Crookesův mlýnek

Demonstrace hybnosti fotonu(anebo ne?)

Martin Albrecht, Ondřej Ficker, Jiří Vejrosta, Vladislav Větrovec

Cíle

• Sestavení funkčního Crookesova radiometru (CR)

• Vysvětlení principu vzniku otáčivých sil

• Diskuse možností využití CR

Schéma prezentace

Teorie o povaze světla

• Emanační – antika

• Částicová (Newton)

• Vlnová (Huygens, Hook ,…,Fresnel, Young)

• Kvantová

Hybnost fotonu

• Nulová klidová hmotnost• Umíme určit energii = umíme určit hybnost• Tlak záření – suma hybností všech

dopadajících fotonů dělená plochou a dobou expozice

• Solární plachetnice

Nicholsův radiometr

• Složitější a nákladnější konstrukce, nižší tlak• Skutečně měří tlak záření

Kinetická teorie plynů

• Brownův pohyb• Pružné srážky• Střední volná dráha molekuly závisí na počtu

částic (tlaku)• Závislost střední kvadratické rychlosti na

teplotě• Jev tepelné transpirace

Crookesův mlýnek

• Vedlejší produkt chemických výzkumů Williama Crookese

• Není to tak, jak se na první pohled zdá• Max. účinnost při tlaku ~1 Pa• Záření zahřívá plochy mlýnku (černé více)• Vzniká nerovnováha a zbylé molekuly proudí

k teplejším černým stranám • Střední volné dráhy molekul jsou mnohem

větší než při normálním tlaku

Feynmanova rohatka

• Elementární vysvětlení účinnosti tepelného stroje

• Bez tepelného spádu (či jiné nesymetrie) nefunkční

Crookesův mlýnek v nanosvětě

• Kovy s dobrou vodivostí (Au)• Laserový paprsek nese moment hybnosti• Vzniká rezonance mezi fotony a povrchovými

vlnami vodivostních elektronů (plasmony)• Aplikace – biologie, elektronika, energetika

Naše konstrukce

• 3 verze– Lopatky z alobalu umístěné ve staré žárovce, tlak

udržován AV ventilkem– Plastový mlýnek (bez nádoby )– Alobalový mlýnek (bez nádoby)

• Tlak snížen dvoustupňovou rotační vývěvou (Fyzikální praktikum)

Verze bez nádoby, aparatura

„Žárovková verze“

A přece se točí

Výsledky pokusu

• Minimální dosažený tlak 50 hPa• Mlýnek se přesto roztočil • Čím to bylo způsobeno?– Vibrace– Proudění vzduchu (vývěva)

• 2. pokus – mlýnek se neroztočil při žádném z vyzkoušených uspořádání pokusu – tlak 30 hPa, příliš velká nádoba

Zhodnocení a závěr

• Nedosáhli jsme dostatečně nízkých tlaků, abychom demonstrovali přímo hybnost fotonu

• Efekt tepelné transpirace se také prokazatelně neprojevil

• Co zlepšit - vývěva, konstrukce – vyvážení, izolace stran lopatek, vhodná nádoba

• Crookesův mlýnek nedemonstruje tlak záření, ale jev tepelné transpirace– Oprava článku na české wiki

Použitá literatura + odkazy• Feynman ,R. P. Přednášky z fyziky, 1. díl. Praha: Fragment, 2000.

ISBN 978-80-7200-405-8.• Pelant a kol. Fyzikální praktikum III – Optika. Praha: Matfyzpress,

2001. ISBN 80-85863-72-3.• Fuka J., Havleka B. Fyzikální kompendium – Optika a atomová

fyzika.Praha: SPN, 1961.• http://en.wikipedia.org/wiki/Crookes_radiometer (9. 10. 2010)• http://www.knowledgerush.com/kr/encyclopedia/

Crookes_Radiometer/ (10. 10. 2010)• http://gregegan.customer.netspace.net.au/SCIENCE/LightMill/

LightMill.html (10. 10. 2010)• http://www.physorg.com/news197555841.html (11. 10. 2010)

Poděkování

• Panu Ing. Svobodovi CSc. za jeho čas a zapůjčení přístrojů

Děkujeme za pozornost.