Transcript Crookesů mlýnek

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
Úvod
Mlýnky
Závěr
• Historické a fyzikální pozadí
• Povaha světla / hybnost fotonu/ kinetická teorie plynů
• Typy světelných mlýnků – princip otáčení
• Moderní aplikace
• Naše řešení + audiovizuální dokumentace
• Výsledky
• Shrnutí + vize do budoucna
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_Radiom
eter/ (10. 10. 2010)
• http://gregegan.customer.netspace.net.au/SCIENCE/LightMill/Light
Mill.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.