|
09. sept.. 2008.
One se zovu radiometri, i opšte je mišljenje da predstavljaju dobru ilustraciju logične činjenice da svetlost stvara pritisak. Ali nije baš tako prosto … Mislim da je svako. ko je iole radoznao. makar jednom zapazio negde ovu igračku. Potseća na uspravljenu sijalicu, samo što se unutra umesto klasičnog vlakna u vakuumu [1] nalazi mala i superlagana vrteška sa najčešće četiri lopatice, koja se okreću oko osovine u obliku, igle radi što manjeg otpora. Jedna strana svake lopatice je sjajna (ponekad i samo bela), dok je suprotna strana crna. Svaka sjajna strana pojedine lopatice okrenuta je ka tamnoj strani sledeće, i tako u krug. Kada se u spravu uperi svetlost [2], vrteška počinje polako da se okreće, uvek tako da tamne strane lopatica "beže" od svetlosti a sjajne strane idu ka njoj.
Tačan razlog zbog koga se vrteška radiometra okreće mučilo je ljude još od 1873., kada je spravicu sasvim slučajno otkrio hemičar ser William Crookes (1832–1919). On lično je bio ubeđen da je u pitanju pritisak svetlosti [3], koji zbog nečega jače gura crnu stranu lopatica nego svetlu. Ser Vilijam, koji je bio pametan momak (pronašao je talijum, ali je imao i velikog učešća i u otkrivanju osnovnih svojstava katodnih zraka), ipak je bio u zabludi što se tiče efekta pritiska svetlosti, ali je pokrenuo naučna istraživanja koja još uvek traju. Čak i danas u mnogim enciklopedijama mogu da se pročitaju popularna, ali dokazano pogrešna objašnjenja funkcionisanja Kruksovog radiometra.
Za početak, raskrinkajmo neka od objašnjenja funkcionisanja radiometra, koja tako bezbrižno egzistiraju u knjigama i sajtovima. Pritisak zračenja Svetlost je, kao što svi znaju (znaju li?), elektromagnetno zračenje. A elektromagnetno zračenje predstavlja, kao što takođe svi znaju (ili mogu lako da saznaju), tok sićušnih paketića energije koji se nazivaju fotonima. Oni se ponašaju poput malih metkova, koji kada negde udare mogu da izazovu vidljiv fizički efekat. Naprimer, fotoni svetlosti su u stanju da izbiju elektrone iz mnogih čvrstih materijala. To se naziva fotoelektričkim efektom, a uviđanje uloge fotona u svemu tome donelo je onomad Albertu Ajnštajnu Nobelovu nagradu (doduše, njegovo objašnjenje je bilo malo komplikovanije od mog.) Neko bi pomislio da ako fotonski meci pogađaju lopatice radiometarske vrteške one će početi i da se okreću – kao što bi to bio slučaj kada bi iz "kalašnjikova" gađao neki ventilator. Iako znamo da pritisak zračenja stvarno postoji, takođe nam je danas poznato da je on ipak preslab za tako nešto [4]. I da stvar bude gora, taj pritisak bi okretao vrtešku u suprotnom smeru! Evo zašto. Crne (tamne) površine apsorbuju svetlost, a bele (svetle) ih reflektuju. Tamna strana lopatica radiometra jednostavno proguta fotone dok ih sjajna strana odbija nazad, što izaziva kretanje unazad, baš kao što trza i mitraljez kada se rafalno puca iz njega. To bi dovelo do okretanja u suprotnom pravcu od sjajnih strana a u pravcu tamnih – upravo kontra od onog što se u stvarnosti dešava. Pritisak gasa Većini je ovo, izgleda, najomiljenije od svih pogrešnih objašnjenja. Njega preferira čak i Encyclopaedia Brittanica i mnoge druge enciklopedija, kao i mnogi učitelji nauke. Priča kaže da tamne površine lopatica apsorbuju više svetlosne energije od sjajnih strana, te su s toga uvek malo toplije. (Ovo dovde je sve tačno.) Vazduh koji obavija tamne površine – uvek mora da ima i malo vazduha u staklenom mehuru [5] (vidi prvu fusnotu) – zagreva se tom energijom (još uvek je sve korektno), što čini da je pritisak vazduha na tamnim stranama lopatica viši (netačno!). Takvo pretpostavljeni debalans pritiska trebalo bi da gura tamne površine, i izazove