ラジオメーター効果

クルックスのラジオメーターとラジオメーター効果

クルックスのラジオメーターは、ガラス容器内に羽根車が封入されたシンプルな装置です。片面を黒く、もう片面を白く塗った羽根に光を当てると、羽根車が回転する現象が見られます。これがラジオメーター効果です。一見、光そのものの圧力（放射圧）によるものと思われがちですが、実際はより複雑な物理現象が関わっています。

ラジオメーター効果のメカニズム

ラジオメーター効果の正確なメカニズムは、長らく議論されてきましたが、現在では、主に以下の2つの要因が組み合わさって生じると考えられています。

1. 熱による気体分子の運動: 黒く塗られた面は光を吸収し、白く塗られた面よりも高温になります。この温度差によって、羽根の周囲の気体分子が不均一に運動します。高温側の分子は活発に動き回り、低温側の分子よりも大きな運動量を持ちます。この運動量の差が、羽根車に回転力を与えます。

2. 熱拡散: 温度差によって生じる気体分子の拡散（熱拡散）も、回転に寄与します。高温側から低温側への気体分子の移動は、羽根に力を及ぼし、回転を促進します。

これらの効果は、ガラス容器内の気圧が低いことが重要です。高圧では、気体分子同士の衝突が頻繁に起こり、熱による運動量の違いが平均化されてしまうため、回転は弱まったり、起こらなかったりします。

誤った解釈

ラジオメーター効果については、過去に様々な誤解がありました。代表的なものを以下に挙げます。

放射圧による回転説: 光子の運動量によって直接羽根車が回転するという説ですが、これはニコルズ放射計のような特殊な装置を除き、クルックスのラジオメーターの回転の主要因ではありません。クルックス自身も当初は放射圧を主張していましたが、のちに否定しています。
熱振動による反作用説: 黒い面で温められた気体分子が羽根に衝突する際に、白く塗られた面よりも大きな運動量を与えるため回転するという説ですが、これは熱膨張による気体分子の数の減少を考慮に入れていないため、不正確です。
* 熱応力によるエッジ効果説: 羽根の端の部分で生じる温度勾配によって、気体分子の運動が非対称になり、回転力が発生するという説です。これは部分的に寄与する可能性がありますが、主要な原因ではありません。

まとめ

ラジオメーター効果は、光吸収による温度差と、それに伴う気体分子の運動、熱拡散の複合的な作用によって生じる現象です。単純な放射圧や熱振動だけでは説明できない複雑なメカニズムを持ち、長年研究されてきた興味深いテーマです。クルックスのラジオメーターは、一見シンプルな装置ながら、気体分子運動論を理解する上で貴重な教材となっています。 様々な誤解を生んできた歴史からも、物理現象の複雑さを改めて認識させられるでしょう。 この効果は、光学や熱力学、気体分子運動論といった複数の分野にまたがるため、今後も更なる研究が期待されます。 低圧環境下での熱と気体の相互作用の理解を深める上で、重要な役割を果たしていると言えるでしょう。

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