크롤크스 방사선계

Crookes radiometer
크롤크스 방사선계

크룩스 방사선계(일명 라이트 밀)는 부분 진공을 포함하는 밀폐 유리 전구로 구성되며, 베인은 내부 스핀들에 장착된다. 베인은 빛에 노출되었을 때 회전하며, 더 강한 빛을 위해 더 빠른 회전을 통해 전자파 방사선 강도를 정량적으로 측정할 수 있다.

회전 이유는 장치 발명 후 10년 동안 많은 과학적 논쟁의 원인이었으나 1879년에 현재 승인된 회전 설명이 발표되었다.[1][2][3][4] 오늘날 이 장치는 주로 빛에너지에 의해 운영되는 열엔진의 시범으로서 물리 교육에 사용된다.

그것은 화학자 윌리엄 크룩스 경에 의해 1873년에 화학 연구의 부산물로 발명되었다. 그는 매우 정확한 정량 화학 작업을 하는 과정에서 기류의 영향을 줄이기 위해 부분적으로 대피한 챔버에서 샘플의 무게를 측정하고 있었는데, 균형에 햇빛이 비추면 무게가 흐트러지는 것을 알아차렸다. 이 효과를 조사하면서 그는 자신의 이름을 딴 장치를 만들었다.

지금도 교육원조나 호기심으로 제조 판매되고 있다.

일반 설명

크롤크스 방사능 측정기 작동 중

방사선계는 유리 전구로 만들어지며, 유리 전구는 공기의 많은 부분을 제거하여 부분적인 진공을 형성한다. 전구 내부, 저마찰 스핀들에는 여러 개의 (보통 4개의) 수직 경량 베인이 축을 중심으로 균등하게 간격을 두고 있는 로터가 있다. 베인은 한쪽은 광택이 나거나 흰색이고 다른 한쪽은 검은색이다.

햇빛, 인공광선, 적외선(주변 손의 열도 충분할 수 있음)에 노출되면 베인은 뚜렷한 동력이 없이 회전하고, 어두운 쪽은 방사선원에서 물러나고 광선이 전진한다.

방사선계를 냉각하면 반대 방향으로 회전한다.[5]

효과 관측치

효과는 수백 파스칼(또는 여러 토르)의 부분 진공 압력에서 관찰되기 시작하여 약 1 파스칼(7.5×10−3 Torr)에서 피크에 도달하고 진공 상태가 10 파스칼−4(7.5×10 Torr)에 도달할 때까지 사라졌다(설명 참고 1−7 참조). 이러한 매우 높은 진공에서 베인에 대한 광자 방사선 압력의 영향은 매우 민감한 장비에서 관찰할 수 있지만(Nichols radiometer 참조), 회전을 일으키기에는 불충분하다.

이름의 유래

제목에 "라디오-"라는 접두사는 라틴어 반지름의 결합 형태인 a ray에서 유래한다. 여기서 그것은 전자기 방사선을 가리킨다. 크로크스 방사선계는 제목의 접미사 "-m"과 일치하는 전자파 방사선 강도를 정량적으로 측정할 수 있다. 이것은 예를 들어, 측정 자체에 간섭하지 않고 시각적 수단(예: 단순한 스트로보스코프의 기능을 하는 회전 슬롯형 디스크)을 통해 수행할 수 있다.

방사능 측정기는 이제 새로운 장식품으로 전세계에서 흔히 팔리고 있다. 배터리는 필요 없고 베인이 돌아가려면 빛만 있어야 한다. 그것들은 그림처럼 다양한 형태로 나타나며 과학 박물관에서 종종 "방사선 압력"을 설명하는데 사용되는데, 이것은 그들이 실제로 증명하지 못하는 과학적 원리다.

열역학적 설명

조명을 켜고 끈 상태에서 작동하는 크롤크스 방사선계. (클립에 대한 캡션에 제시된 설명은 현대 설명과 일치하지 않는다는 점에 유의하십시오.)