kretanje vrteške u pravcu u kome su okrenute sjajne strane lopatica. Ali kako onda odgovoriti na sledeće pitanje: Ako se vazduh zagreje, što stvarno tera njegove molekule da se brže kreću, zašto bi se takvi ubrzani molekuli češće zaletali u lopatice vrteške nego što bi se kretali u bilo kom drugom pravcu? Ne postoji usmereni spreg sila koji bi bio izazvan jednostavnim kretanjem molekula. Drugim rečima, vazdušni pritisak vazduha ne može da se poveća, zato što nije limitiran (zarobljen). Slobodan je da se širi i oslobodi inicijalni pritisak bilo gde unutar staklenog suda, te nema razloga da će se pre gurati lopatice nego se širiti u bilo kom drugom pravcu. Dakle, nema nikakvog sprega sila koji bi mogao da gura vrtešku, a koji bi bio izazvan zagrejanim vazduhom. Isparavanje Neki konspirativni teoretičari bi želeli da poverujemo da crno obojene strane lopatica na vrtešci sadrže apsorbovane (vezane sa površinom) gasove, pa kad se te strane usled prispelog svetlosnog zračenja zagreju, molekuli tih zarobljenih gasova izleću, baš kao što kokice izleću iz zagrejanog tiganja. Takvi molekuli bi trebalo da izazivaju određenu silu u lopaticama, kao što naprimer košarkaš prilikom skoka prenosi silu parketu, što dovodi do okretanja vrteške radiometra. Kada bi to bilo tačno, radiometar bi posle izvesnog vremena stao, čim bi svi apsorbovani gasovi bili oslobođeni. Fotoelektrični efekat Šta ako fotoni svetlosti izbacuju elektrone sa tamne strane lopatica, i time izazivaju okretanje vrteške? Ni ta teorija takođe "ne pije vodu", jer je lopatice radiometra moguće napraviti od materijala koji ne pokazuju nikakve fotoelektrične efekte; njihovi elektroni se drže suviše blizu vidljive svetlosti da bi mogli da budu izbacivani. Takođe, fotoelektrični efekat bi se javljao i u situaciji kada u mehuru vlada potpuni vakuum, a već smo rekli da radiometar "ne radi" bez makar malo vazduha unutar stakla. Konvekciono strujanje Zagrejane tamne površine uspostavljaju strujanje vazduha oko njih, uzrokovano konvekcijom [6], što izaziva okretanje vrteške. Jedini problem sa ovim je u tome što niko do sada nije uspeo da pronađe nekakvo strujanje vazduha koje duva samo u jednom pravcu: samo u tamne strane lopatica vrteške. Najbolje objašnjenje Godine 1881. britanski inženjer mehanike pod imenom Osborne Reynolds [7] (1842–1912), objavio je rad [8] kojim je teorijski objasnio funkcionisanje radiometra na način koji i danas većina naučnika širom sveta ozbiljno prihvata. Razlog zbog čega obješnjenje nije opšteprihvaćeno verovatno leži u tome što ono nije baš lako za objašnjenje ili razumevanje. Evo zašto. Nešto se stvarno dešava sa razlikom temperatura između toplijeg vazduha koji okružuje crnu stranu lopatica (zbog njihovog apsorbovanja energije), i hladnijeg vazduha koji oblaže sjajnu stranu lopatica. Izgleda da, kada taj vazduh prelazi ivice lopatica, brži molekuli pogađaju ivicu pod kosijim uglom nego hladniji molekuli, što izaziva guranje lopatica u pravcu koji je suprotan od crnih strana. Tačan razlog zašto bi to bilo tačno je zapreten u složenoj matematici, koji nisam spreman da vam (ili samom sebi) odgonetam. Priznajem da mi je teško da poverujem da su za okretanje okretaljke pre odgovorne ivice tankih lopatica vrteške od njihovih površina... Ali tako je rekao gosp. Reynolds, i nijedno drugo objašnjenje nije dalo bolje objašnjenje. Malo ti je sumljivo sve ovo, zar ne? P.S. Kome je ovo malo, samo da mu kažem da u slučaju zagrevanja radiometra bez prisustva svetlosti dolazi do okretanja sprave u istom smeru (crnom stranom napred). Ali ako počnemo da hladimo staklo, peraja vrteške će početi da se okreću – u suprotnom smeru!
(16.09.2008.) 22.09.2008.
Dragan
|
|
