4.91. Игрушечный радиометр

В 1872 году Уильям Крукс изобрел радиометр — устройство для измерения энергии, испускаемой источником света. Но сегодня это только забавный сувенир, который продают в магазинах научных игрушек. Радиометр представляет собой герметичную стеклянную колбу, из которой частично откачан воздух. Внутри колбы имеется металлическая втулка, к которой прикреплены четыре металлических лопасти-лепестка. Одинаково раскрашенные лепестки, белые с одной стороны и черные с другой, могут вращаться вокруг вертикальной иголочки. Если такую вертушку поставить вблизи источника света, лепестки вместе со втулкой вращаются вокруг иголочки, причем вращение тем быстрее, чем ярче свет. Что вызывает вращение и что определяет его направление? Как можно изменить направление вращения лепестков?

ОТВЕТ • Часто думают, что движение лепестков происходит за счет давления света, но этот эффект слишком мал, чтобы его можно было заметить с помощью такой игрушки. И, кроме того, за счет давления света она вращалась бы в направлении, противоположном тому, которое мы видим. Давление света может привести лепестки в движение, поскольку кванты при отражении и поглощении передают поверхности импульс. Передаваемый импульс больше там, где свет отражается. Следовательно, солнечный свет, падающий на лепестки, сильнее давит на их белые стороны, чем на черные, а значит, лепестки должны двигаться черной стороной вперед. Именно так вращались бы лепестки, если бы из колбы откачали почти весь воздух.

Однако воздух, оставшийся в колбе, существенно больше влияет на лепестки. Поскольку лепестки поглощают свет (инфракрасное излучение и видимый свет), их черные стороны нагреваются чуть сильнее, чем белые. Молекулы воздуха, оставшиеся в колбе, сталкиваются с лепестками и приводят их в движение. Чем быстрее молекулы двигаются, тем сильнее они подталкивают лепестки. За счет разницы температур от черной стороны каждого из лепестков молекулы отскакивают быстрее, чем от белой. Соответственно, нажим на черные стороны больше, и лепестки вращаются вокруг иголочки белой стороной вперед. Если свет выключить, через какое-то время температуры с разных сторон лепестков выравниваются (система приходит в тепловое равновесие), давления тоже выравниваются, и трение останавливает вертушку.