radiometer PDF พิมพ์

กังหันแสง

    ที่เห็นในภาพนี้เป็นหลอดแก้วที่ปิดสนิท มีกังหันดำ-ขาวอยู่ข้างใน เมื่อเราไม่ได้ไปหมุนกังหัน และลมไม่สามารถเข้าไปในหลอดแก้วได้ แต่กังหันดำ-ขาว สามารถหมุนได้เพียงแค่เราใช้แสงอ่อนๆ จากเทียนไขหรือไฟฉายกระบอกเล็กๆ ส่องไปที่หลอดแก้วเท่านั้น ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น?


รูปที่ 1

คลิกดูวีดีโอค่ะ download  จากฟิสิกส์ราชมงคล

คำอธิบายโดยสังเขป

     อุปกรณ์ที่เห็นเช่นรูปที่ 1 เรียกกันว่า Crookes Radiometer เพราะเป็นผลงานประดิษฐ์คิดค้นของ William Crookes เมื่อปี พ.ศ.2418 เป็นเครื่องมือง่ายๆ ที่ใช้ตรวจวัดรังสีอินฟราเรด (หรือรังสีความร้อน) ภายในประกอบด้วยกังหันบางๆ 4 ใบ ที่ถูกวางเป็นรูปกากบาทให้จุดตัดเป็นจุดหมุนที่หมุนได้คล่องบนปลายเข็ม กังหันแต่ละใบขนาด 1.5×1.5 ตร.ซม. ทำด้วยแผ่นไมคา (mica) ซึ่งเบาและเป็นฉนวนความร้อน โดยด้านหนึ่งทาสีดำ ขณะที่อีกด้านทาสีขาว จุดสำคัญของ radiometer นี้อยู่ตรงที่อากาศในหลอดแก้วจะต้องถูกสูบออกประมาณ 99% หรือเทียบเป็นความดันอากาศเหลือเพียงประมาณ 1-10 มม.ปรอท (ความดันอากาศปกติประมาณ 760 มม.รปรอท ) นั่นคือมีจำนวนโมเลกุลของอากาศเหมาะสมที่ไม่มากและไม่น้อยเกินไป

   

    เมื่อมีแสงส่องไปถูก ผิวด้านสีดำของกังหันจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นกว่าผิวด้านสีขาว เพราะสีดำดูดกลืนพลังงานความร้อนได้ดีกว่า โมเลกุลของอากาศที่อยู่ใกล้ๆ กับผิดด้านสีดำ ก็จะมีพลังงานจลน์สูงกว่าโมเลกุลของอากาศพวกที่อยู่ใกล้ๆ กับผิวด้านสีขาว ทั้งนี้เป็นไปตามสมการ

                พลังงานจลน์เฉลี่ย/โมเลกุล ≈ (5/2)kT

เมื่อ k คือ Bolzmann’s constant =  J/K และ T คือ อุณหภูมิ

    โมเลกุลพวกนี้มีบ้างที่วิ่งชนกังหัน อุปมาได้กับการปาลูกเทนนิสเข้าใส่ผลัง โมเมนตัมของโมเลกุลจะเปลี่ยนไปตามสมการ

   

    โมเมนตัมที่เปลี่ยนไปต่อการชน 1 ครั้ง = -2 mv cos Ф

เมื่อมวล m คือมวลของโมเลกุล v คือความเร็วของโมเลกุล และ Ф คือมุมที่แนววิ่งของโมเลกุลกับเส้นตั้งฉากจากผิวของกังหัน

    ซึ่งตามกฎของนิวตันแล้ว โมเมนตัมที่เปลี่ยนไปนี้ก็จะจะเทียบได้กับแรงดันที่กระทำต่อกังหัน แต่เนื่องจากโมเลกุลพวกที่อยู่ใกล้ด้านสีดำมีพลังงานจลน์สูงกว่า เมื่อวิ่งไปชนกับกังหันด้านสีดำก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมมากกว่า ซึ่งทำให้ด้านสีดำของกังหันได้รับแรงดันมากกว่าด้านสีขาว จึงทำให้กังหันสามารถหมุนได้ในทิศที่ด้านสีดำถอยห่างจากแหล่งกำเนิดแสง

                แต่ถ้านำ radiometer ไปตั้งไว้กลางแดดสักพัก แล้วนำเข้าไปไว้ในร่ม บางครั้ง กังหันจะเกิดหนุนสวนทางกับที่ได้กล่าวมาในตอนต้น ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น?


ความเกี่ยวข้องกับสิ่งรอบตัว

    มีบ้างบางคนอธิบายสาเหตุการหมุนของกังหันผิดๆ ว่าเป็นเพราะโฟตอน(photon) ของแสงจากต้นกำเนิดวิ่งไปชนแล้วถ่ายทอดโมเมนตัมให้ ซึ่งคำอธิบายนี้จะถึงทางตันทันทีถ้ามีต้นกำเนิดแสงที่เป็นลำ (เช่นกรณีไปฉายกระบอกเล็ก) แล้วส่องเฉพาะไปที่ด้านสีขาว เพราะกังหันจะไม่หมุน แต่เมื่อเปลี่ยนไปส่องที่ด้านสีดำ กังหันจะหมุนในเวลาต่อมา เครื่อง radiometer นี้ได้เป็นประจักษ์พยานที่สำคัญในการยืนยันทฤศฑีจลน์ของก๊าซ (Kinetic Theory Gases) ให้แก่นักฟิสิกส์ในยุคแรกๆ


ตัวอย่างเอกสารค้นคว้าเพิ่มเติม

                ตำราชื่อ Heat and Thermodynamics (5th Ed.) โดย Mark W. Zemansky (McGraw-Hill] 1968) โดยเฉพาะที่หน้า 147-168

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >
สถิติผู้เยี่ยมชม: 39240878
ขณะนี้มี 1 บุคคลทั่วไป ออนไลน์

สมัครสมาชิก
เพื่อรับเอกสารเพิ่ม!