مقياس إشعاع كروكس

يبدأ هذا التأثير بالظهور عند ضغوط فراغ جزئية تبلغ عدة مئات من ^{الباسكال (أو عدة تور)، ويبلغ ذروته عند حوالي 1 باسكال (0.0075 تور)، ثم يختفي تمامًا عندما يصل الفراغ إلى 1 × 10⁻⁴} باسكال ( 7.5 × 10⁻⁷ تور ) ( انظر الملاحظة 1 ) ^. عند هذه المستويات العالية جدًا من الفراغ، يمكن ملاحظة تأثير ضغط إشعاع الفوتونات على الريش باستخدام أجهزة بالغة الحساسية (انظر مقياس إشعاع نيكولز )، لكن هذا التأثير غير كافٍ لإحداث دوران.

يُشتقّ المقطع " radio- " في العنوان من الكلمة اللاتينية " radius " التي تعني شعاعًا، ويشير هنا إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي . ويمكن لمقياس الإشعاع من نوع كروكس، بما يتوافق مع اللاحقة " -meter " في اسمه، أن يوفر قياسًا كميًا لشدة الإشعاع الكهرومغناطيسي. ويمكن القيام بذلك، على سبيل المثال، بوسائل بصرية (كقرص دوار مشقوق، يعمل كجهاز ستروبوسكوب بسيط ) دون التأثير على عملية القياس نفسها.

عند توجيه مصدر طاقة إشعاعية نحو مقياس إشعاع كروكس، يتحول المقياس إلى محرك حراري. ^{[ 6 ]} يعتمد عمل المحرك الحراري على فرق درجة الحرارة الذي يُحوّل إلى طاقة ميكانيكية. في هذه الحالة، يصبح الجانب الأسود من الريشة أكثر سخونة من الجانب الآخر، حيث تسخن الطاقة الإشعاعية من مصدر الضوء الجانب الأسود عن طريق الامتصاص أسرع من الجانب الفضي أو الأبيض. تسخن جزيئات الهواء الداخلية عند ملامستها الجانب الأسود من الريشة. يتعرض الجانب الأكثر سخونة من الريشة لقوة تدفعه للأمام.

ترتفع درجة الحرارة الداخلية مع انتقال الحرارة من الريش السوداء إلى جزيئات الهواء، لكن هذه الجزيئات تبرد مجددًا عند ملامستها سطح الزجاج للمصباح، الذي يكون عند درجة حرارة الجو المحيط. يُحافظ فقدان الحرارة هذا عبر الزجاج على ثبات درجة الحرارة الداخلية للمصباح، مما يُؤدي إلى اختلاف في درجة الحرارة بين جانبي الريش. يكون الجانب الأبيض أو الفضي من الريش أكثر دفئًا بقليل من درجة حرارة الهواء الداخلي، ولكنه أبرد من الجانب الأسود، حيث تنتقل بعض الحرارة عبر الريشة من الجانب الأسود. يجب عزل جانبي كل ريشة حراريًا بدرجة ما حتى لا يصل الجانب المصقول أو الأبيض مباشرةً إلى درجة حرارة الجانب الأسود. إذا كانت الريش مصنوعة من المعدن، فيمكن استخدام الطلاء الأسود أو الأبيض كعازل. يبقى الزجاج أقرب بكثير إلى درجة حرارة الجو المحيط من درجة الحرارة التي يصل إليها الجانب الأسود من الريش. يُساعد الهواء الخارجي على نقل الحرارة بعيدًا عن الزجاج. ^{[ 6 ]}

يجب أن يكون ضغط الهواء داخل المصباح متوازنًا بين الانخفاض الشديد والارتفاع الشديد. فالفراغ الشديد داخل المصباح لا يسمح بالحركة، لعدم وجود عدد كافٍ من جزيئات الهواء لتوليد تيارات هوائية تدفع الريش وتنقل الحرارة إلى الخارج قبل أن يصل جانبا كل ريشة إلى حالة التوازن الحراري عن طريق التوصيل الحراري عبر مادة الريشة. أما الضغط الداخلي المرتفع فيُعيق الحركة لأن فروق درجات الحرارة غير كافية لدفع الريش عبر تركيز الهواء العالي: فمقاومة الهواء كبيرة جدًا بحيث لا تسمح بحدوث "تيارات دوامية"، وأي حركة هواء طفيفة ناتجة عن فرق درجة الحرارة تُخمد بفعل الضغط المرتفع قبل أن تتمكن التيارات من "الالتفاف" إلى الجانب الآخر. ^{[ 6 ]}

