放射圧：電磁放射が及ぼす圧力とその応用

発生の仕組みと基本式

古典論では、電磁エネルギーの流れはポインティング・ベクトルで記述され、その運動量流束はエネルギー流束と関係している。広く用いられる簡単な式では、強度 I（単位面積・単位時間当たりのエネルギー）と圧力 p は結び付けられる。完全吸収の場合、圧力は p = I/c となり、c は光速である。完全反射の場合は運動量変化が2倍になるため、p = 2I/c となる。実際の材料では、反射率や散乱に応じてその中間の値を示す。エネルギーと運動量の移転の要約は、光におけるエネルギーと運動量を参照。

歴史的な測定と実演

電磁放射が圧力を及ぼし得るという考えは、19世紀に発展した電磁気学の理論から導かれた。微小な力を直接測定する実験はその後に行われ、高感度のねじりばかりや放射計が用いられた。クロークス放射計を含む初期の装置は、この文脈でしばしば論じられる。しかし、放射計の羽根が回転する主因は光子圧そのものではなく、残留気体分子に対する熱的効果である。実験の分かりやすい説明は、光圧の実験的研究を参照。

例と応用

放射圧は、日常的に受ける大半の力と比べれば無視できるほど小さい。しかし、光強度が大きい場合や長距離にわたって作用する場合には重要となる。主な例は次のとおりである。

• 太陽帆：太陽光の運動量を利用し、推進剤なしで継続的な推力を得る宇宙機。
• 天体物理学：放射圧は恒星大気の構造に影響し、大質量星の恒星風を駆動する。また、太陽から塵を押し離すことにより、彗星の尾の形成にも寄与する。
• 光操作：集光したレーザー光は、微小粒子を捕捉・移動させることができる（光ピンセット）。また、レーザー冷却技術にも寄与する。
• 実験室物理学：精密実験では、放射圧を用いて光や物質の性質を測定したり、マイクロ・ナノ機械デバイスを作動させたりできる。

関連現象と重要な区別

放射圧は、他の放射に起因する力や効果と区別する必要がある。粒子による散乱や吸収には運動量交換が伴うが、その程度は粒子の大きさ、組成、角度に依存する。荷電粒子に対しては、放射は誘導電流を介して間接的に、あるいはコンプトン散乱やトムソン散乱によって力を及ぼし得る。軌道力学では、太陽光が圧力を及ぼすと同時に粒子の軌道エネルギーを変化させるため、ポインティング・ロバートソン効果のような微妙な効果が生じる。関連概念については、関連する放射効果を参照。

実用上の注意：地球における太陽光の放射圧は、通常条件では1平方メートル当たりマイクロニュートンからミリニュートン程度と小さい。それでも、時間とともに蓄積する場合や、通常の力が存在しない、または非常に小さい領域では重要になる。そのため、宇宙空間や精密光学システムでは有用で、ときには支配的な影響となる。