Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
1873 жылы жарыққа түскенде айналатын құрылғы.
1873 device that rotates when exposed to light
Крукс радиометрі (кейде жарық диірмен деп те аталады) – іші ауадан жартылай босатылған, герметикалық жабық шыны шардан тұрады. Шарардың ішінде білікке бекітілген қанаттар жиынтығы орналасқан. Қанаттар жарыққа түскенде айналады, жарықтың қарқындылығы артаған сайын айналу жылдамдығы да артады, бұл электромагниттік сәулеленудің қарқындылығын сандық өлшеуге мүмкіндік береді. Құрылғының айналу себебі оны ойлап тапқаннан кейінгі он жыл бойы ғылыми пікірталас тудырды, бірақ 1879 жылы айналудың қазіргі таңда қабылданған түсіндірмесі жарияланды. Бүгінде бұл құрылғы физика сабағында жарық энергиясымен жұмыс істейтін жылу машинасының мысалы ретінде көбінесе қолданылады. Оны 1873 жылы химик сэр Уильям Крукс химиялық зерттеулер барысында жасайды. Өте дәл сандық химиялық жұмыстар жүргізу кезінде, ол ауа ағындарының әсерін азайту үшін жартылай босатылған камерада сынамаларды өлшеді және күн сәулесі таразыға түскенде өлшеудің бұзылатынын байқады. Осы құбылысты зерттеу барысында ол өз атымен аталған құрылғыны жасады. Құрылғы әлі де білім беру мақсатында немесе қызығушылық үшін өндіріліп, сатылуда.
The Crookes radiometer (also known as a light mill) consists of an airtight glass bulb containing a partial vacuum, with a set of vanes which are mounted on a spindle inside. The vanes rotate when exposed to light, with faster rotation for more intense light, providing a quantitative measurement of electromagnetic radiation intensity. The reason for the rotation was a cause of much scientific debate in the ten years following the invention of the device, but in 1879 the currently accepted explanation for the rotation was published. Today the device is mainly used in physics education as a demonstration of a heat engine run by light energy. It was invented in 1873 by the chemist Sir William Crookes as the by product of some chemical research. In the course of very accurate quantitative chemical work, he was weighing samples in a partially evacuated chamber to reduce the effect of air currents, and noticed the weighings were disturbed when sunlight shone on the balance. Investigating this effect, he created the device named after him. It is still manufactured and sold as an educational aid or for curiosity.
Жалпы сипаттама
Радиометр шыны шардан жасалады, одан ауаның көп бөлігі алынып, ішінара вакуум құрылады. Шардың ішінде, төмен үйкеліс тірегінде, осі бойымен тең аралықта орналасқан бірнеше (әдетте төрт) жеңіл тік қанатшалары бар ротор орналасқан. Қанатшалар бір жағынан жылтыратылған немесе ақ, екінші жағынан қара болып келеді. Күн сәулесіне, жасанды жарыққа немесе инфрақызыл сәулеленуге (тіпті жақын тұрған қолдың жылуы да жеткілікті) ұшырағанда, қанатшалар көзге көрінбейтін күш арқылы айналады, қара жақтары сәулелену көзінен шегінеді, ал ақ жақтары алға жылжиды. Радиометрдің сыртын жылдам салқындатса, айналу қарсы бағытта жүреді.
The radiometer is made from a glass bulb from which much of the air has been removed to form a partial vacuum. Inside the bulb, on a low friction spindle, is a rotor with several (usually four) vertical lightweight vanes spaced equally around the axis. The vanes are polished or white on one side and black on the other. When exposed to sunlight, artificial light, or infrared radiation (even the heat of a hand nearby can be enough), the vanes turn with no apparent motive power, the dark sides retreating from the radiation source and the light sides advancing. Cooling the outside of the radiometer rapidly causes rotation in the opposite direction.
Эффектті бақылау
Эффект бірнеше жүз паскальдық (немесе бірнеше торрлық) жартылай вакуум қысымында байқала бастайды, шамамен ең жоғары деңгейге жетеді және вакуум жеткен кезде тоқтап қалады (түсініктеме 1-ескертпеге қараңыз). Осы өте жоғары вакуумда фотон сәулеленуінің қысымы желпуіштерге әсер ететіні өте сезімтал құралдарда байқалады (Николс радиометрін қараңыз), бірақ бұл айналуға жеткіліксіз.
