Radiómetro de Crookes (o girador de Crookes ): un impulsor de cuatro palas equilibrado en una aguja dentro de un matraz de vidrio con un ligero vacío. Cuando un haz de luz incide en la pala, el impulsor comienza a girar, lo que a veces se explica incorrectamente por una ligera presión .
De hecho, la razón de la rotación es el efecto radiométrico : la aparición de una fuerza repulsiva debido a la diferencia en las energías cinéticas de las moléculas de gas que inciden en el lado iluminado y calentado de la pala y en el lado opuesto, más frío. [1] Históricamente, la razón de la rotación de las palas ha sido objeto de mucho debate científico. [2] [3]
Este efecto fue descubierto y construido por un radiómetro (plato giratorio) en 1874 por el físico y químico inglés William Crookes , quien, durante uno de los estudios que requería un pesaje muy preciso de sustancias, notó que en una cámara parcialmente enrarecida, los rayos del sol incidentes tuvo un efecto sobre el equilibrio. Estudiando este efecto, creó un dispositivo que lleva su nombre. P. N. Lebedev en 1901 midió la fuerza de la presión de la luz sobre un cuerpo sólido, logrando deshacerse del efecto radiométrico en el curso de experimentos muy sutiles.
El radiómetro consta de un bulbo de vidrio del que se ha eliminado la mayor parte del aire (mientras se encuentra bajo vacío parcial ). En el interior del matraz sobre un husillo de baja fricción hay varias (normalmente cuatro) palas metálicas verticales de aleación ligera, situadas a la misma distancia del eje de giro. Por un lado, las cuchillas están pulidas o pintadas con pintura blanca, por el otro, negras. Cuando se exponen a la luz solar, luz artificial o radiación infrarroja (incluso el calor de las manos puede ser suficiente), las aspas comienzan a girar sin fuerza motriz aparente: los lados oscuros se alejan de la fuente de radiación y los lados brillantes se acercan. El enfriamiento del radiómetro provoca la rotación en la dirección opuesta.
El efecto comienza a aparecer a una presión parcial de vacío de varios cientos de pascales, alcanza su punto máximo a aproximadamente 1 Pa y desaparece cuando el vacío alcanza los 10 −4 Pa. Con un vacío tan alto, la presión de la radiación de fotones en las hojas se puede observar en instrumentos muy sensibles (ver radiómetro de Nichols ), pero no lo suficiente como para hacer que giren.
La "radio-" en el nombre del dispositivo proviene del latín radius, que significa "haz"; en este caso, nos referimos a la radiación electromagnética . Por lo tanto, el radiómetro de Crookes se puede utilizar como un dispositivo que mide la intensidad de la radiación electromagnética sin interferir con la medición en sí. Puede realizar tal función, por ejemplo, si se instala un disco ranurado giratorio en el interior, que funciona según el principio de un estroboscopio .
Actualmente, los radiómetros se venden en todo el mundo como un recuerdo interesante que no requiere baterías para girar. Vienen en una variedad de formas y se usan a menudo en los museos de ciencia para ilustrar la presión de la luz, un fenómeno físico con el que realmente no se relacionan.
Cuando una fuente de radiación apunta a un radiómetro de Crookes, el radiómetro se convierte en un motor térmico . El funcionamiento de una máquina térmica se basa en una diferencia de temperatura, que se convierte en movimiento mecánico. En nuestro caso, el lado oscuro de la hoja se calienta más, ya que la energía radiante proveniente de la fuente de luz lo calienta más rápido que el lado pulido o claro. Cuando las moléculas de aire tocan el lado negro de la hoja, se "calientan", es decir, aumentan su velocidad. A continuación se proporciona una descripción detallada de por qué los lados claros de las palas giran primero.
A medida que las aspas calentadas emiten calor a las moléculas de aire, la temperatura dentro del bulbo aumenta. Las moléculas "calentadas" desprenden la energía que reciben cuando entran en contacto con las paredes de vidrio del matraz, cuya temperatura es igual a la temperatura del aire circundante. La pérdida de calor a través de las paredes del matraz mantiene la temperatura interna de tal manera que se crea una diferencia de temperatura en dos lados adyacentes de las paletas. El lado claro de la hoja es más frío que el lado oscuro porque parte del calor se transfiere desde el área oscura en la parte inferior de la hoja. Al mismo tiempo, el lado luminoso está ligeramente más caliente que el aire dentro del matraz. Los dos lados de cada hoja deben estar aislados térmicamente para que el lado claro de la hoja no alcance inmediatamente la temperatura del lado negro. Si las palas son de metal, el material aislante puede ser pintura negra o blanca. La temperatura del cristal del bulbo permanece casi igual a la temperatura ambiente, en contraste con la temperatura del lado oscuro de la pala. La mayor presión de aire externa ayuda a eliminar el calor del vidrio.
La presión del aire dentro del matraz no debe ser demasiado baja ni demasiado alta. El alto vacío dentro de la lámpara evitará la rotación porque no habrá suficientes moléculas de aire para formar las corrientes de aire que hacen girar las aspas y transfieren el calor hacia afuera antes de que ambos lados de cada aspa alcancen el equilibrio térmico por conducción a través de su material. Y a alta presión, la diferencia de temperatura no será suficiente para girar las palas, ya que aumentará la resistencia del aire: el flujo de aire se ralentizará antes de llegar al lado opuesto de la pala adyacente.
Las fuerzas predichas tanto por Einstein como por Reynolds parecen estar causando la rotación del radiómetro de Crookes, aunque todavía no está claro cuál tiene el mayor efecto.
Para girar, las aspas de una ruleta Crookes no necesitan estar cubiertas de diferentes colores en cada lado. En 2009, investigadores de la Universidad de Texas en Austin crearon un radiómetro de un solo color que consta de cuatro hojas curvas, cada una de las cuales forma superficies convexas y cóncavas. El molinete está recubierto uniformemente con nanocristales de oro , que son fuertes absorbentes de luz. Cuando se expone a la luz, debido a la geometría inusual, el lado convexo de la hoja recibe más energía fotónica que el lado cóncavo; en este caso, las moléculas de gas también reciben más calor del lado convexo que del lado cóncavo. A bajo vacío, este calentamiento asimétrico induce el movimiento del gas en cada álabe, desde el lado cóncavo hacia el lado convexo, lo que se ha demostrado utilizando el método Monte Carlo de simulación estadística no estacionaria (MSTSM). El movimiento del gas hace que el radiómetro gire con su lado cóncavo hacia adelante, de acuerdo con la tercera ley de Newton .
Gracias a la llegada del radiómetro con palas de un solo color, se hizo posible crear un micro o nanorradiómetro, ya que con tamaños tan pequeños es difícil simular materiales con diferentes propiedades ópticas en un espacio tridimensional muy pequeño. [7] [8]
En 2010, investigadores de la Universidad de California en Berkeley lograron crear un nanoradiómetro que funciona con un principio completamente diferente al del radiómetro de Crookes. Se construyó un molinillo de oro con forma de esvástica , de solo 100 nanómetros de diámetro, y se iluminó con un láser que se sintonizó para darle un momento angular. Por primera vez, el físico Richard Beth de la Universidad de Princeton propuso en 1936 la posibilidad de crear un nanoradiómetro con un principio de funcionamiento similar. El par se ha incrementado considerablemente por el acoplamiento resonante de la luz incidente y las ondas de plasmón en la rejilla metálica. [9]