흑체 흡수를 통한 움직임

복사 에너지원이 Crookes 방사선계를 향하면 방사선계는 열 엔진이 된다.[6] 열 엔진의 작동은 기계적 출력으로 변환되는 온도차에 기초한다. 이 경우 광원에서 나오는 복사 에너지가 은이나 백면보다 빠르게 흑체를 흡수하여 흑면을 따뜻하게 하기 때문에 베인의 검은 쪽이 다른 쪽보다 뜨거워진다. 내부 공기 분자는 베인의 검은 면을 만지면 뜨거워진다. 베인의 따뜻한 쪽은 베인을 앞으로 이동시키는 힘을 받는다.

검은 베인이 공기 분자에 열을 전달하면서 내부 온도가 올라가지만 주변 온도에 있는 전구의 유리 표면에 닿으면 분자가 다시 냉각된다. 유리를 통한 이러한 열 손실은 베인의 양쪽이 온도 차이를 발생시키는 결과와 함께 내부 전구 온도를 일정하게 유지시킨다. 베인의 흰색 또는 은색은 내부 공기 온도보다 약간 따뜻하지만 검은 쪽보다 시원하다. 일부 열이 검은 쪽에서 베인을 통해 전달되기 때문이다. 각 베인의 양쪽은 어느 정도 열 절연하여 광택이 나거나 흰 쪽이 즉시 검은 쪽의 온도에 도달하지 않도록 해야 한다. 베인이 금속으로 만들어진 경우 검은색 또는 흰색 페인트는 단열재가 될 수 있다. 유리는 베인의 검은 면이 도달한 온도보다 주변 온도에 훨씬 더 가깝게 유지된다. 외부 공기는 유리로부터 열을 전달하는데 도움을 준다.[6]

전구 내부의 공기 압력은 너무 낮거나 너무 높거나 균형을 이루어야 한다. 전구 내부의 강한 진공상태는 움직임을 허용하지 않는데, 이는 각 베인의 양쪽이 베인 물질을 통해 열전도에 의해 열 평형에 도달하기 전에 베인을 밀고 열을 외부로 전달하는 기류를 유발할 충분한 공기 분자가 없기 때문이다. 높은 내부 압력은 온도 차이가 더 높은 공기 농도를 통해 베인을 밀기에 충분하지 않기 때문에 움직임을 억제한다: "에디 전류"가 발생할 정도로 공기 저항이 너무 크며, 온도 차이에 의해 야기되는 모든 약간의 공기 이동은 더 높은 압력에 의해 감쇠된다. 반대편[6]

흑체 방사선을 이용한 이동

광원이 없는 상태에서 방사선계가 가열되면 전방 방향으로 회전한다(즉, 검은색 변이 후행). 사람의 손을 만지지 않고 유리컵 주위에 두면 베인이 천천히 돌거나 아예 돌지 않지만, 빨리 따뜻하게 하기 위해 유리를 건드리면 더욱 눈에 띄게 돌게 된다. 직접 가열된 유리는 베인을 돌릴 수 있을 만큼 적외선 방사선을 방출하지만 유리는 베인과 접촉하지 않는 온기의 원천에서 나오는 원적외선 방사선의 상당 부분을 차단한다. 그러나 근적외선 및 가시광선은 더 쉽게 유리를 관통한다.

유리에 얼음을 두거나 문이 거의 닫힌 채 냉동실에 넣어 강한 광원이 없는 상태에서 유리를 빠르게 식히면(즉, 은빛 자취) 뒤쪽으로 돌아간다. 이것은 검은 몸 흡수보다는 검은 베인의 검은 면으로부터의 검은 몸 복사를 보여준다. 바퀴는 검은 면과 환경 사이의 열의 순 교환이 처음에는 검은 면을 흰 면보다 더 빨리 냉각시키기 때문에 뒤로 돌아간다. 평형에 도달하면, 일반적으로 1~2분 후에 역회전하는 것이 중단된다. 이는 하루 종일 전방 회전이 유지될 수 있는 햇빛과 대비된다.