The effect begins to be observed at partial vacuum pressures of several hundred pascals (or several torrs), reaches a peak at around and has disappeared by the time the vacuum reaches (see explanations note 1). At these very high vacuums the effect of photon radiation pressure on the vanes can be observed in very sensitive apparatus (see Nichols radiometer), but this is insufficient to cause rotation.
Атаудың шығу тегі
Атаудағы "радио" префиксі латын тіліндегі radius сөзінің біріктірілген түрінен шыққан: бұл жерде ол электромагниттік сәулеленуді білдіреді. "Метр" қосымшасын аттас қылып қолданатын Крукс радиометрі электромагниттік сәулеленудің қарқындылығын сандық өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл, мысалы, өлшеу процесіне кедеріс келтірмей, визуальды тәсілдермен (айналмалы ойықты диск, қарапайым стробоскоп ретінде жұмыс істейтін) жүзеге асырылуы мүмкін. Радиометрлер қазір әлемнің көптеген елдерінде жаңалық ретінде сатылады; оларға батареялардың қажеті жоқ, желкендерді қозғалу үшін жарық жеткілікті. Олар әртүрлі пішінде болуы мүмкін, мысалы, суретте көрсетілгендей, және көбінесе ғылым музейлерінде "сәулелену қысымын" көрсету үшін қолданылады – бірақ шындығында олар бұл ғылыми қағиданы демонстрацияламайды.
The prefix "radio " in the title originates from the combining form of Latin radius, a ray: here it refers to electromagnetic radiation. A Crookes radiometer, consistent with the suffix " meter" in its title, can provide a quantitative measurement of electromagnetic radiation intensity. This can be done, for example, by visual means (e. g., a spinning slotted disk, which functions as a simple stroboscope) without interfering with the measurement itself. Radiometers are now commonly sold worldwide as a novelty ornament; needing no batteries, but only light to get the vanes to turn. They come in various forms, such as the one pictured, and are often used in science museums to illustrate "radiation pressure" – a scientific principle that they do not in fact demonstrate.
Абсорбциямен қозғалыс
Радиациялық энергия көзін Крукс радиометріне бағытталғанда, радиометр жылу машинасына айналады. Жылу машинасының жұмысы механикалық шығысқа айналатын температура айырмашылығына негізделген. Бұл жағдайда, қанаттың қара жағы басқа жағына қарағанда қызып кетеді, себебі жарық көзінен келетін сәулелену энергиясы қара жақты сіңіру арқылы күміс немесе ақ жақтан гөрі жылдам қыздырады. Ішкі ауа молекулалары қанаттың қара жағына тиген кезде қызып кетеді. Қанаттың жылы жағына оны алға жылжытатын күш әсер етеді. Қара қанаттардың ауа молекулаларына жылу беруімен ішкі температура көтеріледі, бірақ молекулалар шамның шыны бетіне тиген кезде салқындатылады, ал шамның шыны беті қоршаған орта температурасында болады. Шыны арқылы жылудың кетіп қалуы ішкі шам температурасын тұрақты ұстайды, нәтижесінде қанаттардың екі жағында температура айырмашылығы пайда болады. Ақ немесе күміс жақты қанаттар ішкі ауа температурасынан сәл жылырақ, бірақ қара жақтан салқын болады, себебі бір бөлігі жылу қанат арқылы қара жақтан өтеді. Әрбір қанаттың екі жағы да белгілі бір деңгейде жылу оқшаулағышпен жабдықталуы керек, сонда жылтыратылған немесе ақ жағы қара жақтың температурасына бірден жете алмайды. Егер қанат металдан жасалса, онда қара немесе ақ бояу оқшаулағыш ретінде қызмет ете алады. Шыны қоршаған орта температурасына қарағанда, қанаттардың қара жағына жететін температураға әлдеқайда жақын болады. Сыртқы ауа шыныдан жылуды кетіруге көмектеседі. Бұл теорияны бастапқыда Джеймс Клерк Максвелл қолдаған, ол осы күшті болжаған болатын. Бұл түсіндірме әлі күнге дейін құрылғымен бірге берілетін жапырақшаларда кездеседі. Бұл теорияны тексеру үшін алғашқы тәжірибені 1876 жылы Артур Шустер жүргізді, ол Крукс радиометрінің шыны шамында қанаттардың айналуына қарама-қарсы бағытта күш бар екенін байқады. Бұл радиометрдің ішінде қанаттарды айналдыратын күш пайда болатынын көрсетті. Егер айналудың себебі жарық қысымы болса, онда шамдағы вакуум неғұрлым жақсы болса, қозғалуға ауаның кедергісі соғұрлым азаяды және қанаттар соғұрлым жылдам айналады. 1901 жылы Пётр Лебедев жақсырақ вакуум сорғысымен радиометрдің тек лампада төмен қысымды газ болғанда ғана жұмыс істейтінін көрсетті, ал қанаттар қатты вакуумда қозғалмайды. Егер қозғаушы күш жарық қысымы болса, онда радиометр кері бағытта айналуы керек, себебі жарқыраған жақтағы фотондар сіңірілетін қара жақтан гөрі көбірек импульс жинақтайды. Бұл импульс сақталуының салдары, жарқыраған жақта шығатын шағылған фотондардың импульсі оны шағылған қанатпен сәйкес болуы керек. Жарықтан туындайтын нақты қысым бұл қанаттарды қозғалтуға тым аз, бірақ оны Никольс радиометрі сияқты құрылғылармен өлшеуге болады. Радиометрді жарық болмағанда оны қыздыру немесе суық ортаға (тоңазытқышқа) қою арқылы кері бағытта айналдыруға болады, онда термиялық сәулеленудің салдарынан қара жақтары ақ жақтарынан салқын болады. Тағы бір дұрыс емес теория қараңғы жақтағы жылу материалды газдан шығарып, радиометрді айналасына итеріп жіберді. Бұл кейіннен Шустердің (1876) және Лебедевтің (1901) тәжірибелерімен жоққа шығарылды.
