Crookesův radiometr (nebo Crookes spinner ) - čtyřlisté oběžné kolo vyvážené na jehle uvnitř skleněné baňky s mírným podtlakem. Když světelný paprsek dopadne na lopatku, oběžné kolo se začne otáčet, což se někdy nesprávně vysvětluje lehkým tlakem .
Ve skutečnosti je důvodem rotace radiometrický efekt - vznik odpudivé síly v důsledku rozdílu kinetických energií molekul plynu dopadajících na osvětlenou, vyhřívanou stranu lopatky a na opačnou, chladnější stranu. [1] Důvod rotace lopatek byl historicky předmětem mnoha vědeckých debat. [2] [3]
Tento efekt objevil a sestrojil radiometr (otočný talíř) v roce 1874 anglický fyzik a chemik William Crookes , který si při jedné ze studií, které vyžadovaly velmi přesné vážení látek, všiml, že v částečně zředěné komoře dopadající sluneční paprsky mělo vliv na rovnováhu. Studiem tohoto efektu vytvořil zařízení pojmenované po něm. P. N. Lebeděv v roce 1901 změřil sílu lehkého tlaku na pevné těleso, když se mu podařilo zbavit se radiometrického efektu v průběhu velmi jemných experimentů.
Radiometr se skládá ze skleněné baňky, ze které byla odstraněna většina vzduchu (v částečném vakuu ). Uvnitř baňky na vřetenu s nízkým třením je několik (obvykle čtyři) vertikální kovové lopatky z lehké slitiny, umístěné ve stejné vzdálenosti od osy otáčení. Na jedné straně jsou čepele buď leštěné nebo natřené bílou barvou, na druhé straně černé. Při vystavení slunečnímu světlu, umělému světlu nebo infračervenému záření (dokonce i teplo rukou může být dostatečné) se lopatky začnou otáčet bez zjevné hnací síly: temné strany se vzdalují od zdroje záření a světlé strany se přibližují. Chlazení radiometru způsobí rotaci v opačném směru.
Účinek se začíná objevovat při parciálním tlaku vakua několik set pascalů, vrcholí při asi 1 Pa a mizí, když vakuum dosáhne 10 −4 Pa. Při takto vysokém vakuu lze u velmi citlivých přístrojů (viz Nicholsův radiometr ) pozorovat tlak fotonového záření na lopatky, ale ne natolik, aby způsobil jejich roztočení.
"Rádio-" v názvu zařízení pochází z latinského rádius, což znamená "paprsek"; v tomto případě máme na mysli elektromagnetické záření . Crookesův radiometr lze tedy použít jako zařízení, které měří intenzitu elektromagnetického záření, aniž by rušilo samotné měření. Takovou funkci může plnit například v případě, že je uvnitř instalován rotující štěrbinový disk fungující na principu stroboskopu .
V současné době se radiometry prodávají po celém světě jako zajímavý suvenýr, který k otáčení nepotřebuje baterie. Přicházejí v různých tvarech a často se používají ve vědeckých muzeích k ilustraci světelného tlaku, což je fyzikální jev, se kterým se ve skutečnosti netýkají.
Když je zdroj záření namířen na Crookesův radiometr, z radiometru se stane tepelný stroj . Provoz tepelného motoru je založen na teplotním rozdílu, který se přeměňuje na mechanický pohyb. V našem případě se temná strana čepele zahřívá více, protože sálavá energie přicházející ze světelného zdroje ji ohřívá rychleji než leštěná nebo světlá strana. Když se molekuly vzduchu dotknou černé strany čepele, „zahřejí se“, tedy zvýší svou rychlost. Podrobný popis toho, proč se světlé strany lopatek otáčejí jako první, je uveden níže.
Jak vyhřívané lopatky předávají teplo molekulám vzduchu, teplota uvnitř baňky se zvyšuje. „Zahřáté“ molekuly při kontaktu se skleněnými stěnami baňky vydávají přijatou energii, jejíž teplota se rovná teplotě okolního vzduchu. Ztráta tepla stěnami baňky udržuje vnitřní teplotu tak, že na dvou sousedních stranách lopatek vzniká teplotní rozdíl. Světlá strana čepele je chladnější než temná strana, protože část tepla se přenáší z tmavé oblasti na spodní straně čepele. Světlá strana je přitom o něco teplejší než vzduch uvnitř baňky. Obě strany každé čepele musí být tepelně izolovány, aby světlá strana čepele okamžitě nedosáhla teploty černé strany. Pokud jsou čepele vyrobeny z kovu, může být izolačním materiálem černá nebo bílá barva. Teplota skla baňky zůstává téměř stejná jako okolní teplota, na rozdíl od teploty tmavé strany čepele. Vyšší vnější tlak vzduchu pomáhá odvádět teplo ze skla.
Tlak vzduchu uvnitř baňky by neměl být příliš nízký ani příliš vysoký. Vysoké vakuum uvnitř lampy zabrání rotaci, protože nebude dostatek molekul vzduchu k vytvoření proudů vzduchu, které roztáčí lopatky a přenášejí teplo ven, než obě strany každé lopatky dosáhnou tepelné rovnováhy vedením přes jejich materiál. A při vysokém tlaku nebude teplotní rozdíl stačit k otáčení lopatek, protože se zvýší odpor vzduchu – proud vzduchu se zpomalí, než se dostane na opačnou stranu sousední lopatky.
Zdá se, že síly předpovídané Einsteinem i Reynoldsem způsobují rotaci Crookesova radiometru, i když stále není jasné, která z nich má větší účinek.
Aby se mohly otáčet, čepele Crookesova spinneru nemusí být na každé straně pokryty různými barvami. V roce 2009 vytvořili vědci z Texaské univerzity v Austinu jednobarevný radiometr, který se skládá ze čtyř zakřivených lopatek, z nichž každá tvoří konvexní a konkávní povrchy. Větrník je rovnoměrně potažen zlatými nanokrystaly , které jsou silnými absorbéry světla. Když je vystavena světlu, díky neobvyklé geometrii dostává konvexní strana čepele více fotonové energie než strana konkávní; v tomto případě také molekuly plynu přijímají více tepla z konvexní strany než z konkávní strany. Při nízkém vakuu toto asymetrické zahřívání indukuje pohyb plynu u každé lopatky, od konkávní strany ke konvexní straně, což bylo prokázáno pomocí metody nestacionární statistické simulace (MSTSM) Monte Carlo. Pohyb plynu způsobí, že se radiometr otáčí konkávní stranou dopředu, v souladu s třetím Newtonovým zákonem .
Díky nástupu radiometru s jednobarevnými lopatkami bylo možné vytvořit mikro- nebo nanoradiometr, protože při tak malých velikostech je obtížné simulovat materiály s různými optickými vlastnostmi ve velmi malém trojrozměrném prostoru. [7] [8]
V roce 2010 se vědcům z Kalifornské univerzity v Berkeley podařilo vytvořit nanoradiometr, který funguje na zcela odlišném principu než Crookesův radiometr. Zlatý větrník ve tvaru svastiky o průměru pouhých 100 nanometrů byl postaven a osvětlen laserem, který byl vyladěn tak, aby mu dodal úhlovou hybnost. Poprvé byla možnost vytvořit nanoradiometr s podobným principem činnosti navržena fyzikem z Princetonské univerzity Richardem Bethem v roce 1936. Točivý moment byl značně zvýšen rezonanční vazbou dopadajícího světla a plasmonových vln v kovové mřížce. [9]