عند تسخين مقياس الإشعاع في غياب مصدر ضوئي، يدور في الاتجاه الأمامي (أي أن الجوانب السوداء تتراجع). إذا وُضعت يدا شخص حول الزجاج دون لمسه، فإن الشفرات ستدور ببطء أو لن تدور على الإطلاق، ولكن إذا لُمس الزجاج لتسخينه بسرعة، فإنها ستدور بشكل ملحوظ. يُصدر الزجاج المُسخّن مباشرةً كمية كافية من الأشعة تحت الحمراء لتحريك الشفرات، لكن الزجاج يحجب جزءًا كبيرًا من الأشعة تحت الحمراء البعيدة الصادرة عن مصدر حرارة غير مُلامس له. مع ذلك، تخترق الأشعة تحت الحمراء القريبة والضوء المرئي الزجاج بسهولة أكبر.

إذا تم تبريد الزجاج بسرعة في غياب مصدر ضوء قوي، بوضع الثلج عليه أو وضعه في المجمد مع إغلاق الباب جزئيًا، فإنه يدور عكسيًا (أي أن الجوانب الفضية تتلاشى). وهذا يدل على أن الإشعاع صادر من الجوانب السوداء للشفرات وليس امتصاصها. تدور العجلة عكسيًا لأن التبادل الحراري الصافي بين الجوانب السوداء والبيئة المحيطة يبرد الجوانب السوداء في البداية أسرع من الجوانب البيضاء. وعند الوصول إلى حالة التوازن، عادةً بعد دقيقة أو دقيقتين، يتوقف الدوران العكسي. وهذا يختلف عن ضوء الشمس، الذي يسمح باستمرار الدوران الأمامي طوال اليوم.

اقترح كروكس خطأً أن القوة ناتجة عن ضغط الضوء . ^{[ 7 ]} وقد أيّد هذه النظرية في الأصل جيمس كلارك ماكسويل ، الذي تنبأ بهذه القوة. ولا يزال هذا التفسير شائعًا في الكتيبات المرفقة بالجهاز. أجرى آرثر شوستر أول تجربة لاختبار هذه النظرية عام 1876، حيث لاحظ وجود قوة على المصباح الزجاجي لمقياس الإشعاع الخاص بكروكس في الاتجاه المعاكس لدوران الريش. أظهر هذا أن القوة التي تُدير الريش تتولد داخل مقياس الإشعاع. إذا كان ضغط الضوء هو سبب الدوران، فكلما كان الفراغ داخل المصباح أفضل، قلت مقاومة الهواء للحركة، وزادت سرعة دوران الريش. في عام 1901، وباستخدام مضخة تفريغ أفضل ، أثبت بيوتر ليبيديف أن مقياس الإشعاع لا يعمل في الواقع إلا بوجود غاز منخفض الضغط داخل المصباح، وأن الريش تبقى ثابتة في فراغ تام. ^{[ ٨ ]} أخيرًا، لو كان ضغط الضوء هو القوة الدافعة، لكان مقياس الإشعاع يدور في الاتجاه المعاكس، لأن الفوتونات المنعكسة على الجانب اللامع ستُودع زخمًا أكبر من تلك المنعكسة على الجانب الأسود حيث تُمتص. وينتج هذا عن قانون حفظ الزخم - إذ يجب أن يقابل زخم الفوتون المنعكس الخارج من الجانب المضيء رد فعل على الريشة التي عكسته. الضغط الفعلي الذي يُمارسه الضوء ضئيل جدًا بحيث لا يُحرك هذه الريش، لكن يمكن قياسه بأجهزة مثل مقياس إشعاع نيكولز . في الواقع، من الممكن جعل مقياس الإشعاع يدور في الاتجاه المعاكس إما بتسخينه أو بوضعه في بيئة باردة (مثل المُجمد) في غياب الضوء، حيث تصبح الجوانب السوداء أبرد من الجوانب البيضاء بفعل الإشعاع الحراري .