When a radiant energy source is directed at a Crookes radiometer, the radiometer becomes a heat engine. The operation of a heat engine is based on a difference in temperature that is converted to a mechanical output. In this case, the black side of the vane becomes hotter than the other side, as radiant energy from a light source warms the black side by absorption faster than the silver or white side. The internal air molecules are heated up when they touch the black side of the vane. The warmer side of the vane is subjected to a force which moves it forward. The internal temperature rises as the black vanes impart heat to the air molecules, but the molecules are cooled again when they touch the bulb's glass surface, which is at ambient temperature. This heat loss through the glass keeps the internal bulb temperature steady with the result that the two sides of the vanes develop a temperature difference. The white or silver side of the vanes are slightly warmer than the internal air temperature but cooler than the black side, as some heat conducts through the vane from the black side. The two sides of each vane must be thermally insulated to some degree so that the polished or white side does not immediately reach the temperature of the black side. If the vanes are made of metal, then the black or white paint can be the insulation. The glass stays much closer to ambient temperature than the temperature reached by the black side of the vanes. The external air helps conduct heat away from the glass. This theory was originally supported by James Clerk Maxwell, who had predicted this force. This explanation is still often seen in leaflets packaged with the device. The first experiment to test this theory was done by Arthur Schuster in 1876, who observed that there was a force on the glass bulb of the Crookes radiometer that was in the opposite direction to the rotation of the vanes. This showed that the force turning the vanes was generated inside the radiometer. If light pressure were the cause of the rotation, then the better the vacuum in the bulb, the less air resistance to movement, and the faster the vanes should spin. In 1901, with a better vacuum pump, Pyotr Lebedev showed that in fact, the radiometer only works when there is low pressure gas in the bulb, and the vanes stay motionless in a hard vacuum. Finally, if light pressure were the motive force, the radiometer would spin in the opposite direction, as the photons on the shiny side being reflected would deposit more momentum than on the black side, where the photons are absorbed. This results from conservation of momentum – the momentum of the reflected photon exiting on the light side must be matched by a reaction on the vane that reflected it. The actual pressure exerted by light is far too small to move these vanes, but can be measured with devices such as the Nichols radiometer. It is in fact possible to make the radiometer spin in the opposite direction by either heating it or putting it in a cold environment (like a freezer) in absence of light, when black sides become cooler than the white ones due to the thermal radiation. Another incorrect theory was that the heat on the dark side was causing the material to outgas, which pushed the radiometer around. This was later effectively disproved by both Schuster's experiments (1876) and Lebedev's (1901)
Қазіргі таңда қабылданған теория
Қазіргі таңда қабылданған теорияны Осборн Рейнольдс ұсынды, ол термиялық транспирацияның қозғалыс себебін болжады. Рейнольдс, егер кезеңдік пластинканың бір жағы екіншісінен ыстық болса, газ молекулалары мен пластинкалар арасындағы өзара әрекеттесулер газдың салқын жағынан ыстық жағына ағып кетуіне әкеледі. Типтік Крукс радиометрінің қанаттары кезеңді емес, бірақ олардың жиектерінен кейінгі кеңістік Рейнольдс пластинасындағы кезеңдер сияқты әрекет етеді. Газ суық жақтан ыстық жаққа қарай қозғалғанда, ыстық жақтағы қысым артады. Пластинка бекітілген кезде, ыстық жақтағы қысым екі жақтың арасындағы қысымдар қатынасы абсолюттік температуралар қатынасының квадрат түбіріне тең болғанға дейін артады. Радиометрдің пластинкалары бекітілмегендіктен, суық жақтан ыстық жаққа дейінгі қысым айырмашылығы қанаттың қозғалуына себеп болады. Салқын (ақ) жақ артындағы жоғары қысымның әсерінен алға жылжып тұрады. Молекулалық тұрғыдан алғанда, қанаттың қозғалуы ыстық және суық жақтары арасындағы қанат жиектерімен әртүрлі соқтығысатын сиретілген газдың жанама күшімен байланысты. Максвелл сол жылы қайтыс болды және Корольдік қоғам Рейнольдстың жарияланбаған еңбегіне Максвеллдің қарсылығын жариялаудан бас тартты, өйткені бұл қатысы бар адамдардың бірі қайтыс болған кезде орынсыз пікір болады деп саналды.
