Bir bilim müzesinin hediyelik eşya dükkanına yolunuz düştüyse, eminim bu enteresan objeyi görmüşsünüzdür: Crookes radyometresi. Üzerine ışık düşürüldüğünde pervaneleri hızla dönmeye başlayan, tam bir göz alıcı gösteri! Peki, bu büyüleyici cihazın pervanelerini döndüren gerçek güç nedir? Birçok kişi ilk başta bunun ışık fotonlarının basıncından kaynaklandığını düşünür. Yani ampulden çıkan fotonlar pervanelere çarpar ve momentumlarıyla onları döndürür, öyle mi? Aslında durum hiç de öyle değil.
Pervaneleri biraz daha yakından incelediğimizde ilginç bir detay fark ederiz: siyah yüzeyler arkada kalırken, beyaz yüzeyler öne doğru hareket ediyor. Bu da demek oluyor ki siyah yüzeye etki eden kuvvet beyaz yüzeye etki edenden daha fazla. Eğer ışık basıncı etkili olsaydı, beyaz yüzeyler ışığı yansıtıp daha fazla kuvvet uygulayacağı için radyometrenin pervaneleri tam tersi yönde dönmesi gerekirdi. Yani, ışık basıncı açıklamasının tamamen yanlış olduğunu, hatta olsa bile pervanelerin ters yöne döneceğini görüyoruz. Evet, ışık basıncı diye bir şey var ama etkisi o kadar küçük ki, 50W’lık bir lazer bile bir pervane kanadına sadece 17 mikrogramlık bir kuvvet uygulayabiliyor. Oysa radyometrenin içindeki dönmeyi sağlayan kuvvet çok daha fazladır. Demek ki burada başka bir şeyler dönüyor!
Pervanelerin Dönme Yönü ve Işık Basıncı Yanılgısı
Crookes radyometresinin dönme yönü, aslında bize çok önemli bir ipucu veriyor. Genellikle aklımıza gelen ilk düşünce, ışığın doğrudan itme gücü yani ışık basıncı ile pervanelerin hareket ettiğidir. Ancak detaylara baktığımızda bu düşüncenin yanlış olduğunu anlarız. Radyometre pervanelerinin bir yüzü siyah, diğer yüzü beyazdır. Işığı üzerine aldığında siyah yüzeyler ışığı absorbe ederken beyaz yüzeyler ışığı yansıtır. Eğer mesele sadece fotonların momentumu olsaydı, ışığı yansıtan beyaz yüzeylerin daha fazla itme kuvveti alması ve bu nedenle radyometrenin ters yöne dönmesi beklenirdi. Oysa gördüğümüz tam tersi. İşte bu durum, bize radyometrenin hareketini sağlayan mekanizmanın ışık basıncından çok daha farklı, bambaşka bir şey olduğunu kanıtlar nitelikte.
Asıl Sorumlu: Termal Etki ve Gaz Molekülleri
Peki, ışık basıncı değilse ne? Radyometrenin üzerine soğutucu bir sprey sıkıldığında ne olduğunu hiç merak ettiniz mi? Normalde ışıkla döndüğünün tersine, bu kez geriye doğru dönmeye başlıyor! Bu durum, fotonlarla ilgili değil, açıkça termal bir etkiyle ilgili bir şeyler olduğunu gösteriyor. Radyometrenin çalışması için içinde bir miktar gaz bulunması şarttır. Eğer içinde hiç gaz olmasaydı, pervaneleri döndürecek tek şey yine fotonlar olurdu ki bunun da yanlış bir açıklama olduğunu zaten gördük. Öte yandan, eğer radyometrenin cam zarfını kırıp atmosfer basıncında ışık tutsak, yine dönmeyecektir. Yani çalışması için sıfır gaz basıncı da, atmosfer basıncı da uygun değil. Öyleyse, bu ilginç cihazın en iyi çalıştığı ideal bir basınç olmalı.
Vakum ve Atmosfer Arasında İdeal Basınç Dengesi
Bu gizemi çözmek için bilim insanları, vakum odaları ve hassas ölçüm cihazlarıyla kapsamlı fizik deneyleri yaptılar. Bir radyometreyi vakum odasına yerleştirip içerideki havayı en düşük seviyelere indirdiler. Sonuç şaşırtıcıydı: neredeyse tamamen boşaltılmış bir vakumda, ne kadar güçlü ışık tutulursa tutulsun, pervaneler hiç dönmedi. Işığın yetersiz olmadığını bilmelerine rağmen hareket yoktu. Çünkü bu kadar az gaz molekülü varken, beklenen termal etki oluşmuyordu.
