Crookes radiometer (eller Crookes spinner ) - ett fyrbladigt pumphjul balanserat på en nål inuti en glaskolv med ett lätt vakuum. När en ljusstråle träffar bladet börjar pumphjulet rotera, vilket ibland felaktigt förklaras av lätt tryck .
I själva verket är orsaken till rotationen den radiometriska effekten - förekomsten av en repulsiv kraft på grund av skillnaden i kinetiska energier hos gasmolekyler som faller in på den upplysta, uppvärmda sidan av bladet och på den motsatta, kallare sidan. [1] Orsaken till bladens rotation har historiskt sett varit föremål för mycket vetenskaplig debatt. [2] [3]
Denna effekt upptäcktes och byggdes av en radiometer (vridskiva) 1874 av den engelske fysikern och kemisten William Crookes , som under en av de studier som krävde mycket noggrann vägning av ämnen, märkte att i en delvis försållad kammare, infallande solens strålar hade en effekt på balansen. Genom att studera denna effekt skapade han en enhet uppkallad efter honom. P. N. Lebedev mätte 1901 kraften av lätt tryck på en solid kropp, efter att ha lyckats bli av med den radiometriska effekten under mycket subtila experiment.
Radiometern består av en glaskolv från vilken det mesta av luften har avlägsnats (under partiellt vakuum ). Inuti kolven på en spindel med låg friktion finns det flera (vanligtvis fyra) vertikala metallblad gjorda av lättlegering, belägna på samma avstånd från rotationsaxeln. Å ena sidan är bladen antingen polerade eller målade med vit färg, å andra sidan - svarta. När de utsätts för solljus, artificiellt ljus eller infraröd strålning (även värmen från händerna kan vara tillräcklig) börjar bladen rotera utan någon uppenbar drivkraft: de mörka sidorna flyttar sig bort från strålningskällan och de ljusa sidorna närmar sig. Kylning av radiometern orsakar rotation i motsatt riktning.
Effekten börjar uppträda vid ett vakuumpartialtryck på flera hundra pascal, toppar vid cirka 1 Pa och försvinner när vakuumet når 10 −4 Pa. Med ett så högt vakuum kan trycket från fotonstrålning på bladen observeras i mycket känsliga instrument (se Nichols radiometer ), men inte tillräckligt för att få dem att snurra.
"Radio-" i enhetens namn kommer från latinets radius, som betyder "stråle"; i detta fall menar vi elektromagnetisk strålning . Således kan Crookes radiometer användas som en enhet som mäter intensiteten av elektromagnetisk strålning utan att störa själva mätningen. Den kan utföra en sådan funktion, till exempel om en roterande slitsad skiva är installerad inuti, som fungerar enligt principen om ett stroboskop .
För närvarande säljs radiometrar runt om i världen som en intressant souvenir som inte kräver batterier för att rotera. De finns i en mängd olika former och används ofta på vetenskapsmuseer för att illustrera ljustryck, ett fysiskt fenomen de inte riktigt relaterar till.
När en strålningskälla riktas mot en Crookes-radiometer, blir radiometern en värmemotor . Driften av en värmemotor är baserad på en temperaturskillnad, som omvandlas till mekanisk rörelse. I vårt fall värms den mörka sidan av bladet upp mer, eftersom strålningsenergin som kommer från ljuskällan värmer upp den snabbare än den polerade eller ljusa sidan. När luftmolekyler nuddar den svarta sidan av bladet "värms de upp", det vill säga ökar hastigheten. En detaljerad beskrivning av varför bladens lätta sidor roterar först ges nedan.
När de uppvärmda bladen avger värme till luftmolekylerna ökar temperaturen inuti glödlampan. De "uppvärmda" molekylerna avger den energi de får när de kommer i kontakt med kolvens glasväggar, vars temperatur är lika med den omgivande luftens temperatur. Värmeförlusten genom kolvens väggar upprätthåller den inre temperaturen på ett sådant sätt att en temperaturskillnad skapas på två intilliggande sidor av bladen. Den ljusa sidan av bladet är kallare än den mörka sidan eftersom en del värme överförs från det mörka området på undersidan av bladet. Samtidigt är den ljusa sidan något varmare än luften inuti kolven. De två sidorna av varje blad måste vara värmeisolerade så att den ljusa sidan av bladet inte omedelbart når temperaturen på den svarta sidan. Om bladen är gjorda av metall kan isoleringsmaterialet vara svart eller vit färg. Temperaturen på bulbglaset förblir nästan lika med omgivningstemperaturen, i motsats till temperaturen på den mörka sidan av bladet. Det högre externa lufttrycket hjälper till att ta bort värme från glaset.
Lufttrycket inuti kolven bör inte vara för lågt eller för högt. Det höga vakuumet inuti lampan kommer att förhindra rotation eftersom det inte kommer att finnas tillräckligt med luftmolekyler för att bilda luftströmmarna som snurrar bladen och överför värme utåt innan båda sidor av varje blad når termisk jämvikt genom ledning genom deras material. Och vid högt tryck kommer temperaturskillnaden inte att räcka för att vrida bladen, eftersom luftmotståndet ökar - luftflödet kommer att sakta ner innan det når motsatt sida av det intilliggande bladet.
De krafter som förutspåtts av både Einstein och Reynolds verkar orsaka rotationen av Crookes-radiometern, även om det fortfarande inte är klart vilken som har störst effekt.
För att rotera behöver bladen på en Crookes-spinnare inte täckas i olika färger på varje sida. År 2009 skapade forskare vid University of Texas i Austin en enfärgsradiometer som består av fyra böjda blad som var och en bildar konvexa och konkava ytor. Pinwheelen är jämnt belagd med guld nanokristaller , som är starka ljusabsorbenter. När den utsätts för ljus, på grund av den ovanliga geometrin, får den konvexa sidan av bladet mer fotonenergi än den konkava sidan; i detta fall får gasmolekylerna också mer värme från den konvexa sidan än från den konkava sidan. Vid lågt vakuum inducerar denna asymmetriska uppvärmning gasrörelse vid varje blad, från den konkava sidan till den konvexa sidan, vilket har demonstrerats med Monte Carlo-metoden för icke-stationär statistisk simulering (MSTSM). Gasens rörelse får radiometern att rotera med sin konkava sida framåt, i enlighet med Newtons tredje lag .
Tack vare tillkomsten av radiometern med enfärgade blad blev det möjligt att skapa en mikro- eller nanoradiometer, eftersom det vid så små storlekar är svårt att simulera material med olika optiska egenskaper i ett mycket litet tredimensionellt utrymme. [7] [8]
År 2010 lyckades forskare vid University of California i Berkeley skapa en nanoradiometer som fungerar enligt en helt annan princip än Crookes radiometer. Ett hakkors -format guldpinwheel , endast 100 nanometer i diameter, byggdes och tändes med en laser som var avstämd för att ge det vinkelmoment. För första gången föreslogs möjligheten att skapa en nanoradiometer med en liknande funktionsprincip av Princeton University fysiker Richard Beth 1936. Vridmomentet har ökat kraftigt genom resonanskoppling av infallande ljus och plasmonvågor i metallgittret. [9]