베인에 가해지는 힘에 대한 설명

수년간 크룩스 방사선계가 어떻게 작동하는지 설명하기 위한 많은 시도가 있었다.

부정확한 이론

크로크스는 그 힘이 빛의 압력 때문이라고 잘못 시사했다.[7] 이 이론은 원래 이 힘을 예언했던 제임스 서기 맥스웰에 의해 뒷받침되었다. 이러한 설명은 여전히 장치와 함께 포장된 전단지에 자주 나타난다. 이 이론을 시험하기 위한 첫 번째 실험은 1876년 아서 슈스터에 의해 이루어졌는데, 그는 크룩스 방사계의 유리 전구에 베인의 회전과 반대 방향에 있는 힘이 있음을 관찰했다. 이는 베인을 돌리는 힘이 방사선계 내부에서 발생했음을 보여주었다. 가벼운 압력이 회전의 원인이었다면 전구의 진공이 좋을수록 움직임에 대한 공기저항이 적어지며 베인은 더 빨리 회전해야 한다. 1901년, 보다 나은 진공펌프를 갖춘 표트르 레베데프는 사실 방사측정기는 전구에 저압 가스가 있을 때만 작동하며, 베인은 단단한 진공상태에서 움직이지 않고 있다는 것을 보여주었다.[8] 마지막으로 광압이 원동력이라면, 반사되는 광자의 반사되는 면의 광자는 광자가 흡수되는 검은색 면보다 더 많은 탄력이 축적되기 때문에 방사선계는 반대 방향으로 회전할 것이다. 이는 운동량 보존에서 기인한다 – 반사된 광자가 반사된 베인에 대한 반응으로 반사된 광자의 운동량을 일치시켜야 한다. 빛에 의해 작용하는 실제 압력은 이러한 베인을 움직이기에는 너무 작지만 니콜스 방사선계와 같은 장치로 측정할 수 있다. 실제로 흑체 방사선으로 인해 흑면이 백색보다 시원해졌을 때 이를 가열하거나 빛이 없는 차가운 환경(냉동고처럼)에 넣어 반대 방향으로 회전시키는 것이 가능하다.

또 다른 잘못된 이론은 어두운 쪽의 열이 물질을 밖으로 내보내서 방사선계를 밀어내고 있다는 것이었다. 이는 후에 슈스터의 실험[9](1876년)과 레베데프(1901년)[8]에 의해 효과적으로 반증되었다.

부분적으로 올바른 이론

부분적인 설명은 베인의 따뜻한 쪽에 부딪히는 가스 분자가 더 빠른 속도로 베인에서 튕겨 나가면서 열의 일부를 흡수한다는 것이다. 분자에게 이 추가 부스트를 주는 것은 베인에 미세한 압력이 가해진다는 것을 의미한다. 따뜻한 검은색 면과 차가운 은색 면 사이의 이 효과의 불균형은 베인의 순 압력이 검은색 면에 대한 밀기와 같으며, 그 결과 베인은 검은색 면 후행과 함께 회전한다. 이러한 생각의 문제는 빠르게 움직이는 분자가 더 많은 힘을 생산하지만, 다른 분자가 베인에 도달하는 것을 막는 일도 더 잘 하기 때문에 베인의 순 힘은 같아야 한다는 것이다. 온도가 높을수록 국부 밀도가 감소하여 양쪽에 동일한 힘이 발생한다. 이 설명이 기각된 지 몇 년이 지난 후, 알버트 아인슈타인은 두 압력이 베인의 가장자리에서 정확히 상쇄되지 않는다는 것을 보여주었다. 왜냐하면 그곳의 온도 차이 때문이다. 아인슈타인이 예측한 힘은 베인을 움직이기에 충분하지만, 충분히 빠르지는 않다.[10]

