क्रुक्स विकिरणमापी

क्रुक्स विकिरणमापी (क्रुक्स रेडियोमीटर) (जिसे प्रकाश पेषणी के रूप में भी जाना जाता है) में एक वायुरूद्ध कांच बल्ब होता है जिसमें आंशिक निर्वात होता है, जिसमें पिच्छफलक का एक सम्मुच्चय होता है जो अंदर एक तंतु पर लगा होता है। प्रकाश के संपर्क में आने पर पिच्छफलक अधिक तीव्र प्रकाश के लिए तेजी से क्रमावर्तन के साथ घूमते हैं और विद्युत चुम्बकीय विकिरण तीव्रता का मात्रात्मक माप प्रदान करते हैं।

उपकरण के आविष्कार के बाद के दस वर्षों में क्रमावर्तन का आशय बहुत वैज्ञानिक बहस का कारण था, लेकिन 1879 में क्रमावर्तन के लिए वर्तमान में स्वीकृत स्पष्टीकरण प्रकाशित किया गया था।  आज उपकरण मुख्य रूप से भौतिकी शिक्षा में प्रकाश ऊर्जा द्वारा संचालित एक ताप इंजन के प्रदर्शन के रूप में उपयोग किया जाता है।

यह 1873 में रसायनज्ञ विलियम क्रुक्स द्वारा कुछ रासायनिक अनुसंधान के उप-उत्पाद के रूप में आविष्कार किया गया था। बहुत सटीक मात्रात्मक रासायनिक कार्य के उपरान्त, वह वायु की धाराओं के प्रभाव को कम करने के लिए आंशिक रूप से खाली किए गए कक्ष में प्रतिरूपों का भार कर रहा था, और देखा कि जब सूरज की रोशनी संतुलन पर पड़ती है तो भार में गड़बड़ी हो जाती है। इस आशय की जांच करते हुए उन्होंने अपने नाम से उपकरण बनाया।

यह अभी भी शैक्षिक सहायता के रूप में या जिज्ञासा के लिए निर्मित और बेचा जाता है।

सामान्य विवरण
विकिरणमापी एक कांच के बल्ब से बनाया जाता है जिससे आंशिक निर्वात बनाने के लिए अधिकांश वायु निकाल दी जाती है। बल्ब के अंदर, एक कम-घर्षण धुरी पर, एक घूर्णक होता है जिसमें कई (सामान्यतः चार) ऊर्ध्वाधर हल्के पिच्छफलक होते हैं जो अक्ष के चारों ओर समान रूप से स्थित होते हैं। फलक परिष्कृत या एक तरफ सफेद और दूसरी तरफ काले होते हैं।

सूर्य के प्रकाश, कृत्रिम प्रकाश, या अवरक्त विकिरण (यहां तक ​​​​कि पास के हाथ की गर्मी भी पर्याप्त हो सकती है) के संपर्क में आने पर, पिच्छफलक बिना किसी स्पष्ट प्रेरक शक्ति के मुड़ जाते हैं, अंधेरे पक्ष विकिरण स्रोत से पीछे हट जाते हैं और प्रकाश पक्ष आगे बढ़ जाते हैं।

विकिरणमापी को ठंडा करने से विपरीत दिशा में घूर्णन होता है।

प्रभाव अवलोकन
कई सौ पास्कल (या कई टोर) के आंशिक निर्वात दबावों पर प्रभाव पर्यवेक्षक (भौतिकी) होना प्रारम्भ होता है, लगभग चरम पर 1 Pa पहुंच जाता है और जब तक निर्वात 1e-4 Pa पहुंचता है तब तक वह लुप्‍त हो जाता है (क्रूक्स विकिरणमापी पिच्छफलक पर बल के लिए स्पष्टीकरण)। इन अत्यधिक उच्च निर्वातों में फलकों पर फोटॉन विकिरण दाब का प्रभाव अति संवेदनशील उपकरण में देखा जा सकता है (निकोलस विकिरणमापी देखें), लेकिन यह घुमाव उत्पन्न करने के लिए अपर्याप्त है।