The currently accepted theory was formulated by Osborne Reynolds, who theorized that thermal transpiration was the cause of the motion. Reynolds found that if a porous plate is kept hotter on one side than the other, the interactions between gas molecules and the plates are such that gas will flow through from the cooler to the hotter side. The vanes of a typical Crookes radiometer are not porous, but the space past their edges behaves like the pores in Reynolds's plate. As gas moves from the cooler to the hotter side, the pressure on the hotter side increases. When the plate is fixed, the pressure on the hotter side increases until the ratio of pressures between the sides equals the square root of the ratio of absolute temperatures. Because the plates in a radiometer are not fixed, the pressure difference from cooler to hotter side causes the vane to move. The cooler (white) side moves forward, pushed by the higher pressure behind it. From a molecular point of view, the vane moves due to the tangential force of the rarefied gas colliding differently with the edges of the vane between the hot and cold sides. Maxwell died that year and the Royal Society refused to publish Reynolds's critique of Maxwell's rebuttal to Reynolds's unpublished paper, as it was felt that this would be an inappropriate argument when one of the people involved had already died.
Көлденең желкелі жеңіл диірмен
Көлденең жақтағы ыстық жағынан суық жағына дейінгі жылулық сығу, жартысы қара, жартысы ақ екі түсті беті бар көлденең жақтағы желбезектері бар диірменде байқалды. Бұл конструкция Хетнер радиометрі деп аталады. Бұл радиометрдің бұрыштық жылдамдығы ыдыстағы газдың тудырған қарсылық күшіне байланысты, жылулық сығу күшіне байланысты қарағанда көбірек шектелген. Бұл конструкция Эйнштейн эффектісін бастан кешірмейді, себебі беттері температура градиентіне параллель орналасқан.
The thermal creep from the hot side of a vane to the cold side has been demonstrated in a mill with horizontal vanes that have a two tone surface with a black half and a white half. This design is called a Hettner radiometer. This radiometer's angular speed was found to be limited by the behavior of the drag force due to the gas in the vessel more than by the behavior of the thermal creep force. This design does not experience the Einstein effect because the faces are parallel to the temperature gradient.
Наношақты жеңіл диірмен
2010 жылы Берклидегі Калифорния университетінің зерттеушілері Крукс радиометрінен толығымен өзгеше принциппен жұмыс істейтін наноөлшемді жарық диірменін жасауға жетістікке қол жеткізді. Диаметрі 100 нанометр болатын алтын жарық диірмені, реттелген лазерлік сәулемен жарықтандырылды. Мұндай мүмкіндік 1936 жылы Принстон физигі Ричард Бет тарапынан ұсынылған еді. Алтын құрылымдағы плазмондық толқындарға түсетін жарықтың резонанстық байланысы арқасында айналу күші күрт күшейді.
In 2010 researchers at the University of California, Berkeley succeeded in building a nanoscale light mill that works on an entirely different principle to the Crookes radiometer. A gold light mill, only 100 nanometers in diameter, was built and illuminated by laser light that had been tuned. The possibility of doing this had been suggested by the Princeton physicist Richard Beth in 1936. The torque was greatly enhanced by the resonant coupling of the incident light to plasmonic waves in the gold structure.