Crookes radiometer (eller Crookes spinner ) - et firebladet pumpehjul balanceret på en nål inde i en glaskolbe med et let vakuum. Når en lysstråle rammer bladet, begynder pumpehjulet at rotere, hvilket nogle gange er forkert forklaret med let tryk .
Faktisk er årsagen til rotationen den radiometriske effekt - forekomsten af en frastødende kraft på grund af forskellen i de kinetiske energier af gasmolekyler, der falder ind på den oplyste, opvarmede side af bladet og på den modsatte, koldere side. [1] Årsagen til bladenes rotation har historisk set været genstand for megen videnskabelig debat. [2] [3]
Denne effekt blev opdaget og bygget af et radiometer (drejeskive) i 1874 af den engelske fysiker og kemiker William Crookes , som under en af de undersøgelser, der krævede meget nøjagtig vejning af stoffer, bemærkede, at de indfaldende solstråler i et delvist fordærvet kammer. haft indflydelse på balancen. Ved at studere denne effekt skabte han en enhed opkaldt efter ham. P. N. Lebedev målte i 1901 kraften af let tryk på et fast legeme, efter at have formået at slippe af med den radiometriske effekt i løbet af meget subtile eksperimenter.
Radiometeret består af en glaspære, hvorfra det meste af luften er blevet fjernet (under delvist vakuum ). Inde i kolben på en spindel med lav friktion er der flere (normalt fire) lodrette metalblade lavet af letlegering, placeret i samme afstand fra rotationsaksen. På den ene side er bladene enten polerede eller malet med hvid maling, på den anden side - sorte. Når de udsættes for sollys, kunstigt lys eller infrarød stråling (selv varmen fra hænderne kan være tilstrækkelig), begynder knivene at rotere uden nogen synlig drivkraft: de mørke sider bevæger sig væk fra strålingskilden, og de lyse sider nærmer sig. Afkøling af radiometeret forårsager rotation i den modsatte retning.
Effekten begynder at vise sig ved et vakuumpartialtryk på flere hundrede pascal, topper ved omkring 1 Pa og forsvinder, når vakuumet når 10 −4 Pa. Med så højt et vakuum kan trykket fra fotonstråling på bladene observeres i meget følsomme instrumenter (se Nichols radiometer ), men ikke nok til at få dem til at spinde.
"Radio-" i enhedens navn kommer fra det latinske radius, der betyder "stråle"; i dette tilfælde mener vi elektromagnetisk stråling . Crookes radiometer kan således bruges som en enhed, der måler intensiteten af elektromagnetisk stråling uden at forstyrre selve målingen. Den kan udføre en sådan funktion, for eksempel hvis en roterende slidsskive er installeret indeni, der fungerer efter princippet om et stroboskop .
I øjeblikket sælges radiometre rundt om i verden som en interessant souvenir, der ikke kræver batterier for at rotere. De kommer i en række forskellige former og bruges ofte på videnskabsmuseer til at illustrere lystryk, et fysisk fænomen de ikke rigtig relaterer til.
Når en strålingskilde peger mod et Crookes-radiometer, bliver radiometeret til en varmemotor . Driften af en varmemotor er baseret på en temperaturforskel, som omdannes til mekanisk bevægelse. I vores tilfælde opvarmes den mørke side af bladet mere, da den strålingsenergi, der kommer fra lyskilden, opvarmer den hurtigere end den polerede eller lyse side. Når luftmolekyler rører ved den sorte side af bladet, "varmes de op", det vil sige øger deres hastighed. En detaljeret beskrivelse af, hvorfor de lette sider af bladene roterer først, er givet nedenfor.
Da de opvarmede blade afgiver varme til luftmolekylerne, stiger temperaturen inde i pæren. De "opvarmede" molekyler afgiver den energi, de modtager, når de kommer i kontakt med kolbens glasvægge, hvis temperatur er lig med den omgivende lufts temperatur. Varmetabet gennem kolbens vægge opretholder den indre temperatur på en sådan måde, at der skabes en temperaturforskel på to tilstødende sider af bladene. Den lyse side af klingen er koldere end den mørke side, fordi der overføres noget varme fra det mørke område på undersiden af klingen. Samtidig er den lyse side lidt varmere end luften inde i kolben. De to sider af hver klinge skal være termisk isoleret, så den lyse side af bladet ikke umiddelbart når temperaturen på den sorte side. Hvis knivene er lavet af metal, kan isoleringsmaterialet være sort eller hvid maling. Temperaturen på pæreglasset forbliver næsten lig med den omgivende temperatur, i modsætning til temperaturen på den mørke side af bladet. Det højere ydre lufttryk hjælper med at fjerne varme fra glasset.
Lufttrykket inde i kolben må ikke være for lavt eller for højt. Det høje vakuum inde i lampen vil forhindre rotation, fordi der ikke vil være nok luftmolekyler til at danne luftstrømmene, der spinder knivene og overfører varme udad, før begge sider af hver kniv når termisk ligevægt ved ledning gennem deres materiale. Og ved højt tryk vil temperaturforskellen ikke være nok til at dreje knivene, da luftmodstanden vil stige - luftstrømmen vil bremse, før den når den modsatte side af den tilstødende vinge.
De kræfter, der er forudsagt af både Einstein og Reynolds, ser ud til at forårsage rotationen af Crookes-radiometeret, selvom det stadig ikke er klart, hvilken der har den største effekt.
For at kunne rotere behøver knivene på en Crookes spinner ikke være dækket af forskellige farver på hver side. I 2009 skabte forskere ved University of Texas i Austin et enkeltfarvet radiometer, der består af fire buede blade, der hver danner konvekse og konkave overflader. Nålehjulet er jævnt belagt med guld nanokrystaller , som er stærke lysabsorberende. Når den udsættes for lys, på grund af den usædvanlige geometri, modtager den konvekse side af bladet mere fotonenergi end den konkave side; i dette tilfælde modtager gasmolekylerne også mere varme fra den konvekse side end fra den konkave side. Ved lavt vakuum inducerer denne asymmetriske opvarmning gasbevægelse ved hvert blad, fra den konkave side til den konvekse side, hvilket er blevet demonstreret ved hjælp af Monte Carlo-metoden til ikke-stationær statistisk simulering (MSTSM). Gassens bevægelse får radiometeret til at rotere med sin konkave side fremad, i overensstemmelse med Newtons tredje lov .
Takket være fremkomsten af radiometret med enkeltfarvede blade blev det muligt at skabe et mikro- eller nanoradiometer, da det i så små størrelser er svært at simulere materialer med forskellige optiske egenskaber i et meget lille tredimensionelt rum. [7] [8]
I 2010 lykkedes det forskere ved University of California i Berkeley at skabe et nanoradiometer, der fungerer efter et helt andet princip end Crookes-radiometeret. Et hagekors -formet guldnålehjul , kun 100 nanometer i diameter, blev bygget og oplyst med en laser, der var indstillet til at give det vinkelmomentum. For første gang blev muligheden for at skabe et nanoradiometer med et lignende driftsprincip foreslået af Princeton University fysiker Richard Beth i 1936. Drejningsmomentet er blevet kraftigt øget ved resonanskobling af det indfaldende lys og plasmonbølger i metalgitteret. [9]