नाम की उत्पत्ति
शीर्षक में उपसर्ग "रेडियो-" लैटिन त्रिज्या के संयोजन रूप से उत्पन्न होता है, एक किरण: यहाँ यह विद्युत चुम्बकीय विकिरण को संदर्भित करता है। एक क्रूक्स विकिरणमापी, इसके शीर्षक में प्रत्यय -मीटर के अनुरूप है, विद्युत चुम्बकीय विकिरण तीव्रता का एक मात्रात्मक माप प्रदान कर सकता है। यह ऐसे किया जा सकता है जैसे, उदाहरण के लिए, माप के साथ हस्तक्षेप किए बिना दृश्य माध्यमों (उदाहरण के लिए, एक कताई खाँचेदार चर्किका, जो एक साधारण घूर्णनदर्शी के रूप में कार्य करता है) द्वारा किया जा सकता है।

विकिरणमापी अब सामान्यतः दुनिया भर में एक नवीनता आभूषण के रूप में बेचे जाते हैं; संग्रह की आवश्यकता नहीं है, लेकिन पिच्छफलक को चालू करने के लिए केवल प्रकाश की आवश्यकता है। वे विभिन्न रूपों में आते हैं, जैसे चित्र में दिखाया गया है, और प्रायः विज्ञान संग्रहालयों में विकिरण दबाव को दर्शाने के लिए उपयोग किया जाता है - एक वैज्ञानिक सिद्धांत जो वे वस्तुतः प्रदर्शित नहीं करते हैं।

श्याम-पिंड के अवशोषण के साथ गतिविधि
जब एक दीप्तिमान ऊर्जा स्रोत को क्रूक्स विकिरणमापी पर निर्देशित किया जाता है, तो विकिरणमापी एक ऊष्मा इंजन बन जाता है। ऊष्मा इंजन का संचालन तापमान के अंतर पर आधारित होता है जिसे यांत्रिक निष्पाद में परिवर्तित किया जाता है। इस स्तिथि में, फलक का श्याम-पिंड दूसरी तरफ से अधिक गर्म हो जाता है, क्योंकि प्रकाश स्रोत से निकलने वाली ऊर्जा चांदी या सफेद पक्ष की तुलना में काली-पिंड के अवशोषण से काले हिस्से को तेजी से गर्म करती है। जब वे फलक के काले भाग को छूते हैं तो आंतरिक वायु के अणु गर्म हो जाते हैं। फलक का गर्म पक्ष फलकों पर लगने वाले बल के लिए स्पष्टीकरण है जो इसे आगे बढ़ाता है।

आंतरिक तापमान बढ़ जाता है क्योंकि काले फलक वायु के अणुओं को गर्मी प्रदान करते हैं, लेकिन जब वे बल्ब की कांच की सतह को छूते हैं, जो परिवेश के तापमान पर होती है, तो अणु फिर से ठंडे हो जाते हैं। कांच के माध्यम से यह गर्मी की हानि आंतरिक बल्ब तापमान को स्थिर रखता है जिसके परिणामस्वरूप पिच्छफलक के दोनों किनारों पर तापमान अंतर विकसित होता है। फलकों का सफेद या चांदी का भाग आंतरिक वायु तापमान की तुलना में थोड़ा गर्म होता है, लेकिन काले भाग की तुलना में ठंडा होता है, क्योंकि कुछ ऊष्मा फलक के माध्यम से काली ओर से प्रवाहित होती है। प्रत्येक फलक के दोनों किनारों को कुछ हद तक तापीय रूप से अछूता होना चाहिए ताकि परिष्कृत या सफेद पक्ष तुरंत काले पक्ष के तापमान तक न पहुंच जाए। यदि फलक धातु से बने होते हैं, तो काला या सफेद रंग पृथक्कर्ण हो सकता है। शीशे के काले भाग द्वारा पहुंचे तापमान की तुलना में कांच परिवेश के तापमान के अधिक संकुचित रहता है। बाहरी वायु कांच से गर्मी दूर करने में सहायता करती है।