كانت هناك نظرية خاطئة أخرى مفادها أن الحرارة على الجانب المظلم تتسبب في انبعاث الغازات من المادة، مما يؤدي إلى تحريك مقياس الإشعاع. وقد دُحضت هذه النظرية لاحقًا بشكل قاطع من خلال تجارب شوستر ^{[ 9 ]} (1876) وليبيديف (1901) ^{[ 8 ].}

أحد التفسيرات الجزئية هو أن جزيئات الغاز التي تصطدم بالجانب الأكثر سخونة من الريشة تمتص بعض الحرارة، فترتد عنها بسرعة أكبر. هذه الدفعة الإضافية للجزيء تعني فعليًا وجود ضغط طفيف على الريشة. عدم توازن هذا التأثير بين الجانب الأسود الأكثر سخونة والجانب الفضي الأكثر برودة يعني أن الضغط الكلي على الريشة يعادل قوة دفع على الجانب الأسود، ونتيجة لذلك تدور الريشات مع تخلف الجانب الأسود. تكمن مشكلة هذه الفكرة في أنه بينما تُنتج الجزيئات الأسرع حركة قوة أكبر، فإنها أيضًا تُحسِن منع الجزيئات الأخرى من الوصول إلى الريشة، لذا يجب أن تكون القوة الكلية المؤثرة على الريشة متساوية. ارتفاع درجة الحرارة يُسبب انخفاضًا في الكثافة الموضعية، مما ينتج عنه نفس القوة على كلا الجانبين. بعد سنوات من رفض هذا التفسير، أثبت ألبرت أينشتاين أن الضغطين لا يلغيان بعضهما تمامًا عند حواف الريشات بسبب اختلاف درجة الحرارة هناك. القوة التي تنبأ بها أينشتاين كافية لتحريك الريشات، لكنها ليست بالسرعة الكافية. ^{[ 10 ]}

صاغ أوزبورن رينولدز النظرية المقبولة حاليًا ، حيث افترض أن النتح الحراري هو سبب الحركة. ^{[ 11 ]} وجد رينولدز أنه إذا تم تسخين صفيحة مسامية من جانب واحد أكثر من الجانب الآخر، فإن التفاعلات بين جزيئات الغاز والصفيحة تسمح للغاز بالتدفق من الجانب الأبرد إلى الجانب الأكثر سخونة. لا تكون ريش مقياس الإشعاع كروكس النموذجي مسامية، لكن الفراغ خلف حوافها يتصرف مثل المسام في صفيحة رينولدز. مع انتقال الغاز من الجانب الأبرد إلى الجانب الأكثر سخونة، يزداد الضغط على الجانب الأكثر سخونة. عندما تكون الصفيحة ثابتة، يزداد الضغط على الجانب الأكثر سخونة حتى تصبح نسبة الضغط بين الجانبين مساوية للجذر التربيعي لنسبة درجات الحرارة المطلقة. ولأن الصفائح في مقياس الإشعاع غير ثابتة، فإن فرق الضغط بين الجانب الأبرد والجانب الأكثر سخونة يتسبب في حركة الريشة. يتحرك الجانب الأبرد (الأبيض) للأمام، مدفوعًا بالضغط الأعلى خلفه. من وجهة نظر جزيئية، تتحرك الريشة بسبب القوة المماسية للغاز المتخلخل الذي يصطدم بشكل مختلف بحواف الريشة بين الجانبين الساخن والبارد. ^{[ 3 ]}

لم تُنشر ورقة رينولدز لفترة من الزمن لأنها خضعت لمراجعة ماكسويل، الذي نشر لاحقًا ورقة بحثية خاصة به تضمنت نقدًا للرياضيات الواردة في ورقة رينولدز غير المنشورة. ^{[ 12 ]} توفي ماكسويل في ذلك العام، ورفضت الجمعية الملكية نشر نقد رينولدز لرد ماكسويل على ورقة رينولدز غير المنشورة، إذ رأت أن هذا سيكون نقاشًا غير مناسب بعد وفاة أحد المعنيين. ^{[ 3 ]}