Радиометр Лебедева

Радиометр предназначен для проведения демонстрационных экспериментов на уроках физики в средней школе при изучении молекулярно-кинетической теории газов.

Радиометр представляет собой запаянную стеклянную емкость, из которой откачана часть воздуха и создан вакуум определенной степени. Внутри сосуда закреплена вертушка (крыльчатка), которая вращается на острие иглы, наподобие стрелки компаса. Одна и та же сторона каждой пластины крыльчатки покрыта черной краской, а другая оставлена светлой (белого цвета).
Под воздействием солнечных лучей или излучения иного рода крыльчатка начинает вращение с постоянной скоростью.

Долгое время считалось, что причиной возникновения вращательного движения крыльчатки является давление света. Но в действительности, причины его вращения не ясны до сих пор.

Радиометр был создан в 1873 британским ученым сэром Вильямом Круксом. Изобретен он в общем–то случайно, первоначально Крукс хотел определить атомный вес открытого им нового элемента таллия, для чего ему потребовалось изготовить очень точные часы, находящиеся в вакууме. Однако вскоре всплыл удивительный факт, что данные весы оказались чувствительны не только к весу, но и к освещению, т.е. фактически взвешивали свет! Наблюдение этого эффекта и привело в скором времени к появлению радиометра Крукса в его современном виде: прозрачная стеклянная колба с частичным вакуумом, в которой подвешен ротор — сбалансированная крыльчатка, лопасти которой с одной стороны светлые (чаще всего серебристые), а с другой темные (черные). При освещении ротора он начинает вращаться светлой стороной лопастей вперед. По современным представлением в колбе не полный, а частичный вакуум, т.к. насосы в те времена были не идеальны.
Осталось объяснить причины, почему этот радиометр собственно работает. Первоначально Крукс был убежден, что вращение ротора вызвано давлением света на черные стороны лопастей, аналогично давлению воды на колесо водяной мельницы. Он сообщил о своем изобретении Джеймсу Клерку Максвеллу. Максвелл, как раз тогда недавно открывший свою теорию электромагнетизма, обрадовался прибору и согласился с этим объяснением, так как оно подтверждало существование предсказанного им давления света. Но тут случился казус — данная теория была вскоре опровергнута сначала Артуром Шустером, показавшим, что давление света должно вызывать силу, направленную в противоположную сторону от предсказанной Максвеллом, т.е. ротор вообще–то должен вращаться в другу сторону! Вдобавок наш соотечественник Петр Лебедев поставил эксперимент с более качественным вакуумом в колбе, и ротор в таком вакууме переставал вращаться совсем. В результате объяснение Максвелла было признано неверным, а пытливые умы физиков продолжили искать другие объяснения причин вращения.
Следующим этапом на этом пути стала теория различного нагрева поверхностей лопастей. Очевидно, что черная сторона, поглощающая свет, нагревается сильнее серебристой отражающей стороны. Горячие черные стороны вызывают локальный нагрев близлежащего к ним газа, что в свою очередь вызывает локальное повышение давления в этих зонах нагрева, и это давление толкает лопасти вперед аналогично подъемной силе на крыле самолета.
Когда эта теория стала известна Максвеллу – он, помянуя свою предыдущую ошибку, принялся за ее анализ со всей возможной скрупулезностью. Вскоре он сделал правильный вывод о том, что области нагретого газа просто расширятся по общему объему колбы, и результирующая сила, воздействующая на лопасти, будет нулевой (будет наличествовать только постоянный поток газа вокруг лопастей). Однако, не смотря на опровержение, данное ложное объяснение приводится во многих современных материалах, в том числе и в знаменитой «Encyclopaedia Britannica».
Была еще одна схожая теория о том, что более сильный нагрев черной стороны вызывает испарение газов, содержащихся в материале лопастей и ее покрытия. Эта теория так же несостоятельна, т.к. при полном вакууме в колбе ротор перестает вращаться, хотя по этой теории должен продолжать движение. Но на самом деле этот эффект действительно присутствует, но слишком слаб для поддержания постоянного вращения.