बल्ब के अंदर वायु के दबाव को बहुत कम और बहुत अधिक के बीच संतुलन बनाने की आवश्यकता है। बल्ब के अंदर एक शक्तिशाली निर्वात गति की अनुमति नहीं देता है, क्योंकि वायु धाराओं का कारण बनने के लिए पर्याप्त वायु के अणु नहीं होते हैं जो फलक सामग्री के माध्यम से गर्मी चालन द्वारा प्रत्येक फलक के दोनों किनारों पर ऊष्मीय संतुलन तक पहुंचने से पहले पिच्छफलक को प्रेरित करते हैं और गर्मी को बाहर स्थानांतरित करते हैं। उच्च अंदर का दबाव गति को रोकता है क्योंकि तापमान अंतर वायु की उच्च सांद्रता के माध्यम से पिच्छफलक को धकेलने के लिए पर्याप्त नहीं होता है: एड़ी धाराओं के होने के लिए बहुत अधिक वायु प्रतिरोध होता है, और तापमान के अंतर के कारण होने वाली किसी भी सामान्य वायु की गति उच्च द्वारा अवमंदित होती है। धाराओं के दूसरी तरफ लपेटने से पहले दबाव पर्याप्त नहीं होता है।

श्याम-पिंड विकिरण के साथ गति
जब विकिरणमापी को प्रकाश स्रोत की अनुपस्थिति में गर्म किया जाता है, तो यह आगे की दिशा में मुड़ जाता है (अर्थात अनुगामी काली भुजाएँ)। यदि किसी व्यक्ति के हाथों को बिना छुए कांच के चारों ओर रखा जाता है, तो फलक धीरे-धीरे मुड़ेंगे या बिल्कुल नहीं मुड़ेंगे, लेकिन यदि कांच को जल्दी से गर्म करने के लिए स्पर्श किया जाता है, तो वे अधिक स्पष्ट रूप से मुड़ेंगे। प्रत्यक्ष रूप से गर्म किया गया कांच पिच्छफलक को घुमाने के लिए पर्याप्त अवरक्त विकिरण देता है, लेकिन कांच गर्माहट के स्रोत से दूर-अवरक्त विकिरण को रोकता है जो इसके संपर्क में नहीं है। हालाँकि, निकट-अवरक्त और दृश्य प्रकाश अधिक आसानी से कांच में प्रवेश कर जाता है।

यदि कांच पर बर्फ डालकर या लगभग बंद दरवाजे के साथ शीतक में रखकर शक्तिशाली प्रकाश स्रोत की अनुपस्थिति में कांच को जल्दी से ठंडा किया जाता है, तो यह पीछे की ओर मुड़ जाता है (यानी सिल्वरसाइड चिह्न)। यह श्याम-पिंड अवशोषण के स्थान पर पिच्छफलक के काले फलक से श्याम-पिंड विकिरण को प्रदर्शित करता है। पहिया पीछे की ओर मुड़ता है क्योंकि काले पक्षों और पर्यावरण के बीच गर्मी का शुद्ध आदान-प्रदान प्रारम्भ में काले पक्षों को सफेद पक्षों की तुलना में तेजी से ठंडा करता है। संतुलन पर पहुंचने पर, सामान्यतः एक या दो मिनट के बाद, विपरीत क्रमावर्तन बंद हो जाता है। यह सूर्य के प्रकाश के विपरीत है, जिसके साथ पूरे दिन आगे की ओर घुमाव बनाए रखा जा सकता है।

फलकों पर बल के लिए स्पष्टीकरण
पिछले कुछ वर्षों में, यह समझाने के कई प्रयास किए गए हैं कि क्रुक्स विकिरणमापी कैसे कार्य करता है:

गलत सिद्धांत
क्रुक्स ने गलत सुझाव दिया कि बल विकिरण दबाव के कारण था। यह सिद्धांत मूल रूप से जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा समर्थित था, जिन्होंने इस बल की भविष्यवाणी की थी। यह स्पष्टीकरण अभी भी प्रायः उपकरण के साथ वृंद किए गए पत्रक में देखा जाता है। इस सिद्धांत का परीक्षण करने का पहला प्रयोग 1876 में आर्थर शूस्टर द्वारा किया गया था, जिन्होंने देखा कि क्रुक्स विकिरणमापी के कांच के बल्ब पर एक बल था जो पिच्छफलक के घूर्णन के विपरीत दिशा में था। इससे पता चला कि पिच्छफलक को घुमाने वाला बल विकिरणमापी के अंदर उत्पन्न हुआ था। यदि प्रकाश दबाव क्रमावर्तन का कारण था, तो बल्ब में बेहतर निर्वात, गति के लिए कम वायु प्रतिरोध और तेजी से पिच्छफलक को चक्रण करना चाहिए। 1901 में, एक बेहतर निर्वात पंप के साथ, पेट्र निकोलेविच लेबेडेव ने दिखाया कि वस्तुतः, विकिरणमापी केवल तभी काम करता है जब बल्ब में कम दबाव वाली गैस होती है, और पिच्छफलक एक कठोर निर्वात में स्थिर रहते हैं। अंत में, यदि हल्का दबाव प्रेरक बल होता, तो विकिरणमापी विपरीत दिशा में घूमेगा, क्योंकि चमकदार पक्ष के फोटॉन परावर्तित होने वाले काले पक्ष की तुलना में अधिक संवेग जमा करेंगे, जहां फोटॉन अवशोषित होते हैं। यह संवेग के संरक्षण का परिणाम है - प्रकाश की ओर से निकलने वाले परावर्तित फोटॉन के संवेग को उस फलक पर प्रतिक्रिया (भौतिकी) से मेल खाना चाहिए जो इसे परावर्तित करता है। प्रकाश द्वारा डाला गया वास्तविक दबाव इन पिच्छफलकों को स्थानांतरित करने के लिए बहुत छोटा है, लेकिन इसे निकोल्स विकिरणमापी जैसे उपकरणों से मापा जा सकता है। वस्तुतः प्रकाश की अनुपस्थिति में विकिरणमापी को विपरीत दिशा में या तो गर्म करके या ठंडे वातावरण (शीतक की तरह) में रखना संभव है, जब श्याम-पिंड विकिरण के कारण काले पक्ष सफेद वाले की तुलना में ठंडे हो जाते हैं।।

एक और गलत सिद्धांत यह था कि अंधेरे पक्ष पर गर्मी सामग्री को बाहर निकलने का कारण बना रही थी, जिसने विकिरणमापी को चारों ओर धकेल दिया। यह बाद में शूस्टर के दोनों प्रयोगों द्वारा प्रभावी रूप से अस्वीकृत कर दिया गया था (1876) और लेबेडेव (1901)

आंशिक रूप से सही सिद्धांत
एक आंशिक व्याख्या यह है कि फलक के गर्म पक्ष से टकराने वाले गैस के अणु कुछ ऊष्मा उठाएंगे, जो कि बढ़ी हुई गति के साथ फलक से उछलती है। अणु को यह अतिरिक्त बढ़ावा प्रभावी रूप से देने का मतलब है कि फलक पर एक मिनट का दबाव डाला जाता है। गर्म श्याम-पिंड और ठंडा चांदी पक्ष के बीच इस प्रभाव के असंतुलन का मतलब है कि फलक पर शुद्ध दबाव श्याम-पिंड पर एक वर्धन के बराबर है और परिणामस्वरूप पिच्छफलक श्याम-पिंड तलसर्पी के साथ गोल घूमती है। इस विचार के साथ समस्या यह है कि जहाँ तीव्र गति वाले अणु अधिक बल उत्पन्न करते हैं, वे अन्य अणुओं को फलक तक पहुँचने से रोकने का बेहतर काम भी करते हैं, इसलिए फलक पर शुद्ध बल समान होना चाहिए। अधिक तापमान स्थानीय घनत्व में कमी का कारण बनता है जिसके परिणामस्वरूप दोनों तरफ समान बल होता है। इस स्पष्टीकरण के खारिज होने के वर्षों बाद, अल्बर्ट आइंस्टीन ने दिखाया कि तापमान के अंतर के कारण पिच्छफलक के किनारों पर दो दबाव बिल्कुल रद्द नहीं होते हैं। आइंस्टीन द्वारा भविष्यवाणी की गई शक्ति पिच्छफलक को स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त होगी, लेकिन पर्याप्त तीव्र नहीं।

