Radiometr Crookesa

Radiometr Crookesa to nie tylko super pomoc dydaktyczna, ale również elegancki prezent dla nauczyciela przedmiotów ścisłych oraz dla fascynata naukowych gadżetów!

Urządzenie to składa się z wiatraczka umieszczonego w szklanej bańce. Skrzydła wiatraczka z jednej strony są czarne, z drugiej zaś – posrebrzone. Szklana bańka wypełniona jest powietrzem o niskim ciśnieniu.

Jak działa radiometr Crookesa?

W poniższym filmiku prezentujemy działanie, historię odkrycia i wyjaśnienie tego, jak działa radiometr Crookesa.

W 1873 roku, gdy angielski fizyk William Crookes konstruował swój wynalazek, pragnął, by wykazywał on, że światło wywiera ciśnienie na powierzchnię, na którą pada. Dowodem tego zjawiska miało być właśnie obracanie się skrzydeł wiatraczka wewnątrz bańki, pod wpływem oświetlania urządzenia.

Crookes sądził, że wiatraczek będzie się poruszał dzięki temu, że od posrebrzonej powierzchni światło odbija się, natomiast przez czarną jest pochłaniane – skąd miała powstać różnica w wywieranym przez światło ciśnieniu, między dwiema powierzchniami skrzydła wiatraczka. Przy takich założeniach wiatraczek powinien obracać się w kierunku zgodnym z kierunkiem padania światła na posrebrzoną powierzchnię, czyli czarną stroną do przodu. Okazało się jednak, że wiatraczek kręci się w przeciwnym kierunku niż oczekiwano, wobec czego nie można było tłumaczyć jego ruchu wpływem ciśnienia promieniowania...

Co zatem stoi za obracaniem się wiatraczka?

Obracanie wiatraczka spowodowane jest efektem, który nazywany jest pełzaniem termicznym lub transpiracją termiczną. Różnica w nagrzewaniu się jasnej i ciemnej powierzchni łopatek wiatraczka sprawia, że powstaje różnica gęstości gazu znajdującego się w pobliżu tych powierzchni. Z tego powodu cząsteczki gazu zaczynają się przemieszczać w kierunku od czarnej do srebrnej powierzchni i zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona wprawiają w ruch wiatraczek, który obraca się w przeciwnym kierunku do ruchu cząsteczek gazu.

Wyjaśnienie zjawiska znalazł irlandzki inżynier Osborne Reynolds, a jego opis matematyczny poprawił wybitny szkocki fizyk i matematyk J. C. Maxwell. 

Za odrzuceniem teorii, że wiatraczek jest napędzany ciśnieniem światła przemawia również fakt, że zmniejszenie ciśnienia powietrza w bańce radiometru poniżej pewnego progu (około 10⁻⁴Pa), powoduje zaniknięcie zjawiska – wiatraczek przestaje się obracać. Gdyby przyczyną obrotów było ciśnienie promieniowania, wówczas zmniejszanie ciśnienia powietrza w bańce radiometru, nawet do stanu doskonałej próżni, powinno powodować zmniejszenie oporów powietrza i coraz szybsze obroty wiatraczka radiometru.

Nie da się zatem napędzać żagli statków światłem, niemniej jednak radiometr to fantastyczna pomoc dydaktyczna, prezentująca zamianę energii promieniowania światła (energii cieplnej) na energię kinetyczną poruszającego się wirnika radiometru.