Поэтому вскоре возник следующий этап — теория, что молекулы газа, ударяясь в более энергично колеблющуюся решетку нагретой черной стороны, отскакивают от нее с бОльшим ускорением, чем от холодной светлой. Эта разница в ускорениях (а все мы помним, что сила это ускорение на массу) должна вызывать давление на черную сторону и соответствующее вращение. Но проблема этой теории в том, что более быстро отскакивающие молекулы в свою очередь более эффективно мешают другим молекулам достичь черной стороны лопасти и тоже отскочить от нее. И к сожалению данные эффекты уравновешивают друг друга и не вызовут результирующего вращения. Много позже Альберт Эйнштейн покажет, что данные эффекты все же не уравновешиваются вблизи краев лопастей из–за существующего там градиента нагрева, и данный эффект будет вызывать вращение, однако с меньшей скоростью, чем наблюдается в действительности.
Финальный, но не окончательный кусочек головоломки в интересных обстоятельствах был найден Осборном Рейнольдсом (собственно первооткрывателем числа Рейнольдса). Он теоретически показал, что если есть некоторая пористая поверхность, одна сторона которой нагрета сильнее другой, то газ в ее порах будет перетекать с одной стороны поверхности на другую, причем поведение его будет похоже на поведение сверхтекучего жидкого гелия. Сверхтекучий жидкий гелий примечателен полным отсутствием вязкости (тема эта достойна отдельного поста) – если окунуть тонкую трубочку (капилляр) в емкость с ним, то гелий будет течь по ней вверх, отрицая всякую гравитацию, настолько быстро, что на другом конце трубки сам по себе образуется небольшой фонтанчик. Примерно такое же движение газа подразумевается и в порах неравномерно нагретой плоскости. Вы спросите, причем тут поры? Хоть материал лопастей радиометра и не пористый, однако края лопастей могут быть рассмотрены как некое подобие пор, и именно поток газа вдоль них и вызывает в результате вращение. Звучит витиевато, но это одно из финальных объяснений причин вращения.
Но дальше только интересней! Описав данный эффект в своей еще не опубликованной статье, Рейнольдс отправляет ее на рассмотрение в том числе и к Максвеллу. Максвелл же, прочитал данную работу, и поняв ее актуальность для объяснения причины вращения, быстро выполняет свое детальное математическое исследование данного эффекта, и сразу же публикует в 1879 году статью, в которой кроме всего прочего содержалась критика использованного Рейнольдсом математического аппарата. Конечно вскоре Рейнольдс узнал о том, что работа Максвелла фактически с плагиатом не только опубликована ранее его собственной статьи (которая вышла только в 1881 году), но и вдобавок содержала критику его еще неопубликованного материала! Рейнольдс понятным образом не обрадовался, и инициировал процедуру протеста в Королевское Общество. Однако Максвелл к тому времени скоропостижно скончался, и протест было решено отменить. По иронии судьбы эта полупиратская статья Максвелла стала его последней публикацией.
Но что самое парадоксальное – по современному представлению, в радиометре одновременно присутствует как сила, предсказанная Рейнольдсом, так и сила, предсказанная Эйнштейном, и в какой пропорции – не ясно до сих пор. Радиометр пытаются повторить сейчас и в наномасштабе. А энциклопедии и листовки, прилагающиеся купившим радиометр в качестве сувенира, по прежнему пестрят неверными данными из ранних теорий о причинах вращения.
Вот такая вот непростая судьба у этой вертушки, длинным путем к своему объяснению только подтверждающая мистический ареол вокруг себя.

Еще стоит уточнить, что радиометр реагирует только на тепловую часть света, поэтому от светодиодных и люминесцентных ламп он вращаться не будет. Но зато при желании его можно раскрутить теплом от ладоней почти в полной темноте.

Способ применения.
Поставьте радиометр на солнце (так, чтобы он был освещен солнечными лучами).  В качестве альтернативного варианта, можно осветить радиометр с помощью лампы накаливания мощностью 60-100 ватт. Пронаблюдайте вместе с учащимися вращение крыльчатки, находящейся внутри стеклянной емкости радиометра, и предложите им объяснить это физическое явление, а потом ознакомьте их с историей этого удивительного прибора.