = Gc = nhc /λ = nhν = u som tidligere.