Ardından odanın basıncını yavaş yavaş artırdıklarında bir mucize gerçekleşti: pervaneler dönmeye başladı! Hatta dönme hızı belirli bir basınca kadar arttı ve sonra düşmeye başladı. Ölçümler, radyometrenin en hızlı döndüğü ideal basınç noktasının yaklaşık 7 milibar olduğunu gösterdi. Bu basınçta, bir gaz molekülünün başka bir gaz molekülüne çarpmadan önce yaklaşık 1 santimetre yol katettiği belirlendi. Karşılaştırma için söyleyelim, atmosfer basıncında bu mesafe sadece 100 nanometre civarındadır. Bu, radyometrenin içindeki gazın, atmosferden çok daha seyrek olduğunu gösterir. Yani radyometre, ne tamamen vakumda ne de atmosfer basıncında çalışır; tam ortada, belirli bir seyrek gaz basıncında en verimli şekilde döner.
Siyahın Gücü: Moleküler Termal İtme
Peki, bu ideal basınçta radyometreyi gerçekten ne döndürüyor? Aslında iki ana etken var. Birincisi, radyometre üzerindeki siyah yüzeyler ışığı emdiği için beyaz yüzeylere göre daha sıcak hale gelir. İçerideki seyrek gaz molekülleri, bu sıcak siyah yüzeylere çarptıklarında, soğuk beyaz yüzeylere çarptıklarından daha fazla enerjiyle geri sekerler. Bu, siyah yüzeyden daha fazla “itme” kuvveti oluşmasına neden olur ve pervaneleri öne doğru iter. Bu etkiye termal geri tepme denir.
Pervane Kenarlarındaki Sır: Termal Geri Tepme ve Transpirasyon
Daha da ilginç olanı, hem termal geri tepme hem de termal transpirasyon adı verilen diğer bir etki, pervanelerin tam da kenarlarında en belirgin şekilde ortaya çıkmasıdır. Yapılan deneylerde, pervanelerin kenar uzunluğunun yaklaşık 1 santimetre olduğu tespit edildi. Ve ne tesadüftür ki, radyometrenin en hızlı döndüğü ideal basınçta gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu da yaklaşık 1 santimetreydi! Bu bir tesadüf mü, yoksa derin bir fiziksel bağlantı mı, henüz tam olarak anlaşılamamış bir gizem. Ancak bu durum, termal radyometre adını da haklı çıkaran, moleküler hareketin ve sıcaklık farklarının doğrudan bir sonucu olduğunu açıkça gösteriyor. Bir dahaki sefere bir Crookes radyometresi gördüğünüzde, artık onu döndürenin ne olduğunu biliyorsunuz: ışık basıncı değil, gaz moleküllerinin dansı ve sıcaklık farkının yarattığı itme gücü!
Sıkça Sorulan Sorular
1. Crookes radyometresi nedir ve ne işe yarar?
Crookes radyometresi, bir cam zarf içinde, bir tarafı siyah bir tarafı beyaz olan hafif metal pervaneleri bulunan bir cihazdır. Üzerine ışık düştüğünde pervaneler dönmeye başlar. Genellikle bilim müzelerinde veya hediyelik eşya dükkanlarında bulunan, termal radyometre prensibini gösteren popüler bir fizik deneyidir.
2. Crookes radyometresi neden tamamen vakumda çalışmaz?
Radyometrenin dönmesini sağlayan temel mekanizma, içerideki gaz moleküllerinin sıcak yüzeylerden daha fazla enerjiyle sekerken yarattığı “termal geri tepme” etkisidir. Tamamen vakumda gaz molekülü bulunmadığı için bu etki oluşmaz ve pervaneler dönmez.
3. Radyometrenin dönmesini sağlayan asıl prensip nedir?
Radyometrenin dönmesinin asıl nedeni, yaygın inanışın aksine ışık basıncı değil, termal bir etkidir. Pervanelerin siyah yüzeyleri ışığı emerek beyaz yüzeylerden daha sıcak hale gelir. İçerideki seyrek gaz molekülleri bu sıcak siyah yüzeylere çarptıklarında daha fazla enerji alarak geri seker ve bu da pervaneleri iten net bir kuvvet oluşturur. Bu etki, içerideki gazın belirli bir ideal basınçta bulunmasını gerektirir.