현재 인정된 이론

현재 받아들여지고 있는 이론은 오스본 레이놀즈에 의해 공식화되었는데, 오스본 레이놀즈는 이 운동의 원인이 열전달이라는 이론을 세웠다.[11] 레이놀즈는 만약 다공성 판이 다른 한 쪽보다 더 뜨겁게 유지된다면, 가스 분자와 판 사이의 상호작용은 가스가 더 뜨거운 쪽에서 더 차가운 쪽으로 흐를 것이라는 것을 발견했다. 일반적인 크룩스 방사선계의 베인은 다공성은 아니지만 가장자리를 지나쳐 있는 공간은 레이놀즈의 플레이트의 모공처럼 작용한다. 평균적으로 기체 분자는 압력비가 (절대)온도비의 제곱근보다 작을 때마다 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 이동한다. 이 압력 차이로 인해 베인은 고온의 가장자리에서 저온의 가장자리로 이동하는 희귀한 기체 이동의 접선력 때문에 차가운(흰색) 면이 앞으로 이동하게 된다.[3]

레이놀즈 논문은 맥스웰에 의해 검토되었기 때문에 한동안 미발표되었다. 맥스웰은 당시 레이놀즈의 미발표 논문에 수학에 대한 비평이 들어 있는 논문을 발표하였다.[12] 맥스웰은 그해 사망했고 로열 소사이어티는 레이놀즈의 미발표 논문에 대한 맥스웰의 반박에 대한 레이놀즈의 비평은 발표하기를 거부했는데, 이는 관련자 중 한 명이 이미 죽었을 때 부적절한 주장이 될 것으로 생각되었기 때문이다.[3]

올블랙 라이트 밀

회전하기 위해, 라이트 밀은 각 베인에 걸쳐 다른 색으로 코팅될 필요가 없다. 2009년, 오스틴 텍사스 대학의 연구원들은 4개의 곡선 베인이 있는 단조로운 광분지를 만들었다; 각각의 베인은 볼록하고 오목한 표면을 형성한다. 경량밀은 강력한 경량 흡수제인 금 나노크리스탈로 균일하게 코팅되어 있다. 노출 시 기하학적 효과로 인해 베인의 볼록한 쪽은 오목한 쪽보다 광자 에너지를 더 많이 받고, 그 후 가스 분자는 오목한 쪽보다 볼록한 쪽에서 더 많은 열을 받는다. 대략적인 진공에서 이러한 비대칭 가열 효과는 연구자들의 직접 시뮬레이션 몬테카를로 모델링에서 보여지듯이 오목한 쪽에서 볼록한 쪽으로 각 베인 전체에 걸쳐 순 가스 움직임을 생성한다. 기체 이동은 뉴턴의 제3법칙으로 인해 오목한 면이 앞으로 이동하면서 광분지가 회전하게 한다. 이 단조로운 디자인은 매우 좁고 3차원 공간 내에서 뚜렷한 광학적 성질의 재료를 패턴화하는 것이 어렵기 때문에 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 광학 밀의 제작을 촉진한다.[13][14]

수평 베인 라이트 밀

베인의 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 가는 열 크리프는 검은색 반과 흰색 반의 2톤 표면을 가진 수평 베인이 있는 방앗간에서 시연되었다. 이 디자인은 쳇너 방사선계라고 불린다. 이 방사광도계의 각속도는 열 크리프 힘의 작용보다 혈관 내 기체로 인한 항력력의 거동에 의해 제한되는 것으로 밝혀졌다. 이 디자인은 얼굴이 온도 구배와 평행하기 때문에 아인슈타인 효과를 경험하지 않는다.[15]

나노스케일 광분쇄기

2010년 버클리 캘리포니아 대학의 연구원들은 크룩스 방사선계와 전혀 다른 원리로 작동하는 나노 크기의 광분쇄기를 만드는 데 성공했다. 지름이 100나노미터에 불과한 금광분쇄기가 만들어져 튜닝된 레이저 광선에 의해 빛을 발했다. 이렇게 할 수 있는 가능성은 1936년 프린스턴의 물리학자 리처드 베스에 의해 제안되었다. 금 구조물의 플라스모닉 파동에 입사광의 공명 결합에 의해 토크가 크게 향상되었다.[16]