वर्तमान में स्वीकृत सिद्धांत
वर्तमान में स्वीकृत सिद्धांत ओसबोर्न रेनॉल्ड्स द्वारा तैयार किया गया था, जिन्होंने सिद्धांत दिया था कि ऊष्मीय वाष्पोत्सर्जन गति का कारण था। रेनॉल्ड्स ने पाया कि अगर संरध्र प्लेट को एक तरफ से दूसरी तरफ अधिक गर्म रखा जाता है, तो गैस के अणुओं और पट्टिका के बीच का पारस्परिक प्रभाव सा होता है कि गैस गर्म से ठंडी तरफ से प्रवाहित होगी। एक विशिष्ट क्रूक्स विकिरणमापी के फलक संरध्र नहीं होते हैं, लेकिन उनके किनारों के पीछे का स्थान रेनॉल्ड्स पट्टिका में छिद्रों की तरह व्यवहार करता है। जब भी दबाव अनुपात (निरपेक्ष) तापमान अनुपात के वर्गमूल से कम होता है, तो गैस के अणु औसतन गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर बढ़ते हैं। दाब के अंतर के कारण फलक आगे बढ़ता है, ठंडा (सफेद) पक्ष गर्म किनारे से ठंडे किनारे की ओर जाने वाली दुर्लभ गैस की गति के स्पर्शरेखा बल के कारण होता है।

रेनॉल्ड्स पत्रक कुछ समय के लिए अप्रकाशित हो गया क्योंकि इसे मैक्सवेल द्वारा उद्घृत किया गया था, जिन्होंने तब अपना खुद का एक पत्रक प्रकाशित किया था, जिसमें रेनॉल्ड्स के अप्रकाशित पत्रक में गणित की समालोचना थी। उस वर्ष मैक्सवेल की मृत्यु हो गई और रॉयल सोसाइटी ने रेनॉल्ड्स के अप्रकाशित पत्रक में मैक्सवेल के खंडन की रेनॉल्ड्स की आलोचना को प्रकाशित करने से अस्वीकृत कर दिया, क्योंकि यह अनुभूत किया गया था कि यह एक अनुचित तर्क होगा जब इसमें शापेषणी लोगों में से एक पहले ही मर चुका था।

