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?

Gdy na radiometr pada światło, wiatraczek w jego wnętrzu zaczyna się obracać.

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?

Wyjaśnienie zjawiska znalazł irlandzki inżynier Osborne Reynolds, a jego opis matematyczny poprawił wybitny szkocki fizyk i matematyk J. C. Maxwell. Przyczyną takiego obracania się wiatraczka jest różnica w nagrzewaniu się jasnej i ciemnej powierzchni skrzydeł wiatraczka. Czarna powierzchnia, poprzez absorpcję (pochłanianie) promieniowania, nagrzewa się silniej i powoduje wzrost temperatury gazu znajdującego się w jej pobliżu. Ta różnica temperatur gazu powoduje powstanie różnicy ciśnień panujących po obu stronach skrzydła i w konsekwencji ruch wiatraczka w kierunku od wyższego, do niższego ciśnienia.

Za takim wyjaśnieniem 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 światłem, niemniej jednak radiometr to fantastyczna pomoc dydaktyczna, prezentująca zamianę energii promieniowania światła (energii cieplnej) na energię kinetyczną poruszającego się wirnika radiometru.