Радиометр Крукса: вращающееся устройство для измерения света.

Введение

Прибор 1873 года, который вращается под воздействием света.

Радиометр Крукса (также известный как световая мельница) состоит из герметичной стеклянной колбы, содержащей частичный вакуум, с набором лопастей, установленных внутри на оси. Лопасти вращаются при воздействии света, причем более интенсивный свет вызывает более быстрое вращение, обеспечивая количественное измерение интенсивности электромагнитного излучения. Причина вращения долгое время была предметом научных споров, но в 1879 году было опубликовано современное объяснение этого явления. Сегодня прибор в основном используется в физическом образовании для демонстрации теплового двигателя, работающего на световой энергии. Он был изобретен в 1873 году химиком сэром Уильямом Круксом как побочный результат его химических исследований. В ходе точных количественных химических работ он взвешивал образцы в частично эвакуированной камере, чтобы уменьшить влияние воздушных потоков, и заметил, что на показания весов влияет солнечный свет. Изучая этот эффект, он создал прибор, названный в его честь. Он до сих пор производится и продается в качестве учебного пособия или просто из любопытства.

Общее описание

Радиометр изготовлен из стеклянной колбы, из которой удалено большинство воздуха для создания частичного вакуума. Внутри колбы, на шпинделе с низким трением, расположен ротор с несколькими (обычно четырьмя) вертикальными легкими лопастями, равномерно распределенными вокруг оси. Лопасти отполированы или окрашены в белый цвет с одной стороны и в черный – с другой. Под воздействием солнечного света, искусственного освещения или инфракрасного излучения (даже тепла руки поблизости может быть достаточно), лопасти начинают вращаться без видимого источника энергии, при этом темные стороны отворачиваются от источника излучения, а светлые – приближаются к нему. Быстрое охлаждение внешней поверхности радиометра вызывает вращение в противоположном направлении.

Наблюдения за эффектом

Эффект начинает наблюдаться при частичном вакуумном давлении в несколько сотен паскалей (или нескольких торров), достигает максимума приблизительно в районе [значение] и исчезает к тому времени, когда вакуум достигает [значение] (см. пояснение 1). При этих очень высоких вакуумах эффект давления фотонов на лопасти можно наблюдать в высокочувствительном оборудовании (см. радиометр Никольса), но этого недостаточно для возникновения вращения.

Происхождение названия

Префикс "радио" в названии происходит от латинского слова radius, означающего "луч", в его сочетательной форме: в данном случае он относится к электромагнитному излучению. Радиометр Крукса, что соответствует суффиксу "метр" в его названии, способен количественно измерять интенсивность электромагнитного излучения. Это можно сделать, например, визуально (например, с помощью вращающегося диска с прорезями, который работает как простой стробоскоп), не влияя на само измерение. Сегодня радиометры широко продаются по всему миру как необычные украшения, не требующие батареек, а лишь света для вращения лопастей. Они выпускаются в различных формах, как, например, на изображении, и часто используются в научных музеях для иллюстрации "давления излучения" – научного принципа, который они на самом деле не демонстрируют.