पूर्णतया काला प्रकाश पेषणी
घूर्णन के लिए, एक हल्की चक्की को प्रत्येक फलक पर अलग-अलग रंगों से लेपित करने की आवश्यकता नहीं होती है। 2009 में, टेक्सास विश्वविद्यालय, ऑस्टिन के शोधकर्ताओं ने एक मोनोकलर्ड प्रकाश पेषणी बनाई जिसमें चार घुमावदार पिच्छफलक हैं; प्रत्येक फलक एक उत्तल और एक अवतल सतह बनाता है। प्रकाश पेषणी सोने के नैनोक्रिस्टलीय द्वारा समान रूप से लेपित है, जो एक शक्तिशाली प्रकाश अवशोषक हैं। अनावृत्ति पर, ज्यामितीय प्रभाव के कारण, फलक के उत्तल पक्ष को अवतल पक्ष की तुलना में अधिक फोटॉन ऊर्जा प्राप्त होती है, और बाद में गैस के अणु अवतल पक्ष की तुलना में उत्तल पक्ष से अधिक गर्मी प्राप्त करते हैं। शोधकर्ताओं के प्रत्यक्ष अनुकरण मोंटे कार्लो प्रतिरूपण द्वारा दिखाए गए अनुसार, किसी न किसी निर्वात पर, यह विषमता ताप प्रभाव अवतल पक्ष से उत्तल पक्ष तक प्रत्येक फलक में एक शुद्ध गैस गति उत्पन्न करता है। न्यूटन के गति के तीसरे नियम के कारण, गैस की गति प्रकाश पेषणी को अवतल पक्ष के साथ आगे बढ़ने का कारण बनती है। यह मोनोकलर अभिकल्पना सूक्ष्ममापी- या नैनोमीटर-पर्पटित प्रकाश पेषणी के निर्माण को बढ़ावा देता है, क्योंकि यह एक बहुत ही संकीर्ण, त्रि-आयामी स्थल के भीतर अलग-अलग प्रकाशिक गुणों की सामग्री को प्रतिरुप करना कठिन है।

क्षैतिज फलक प्रकाश पेषणी
फलक के गर्म भाग से ठंडे पक्ष की ओर ऊष्मीय विसर्पण का प्रदर्शन एक चक्की में क्षैतिज फलकों के साथ किया गया है जिसमें एक काले आधे और एक सफेद आधे के साथ दो-रंग की सतह होती है। इस अभिकल्पना को हेटनर विकिरणमापी कहा जाता है। इस विकिरणमापी की कोणीय गति तापीय रेंगने वाले बल के व्यवहार की तुलना में बर्तन में गैस के कारण कर्षण बल के व्यवहार द्वारा सीमित पाई गई। यह अभिकल्पना आइंस्टीन प्रभाव का अनुभव नहीं करता है क्योंकि चेहरे तापमान प्रवणता के समानांतर होते हैं।

नैनोमापक्रम प्रकाश पेषणी
2010 में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के शोधकर्ताओं ने एक नैनोमापक्रम प्रकाश पेषणी बनाने में सफलता प्राप्त की, जो क्रूक्स विकिरणमापी के बिल्कुल अलग सिद्धांत पर काम करती है। केवल 100 नैनोमीटर व्यास वाली एक स्वर्ण प्रकाश पेषणी को समस्वरित किए गए लेजर प्रकाश से बनाया और प्रकाशित किया गया था। ऐसा करने की संभावना 1936 में प्रिंसटन भौतिक विज्ञानी रिचर्ड बेथ द्वारा सुझाई गई थी। स्वर्ण की संरचना में सतह प्लास्मोन तरंग के लिए घटना प्रकाश के गुंजयमान युग्मन द्वारा आघूर्ण बल को बहुत बढ़ाया गया था।

यह भी देखें

 * क्रुक्स नलिका
 * मारंगोनी प्रभाव
 * निकोलस विकिरणमापी
 * प्रकाश कणसंचलन
 * सौर ऊर्जा
 * सौर पवन
 * थर्मोफोरेसिस

संदर्भ

 * General information
 * लोएब, लियोनार्ड बी. (1934) द काइनेटिक थ्योरी ऑफ़ गैसेस (द्वितीय संस्करण); मैकग्रा-हिल बुक कंपनी; पीपी 353–386
 * केनार्ड, अर्ल एच. (1938) काइनेटिक थ्योरी ऑफ़ गैसेस; मैकग्रा-हिल बुक कंपनी; पीपी 327–337
 * Patents

बाहरी संबंध

 * Crooke's Radiometer applet
 * How does a light-mill work?-Physics FAQ
 * The Cathode Ray Tube site
 * . 1933 Bell and Green experiment describing the effect of different gas pressures on the vanes.
 * The Properties of the Force Exerted in a Radiometer archived