Radiometru Crookes (sau spinner Crookes ) - un rotor cu patru pale echilibrat pe un ac în interiorul unui balon de sticlă cu un ușor vid. Când un fascicul de lumină lovește lama, rotorul începe să se rotească, ceea ce uneori este explicat incorect de o presiune ușoară .
De fapt, motivul rotației este efectul radiometric - apariția unei forțe de respingere din cauza diferenței de energii cinetice ale moleculelor de gaz incidente pe partea iluminată, încălzită a lamei și pe partea opusă, mai rece. [1] Motivul rotației lamelor a fost din punct de vedere istoric subiectul multor dezbateri științifice. [2] [3]
Acest efect a fost descoperit și construit de un radiometru (plată turnantă) în 1874 de către fizicianul și chimistul englez William Crookes , care, în timpul unuia dintre studiile care necesitau cântărirea foarte precisă a substanțelor, a observat că într-o cameră parțial rarefiată, razele solare incidente. a avut un efect asupra echilibrului. Studiind acest efect, a creat un dispozitiv numit după el. P. N. Lebedev a măsurat în 1901 forța presiunii ușoare asupra unui corp solid, reușind să scape de efectul radiometric în cursul unor experimente foarte subtile.
Radiometrul constă dintr-un bec de sticlă din care a fost îndepărtat cea mai mare parte a aerului (în timp ce se află sub vid parțial ). În interiorul balonului pe un ax cu frecare redusă se află mai multe (de obicei patru) lame metalice verticale din aliaj ușor, situate la aceeași distanță de axa de rotație. Pe de o parte, lamele sunt fie lustruite, fie vopsite cu vopsea albă, pe de altă parte - neagră. Când sunt expuse la lumina soarelui, la lumină artificială sau la radiații infraroșii (chiar și căldura mâinilor poate fi suficientă), lamele încep să se rotească fără forță motrice aparentă: părțile întunecate se îndepărtează de sursa de radiație, iar părțile luminoase se apropie. Răcirea radiometrului determină rotația în sens opus.
Efectul începe să apară la o presiune parțială a vidului de câteva sute de pascali, atinge vârfuri la aproximativ 1 Pa și dispare când vidul atinge 10 -4 Pa. Cu un vid atât de mare, presiunea radiației fotonice pe lame poate fi observată în instrumente foarte sensibile (vezi radiometrul Nichols ), dar nu suficient pentru a le face să se rotească.
„Radio-” din numele dispozitivului provine din latinescul radius, care înseamnă „fascicul”; în acest caz, ne referim la radiații electromagnetice . Astfel, radiometrul Crookes poate fi folosit ca un dispozitiv care măsoară intensitatea radiației electromagnetice fără a interfera cu măsurarea în sine. Poate îndeplini o astfel de funcție, de exemplu, dacă în interior este instalat un disc rotativ cu fante, funcționând pe principiul unui stroboscop .
În prezent, radiometrele sunt vândute în întreaga lume ca un suvenir interesant care nu necesită baterii pentru a se roti. Ele vin într-o varietate de forme și sunt adesea folosite în muzeele de știință pentru a ilustra presiunea ușoară, un fenomen fizic la care nu se leagă cu adevărat.
Când o sursă de radiație este îndreptată către un radiometru Crookes, radiometrul devine un motor termic . Funcționarea unui motor termic se bazează pe o diferență de temperatură, care este transformată în mișcare mecanică. În cazul nostru, partea întunecată a lamei se încălzește mai mult, deoarece energia radiantă care vine de la sursa de lumină o încălzește mai repede decât partea lustruită sau ușoară. Când moleculele de aer ating partea neagră a lamei, ele „se încălzesc”, adică își măresc viteza. O descriere detaliată a motivului pentru care părțile ușoare ale lamelor se rotesc primele este dată mai jos.
Pe măsură ce lamele încălzite degajă căldură moleculelor de aer, temperatura din interiorul becului crește. Moleculele „încălzite” degajă energia pe care o primesc atunci când intră în contact cu pereții de sticlă ai balonului, a cărui temperatură este egală cu temperatura aerului din jur. Pierderea de căldură prin pereții balonului menține temperatura internă în așa fel încât se creează o diferență de temperatură pe două laturi adiacente ale palelor. Partea deschisă a lamei este mai rece decât partea întunecată, deoarece o parte de căldură este transferată din zona întunecată de pe partea inferioară a lamei. În același timp, partea ușoară este puțin mai caldă decât aerul din interiorul balonului. Cele două laturi ale fiecărei lame trebuie să fie izolate termic, astfel încât partea ușoară a lamei să nu atingă imediat temperatura părții negre. Dacă lamele sunt din metal, materialul izolator poate fi vopsea neagră sau albă. Temperatura sticlei becului rămâne aproape egală cu temperatura ambiantă, în contrast cu temperatura părții întunecate a lamei. Presiunea mai mare a aerului extern ajută la îndepărtarea căldurii din sticlă.
Presiunea aerului din interiorul balonului nu trebuie să fie prea scăzută sau prea mare. Vidul ridicat din interiorul lămpii va împiedica rotația, deoarece nu vor exista suficiente molecule de aer pentru a forma curenții de aer care rotesc lamele și transferă căldura spre exterior înainte ca ambele părți ale fiecărei lame să atingă echilibrul termic prin conducție prin materialul lor. Iar la presiune mare, diferența de temperatură nu va fi suficientă pentru a întoarce lamele, deoarece rezistența aerului va crește - fluxul de aer va încetini înainte de a ajunge pe partea opusă a lamei adiacente.
Forțele prezise atât de Einstein, cât și de Reynolds par să provoace rotația radiometrului Crookes, deși încă nu este clar care dintre ele are cel mai mare efect.
Pentru a se roti, lamele unui spinner Crookes nu trebuie să fie acoperite în culori diferite pe fiecare parte. În 2009, cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin au creat un radiometru cu o singură culoare care constă din patru lame curbate, fiecare formând suprafețe convexe și concave. Roata este acoperită uniform cu nanocristale de aur , care absorb puternic lumina. Când este expusă la lumină, datorită geometriei neobișnuite, partea convexă a lamei primește mai multă energie fotonică decât partea concavă; în acest caz, moleculele de gaz primesc, de asemenea, mai multă căldură din partea convexă decât din partea concavă. La vid mic, această încălzire asimetrică induce mișcarea gazului la fiecare lamă, de la partea concavă la partea convexă, ceea ce a fost demonstrat folosind metoda Monte Carlo de simulare statistică non-staționară (MSTSM). Mișcarea gazului face ca radiometrul să se rotească cu partea sa concavă înainte, în conformitate cu a treia lege a lui Newton .
Datorită apariției radiometrului cu lame monocolore, a devenit posibilă crearea unui micro- sau nanoradiometru, deoarece la dimensiuni atât de mici este dificil să simuleze materiale cu proprietăți optice diferite într-un spațiu tridimensional foarte mic. [7] [8]
În 2010, cercetătorii de la Universitatea din California din Berkeley au reușit să creeze un nanoradiometru care funcționează pe un principiu complet diferit de radiometrul Crookes. O roată de aur în formă de svastică , de doar 100 de nanometri în diametru, a fost construită și luminată cu un laser care a fost reglat pentru a-i oferi un impuls unghiular. Pentru prima dată, posibilitatea creării unui nanoradiometru cu un principiu de funcționare similar a fost propusă de fizicianul de la Universitatea Princeton, Richard Beth, în 1936. Cuplul a fost mult crescut prin cuplarea rezonantă a luminii incidente și a undelor de plasmon în grătarul metalic. [9]