Движение с поглощением

Когда источник излучения направлен на радиометр Крукса, радиометр превращается в тепловой двигатель. Принцип работы теплового двигателя основан на разнице температур, которая преобразуется в механическую работу. В данном случае, черная сторона лопасти нагревается сильнее, чем другая, поскольку излучаемая энергия от источника света поглощается черной стороной быстрее, чем серебряной или белой. Внутренние молекулы воздуха нагреваются при контакте с черной стороной лопасти. Более теплая сторона лопасти подвергается воздействию силы, которая приводит ее в движение. Внутренняя температура повышается, когда черные лопасти передают тепло молекулам воздуха, но молекулы вновь охлаждаются, соприкасаясь со стеклянной поверхностью баллона, находящейся при температуре окружающей среды. Эта потеря тепла через стекло поддерживает стабильную внутреннюю температуру баллона, что приводит к возникновению разницы температур между двумя сторонами лопастей. Белая или серебряная сторона лопастей немного теплее, чем внутренняя температура воздуха, но холоднее, чем черная сторона, поскольку некоторое тепло передается через лопасть от черной стороны. Обе стороны каждой лопасти должны быть в определенной степени теплоизолированы, чтобы полированная или белая сторона не достигла температуры черной стороны немедленно. Если лопасти изготовлены из металла, то черная или белая краска может служить изоляцией. Стекло остается гораздо ближе к температуре окружающей среды, чем температура, достигаемая черной стороной лопастей. Внешний воздух способствует отводу тепла от стекла. Эта теория первоначально была поддержана Джеймсом Клерком Максвеллом, который предсказал существование этой силы. Это объяснение до сих пор часто встречается в инструкциях, прилагаемых к прибору. Первый эксперимент по проверке этой теории был проведен Артуром Шустером в 1876 году, который обнаружил, что на стеклянный баллон радиометра Крукса действует сила, направленная противоположно вращению лопастей. Это показало, что сила, вращающая лопасти, генерируется внутри радиометра. Если бы причиной вращения было давление света, то чем лучше вакуум в баллоне, тем меньше сопротивление воздуха движению, и тем быстрее должны вращаться лопасти. В 1901 году, используя улучшенный вакуумный насос, Пётр Лебедев показал, что на самом деле радиометр работает только при низком давлении газа в баллоне, а лопасти остаются неподвижными в глубоком вакууме. Наконец, если бы движущей силой было давление света, то радиометр вращался бы в противоположном направлении, поскольку фотоны, отраженные от блестящей стороны, передавали бы больший импульс, чем фотоны, поглощенные черной стороной. Это обусловлено законом сохранения импульса – импульс отраженного фотона, выходящего со светлой стороны, должен уравновешиваться реакцией на лопасть, которая его отразила. Фактическое давление, оказываемое светом, слишком мало для перемещения этих лопастей, но его можно измерить с помощью таких приборов, как радиометр Никольса. На самом деле можно заставить радиометр вращаться в противоположном направлении, нагревая его или помещая в холодную среду (например, в морозильную камеру) в отсутствие света, когда черные стороны становятся холоднее белых из-за теплового излучения. Другая ошибочная теория заключалась в том, что тепло на темной стороне вызывало дегазацию материала, что приводило к перемещению радиометра. Позже это было эффективно опровергнуто экспериментами Шустера (1876) и Лебедева (1901).

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)

В настоящее время принятая теория

В настоящее время общепринятая теория была сформулирована Осборном Рейнольдсом, который предположил, что тепловая транспирация является причиной движения. Рейнольдс обнаружил, что если пористую пластину поддерживать горячее с одной стороны, чем с другой, взаимодействие между молекулами газа и пластиной приводит к тому, что газ протекает с холодной стороны на горячую. Лопасти типичного радиометра Крукса не пористые, но пространство вокруг их краев ведет себя подобно порам в пластине Рейнольдса. По мере перемещения газа с холодной стороны на горячую, давление на горячую сторону возрастает. Если пластина зафиксирована, давление на горячей стороне увеличивается до тех пор, пока отношение давлений между сторонами не станет равно квадратному корню из отношения абсолютных температур. Поскольку лопасти в радиометре не зафиксированы, разница давлений между холодной и горячей сторонами заставляет лопасть двигаться. Более холодная (белая) сторона движется вперед, подталкиваемая более высоким давлением сзади. С молекулярной точки зрения, движение лопасти обусловлено тангенциальной силой разреженного газа, который по-разному сталкивается с краями лопасти между горячей и холодной сторонами. Максвелл умер в том же году, и Королевское общество отказалось публиковать критику Рейнольдса на опровержение Максвелла его неопубликованной работы, поскольку считалось, что это будет неуместным спором, учитывая смерть одного из участников.

Горизонтальная лепестная световая мельница

Тепловой ползучий эффект от горячей стороны лопасти к холодной был продемонстрирован в мельнице с горизонтальными лопастями, имеющими двухцветную поверхность – черную с одной стороны и белую с другой. Эта конструкция называется радиометром Хеттнера. Было установлено, что угловая скорость этого радиометра в большей степени ограничивается поведением силы сопротивления газа в сосуде, чем поведением силы теплового ползучего эффекта. В данной конструкции эффект Эйнштейна не наблюдается, поскольку поверхности лопастей параллельны градиенту температуры.

Наноразмерная легкая мельница

В 2010 году исследователям из Калифорнийского университета в Беркли удалось создать наноразмерную световую мельницу, работающую по принципиально иному механизму, чем у радиометра Крукса. Была изготовлена золотая световая мельница диаметром всего 100 нанометров, которая освещалась настроенным лазерным лучом. Возможность создания подобного устройства была предсказана физиком из Принстона Ричардом Бетом еще в 1936 году. Значительное увеличение крутящего момента было достигнуто за счет резонансного взаимодействия падающего света с плазмонными волнами в золотой структуре.