참고 항목

참조

  1. ^ Worrall, J. (1982), "The pressure of light: The strange case of the vacillating 'crucial experiment'", Studies in History and Philosophy of Science, 13 (2): 133–171, doi:10.1016/0039-3681(82)90023-1
  2. ^ The Electrical Engineer. Biggs & Company. 1888. p. 53.
  3. ^ a b c Gibbs, Philip (1996). "How does a light-mill work?". math.ucr.edu/home/baez/physics/index.html. Usenet Physics FAQ. Retrieved 8 August 2014.
  4. ^ "Light-Mills discussion; The n-Category Cafe". Retrieved 29 April 2017.
  5. ^ Ohio, The University of Akron. "the radiometer using inquiry to teach energy conversions". The University of Akron, Ohio. Retrieved 10 October 2021.
  6. ^ a b c Kraftmakher, Yaakov (29 August 2014). Experiments and demonstrations in physics (2 ed.). Singapore: World Scientific. p. 179. ISBN 9789814434904.
  7. ^ Crookes, William (1 January 1874). "On Attraction and Repulsion Resulting from Radiation". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 164: 501–527. doi:10.1098/rstl.1874.0015. S2CID 110306977..
  8. ^ a b Lebedew, Peter (1901). "Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes". Annalen der Physik. 311 (11): 433–458. Bibcode:1901AnP...311..433L. doi:10.1002/andp.19013111102.
  9. ^ Brush, S. G.; Everitt, C. W. F. (1969). "Maxwell, Osborne Reynolds, and the Radiometer". Historical Studies in the Physical Sciences. 1: 105–125. doi:10.2307/27757296. JSTOR 27757296.
  10. ^ Calaprice, Alice; et al. (27 October 2015). An Einstein encyclopedia. Princeton University Press. p. 190. ISBN 978-0691141749.
  11. ^ Reynolds, Osborne (1 January 1879). "On certain dimensional properties of matter in the gaseous state …". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 170: 727–845. doi:10.1098/rstl.1879.0078.; 2부.
  12. ^ Maxwell, J. Clerk (1 January 1879). "On stresses in rarefied gases arising from inequalities of temperature". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 170: 231–256. doi:10.1098/rstl.1879.0067.
  13. ^ Han, Li-Hsin; Shaomin Wu; J. Christopher Condit; Nate J. Kemp; Thomas E. Milner; Marc D. Feldman; Shaochen Chen (2010). "Light-Powered Micromotor Driven by Geometry-Assisted, Asymmetric Photon-heating and Subsequent Gas Convection". Applied Physics Letters. 96 (21): 213509(1–3). Bibcode:2010ApPhL..96u3509H. doi:10.1063/1.3431741. Archived from the original on 22 July 2011.
  14. ^ Han, Li-Hsin; Shaomin Wu; J. Christopher Condit; Nate J. Kemp; Thomas E. Milner; Marc D. Feldman; Shaochen Chen (2011). "Light-Powered Micromotor: Design, Fabrication, and Mathematical Modeling". Journal of Microelectromechanical Systems. 20 (2): 487–496. doi:10.1109/JMEMS.2011.2105249. S2CID 11055498.
  15. ^ Wolfe, David; Larraza, Andres (2016). Alejandro Garcia. "A Horizontal Vane Radiometer: Experiment, Theory, and Simulation". Physics of Fluids. 28 (3): 037103. arXiv:1512.02590. Bibcode:2016PhFl...28c7103W. doi:10.1063/1.4943543. S2CID 119235032.
  16. ^ Yarris, Lynn. "Nano-sized light mill drives micro-sized disk". Phys.org. Retrieved 6 July 2010.
일반 정보
  • 롭, 레너드 B. (1934년) 기체의 운동 이론 (제2판);McGraw-Hill 북컴퍼니; 페이지 353–386
  • Kennard, Earle H. (1938) Kinetic Ironics of Gas; McGraw-Hill Book Company; 페이지 327–337
특허
  • 미국 182172, 크룩스, 윌리엄 "방사능 강도를 나타내는 장치 개선" 1876-09-12를 발간했다.

외부 링크