Jeder, der schon mal in einem Wissenschaftsmuseum war, kennt sie vielleicht: Die faszinierende Crookes-Lichtmühle, die sich wie von Geisterhand dreht, sobald Licht darauffällt. Man könnte meinen, der Lichtstrahl selbst schiebt die Flügel an. Doch ihre wahre Funktionsweise ist weit komplexer und überraschender, als man zunächst vermuten würde. Vergiss alles, was du über Lichtdruck zu wissen glaubst – bei der Crookes Radiometer Funktionsweise spielt er nur eine winzige Rolle, und die Drehung erfolgt sogar entgegengesetzt!
Lichtdruck? Eine gängige, aber falsche Annahme
Die intuitive Erklärung, dass der Druck der Photonen, also des Lichts selbst, die Flügel antreibt, ist weit verbreitet. Doch schauen wir genauer hin: Die schwarzen Seiten der Flügel laufen *hinterher*. Das bedeutet, die Kraft wirkt stärker auf die schwarzen Flächen. Wenn es aber der Lichtdruck wäre, würden die Photonen von den weißen Seiten reflektiert und von den schwarzen absorbiert. Mehr Impuls würde auf die weißen Seiten übertragen, und die Mühle müsste sich in die entgegengesetzte Richtung drehen.
Das heißt: Die Erklärung, dass Lichtdruck das Crookes Radiometer antreibt, ist komplett falsch. Sie würde es genau andersherum drehen lassen! Lichtdruck existiert zwar – ein starker 50-Watt-Laser erzeugt zum Beispiel winzige 17 Mikrogramm Kraft – doch die Kräfte, die in einer Lichtmühle wirken, sind um ein Vielfaches stärker. Es muss also eine andere Ursache für diese beeindruckende Drehbewegung geben.
Der thermische Effekt: Das wahre Geheimnis der Drehung
Was aber lässt die Lichtmühle dann drehen? Es ist ein thermischer Effekt Physik, und dieser benötigt Gas im Inneren des Glasgefäßes. Lässt man ein Radiometer zur Ruhe kommen und kühlt anschließend die Glasummantelung mit einem Kältespray, dann sehen wir Erstaunliches: Es beginnt sich rückwärts zu drehen, also entgegengesetzt zur Drehrichtung bei Lichteinfall!
Wäre es nur ein Photonen-Effekt, würde das Kühlen des Glases keine solche Umkehr bewirken. Ganz klar: Hier spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle. Ohne Gas im Inneren würde der Rotor nur von den Photonen berührt werden, und wir wissen ja, dass das nicht der primäre Antrieb sein kann. Ebenso funktioniert das Radiometer nicht, wenn es einfach dem Umgebungsdruck ausgesetzt ist. Es braucht also ein Vakuum Experiment, um das Geheimnis zu lüften.
Die Rolle des Vakuums: Weniger ist nicht immer mehr
Das Crookes Radiometer funktioniert weder in einem harten Vakuum noch bei normalem Luftdruck. Das bedeutet, es muss einen idealen Druckbereich geben, in dem das System optimal funktioniert.
Stellt man ein Radiometer in eine Vakuumkammer und senkt den Druck auf extrem niedrige Werte – ein hartes Vakuum – dreht sich plötzlich nichts mehr, selbst bei hellem Licht. Es sind einfach zu wenige Gasmoleküle vorhanden, um den thermischen Effekt zu erzeugen. Die Lichtmühle kommt zum Stillstand. Das zeigt eindrücklich: Die Gasmoleküle sind absolut entscheidend.
Der goldene Mittelweg: Optimaler Druck für maximale Drehzahl
Nachdem wir nun wissen, dass sowohl zu viel als auch zu wenig Gas schlecht ist, stellt sich die Frage: Was ist der optimale Druck? Durch sorgfältige Messungen in einer Vakuumkammer zeigt sich, dass es tatsächlich einen perfekten Gleichgewichtspunkt gibt.
Im Experiment wurde eine maximale Drehzahl bei etwa 7 Millitorr (ein Maßeinheit für sehr geringen Druck) erreicht. Das ist spannend, denn bei diesem Druck legt ein Gasteilchen durchschnittlich etwa 1 Zentimeter zurück, bevor es mit einem anderen Teilchen kollidiert. Zum Vergleich: Bei normalem Umgebungsdruck beträgt diese Distanz nur etwa 100 Nanometer. Dieser mittlere freie Weg der Gasteilchen ist entscheidend für die optimale Funktion des Radiometers.
So funktioniert’s im Detail: Heiße Seiten und Gasteilchen
Was lässt die Lichtmühle nun genau drehen? Es sind zwei wesentliche Faktoren, die Hand in Hand gehen:
1. Thermischer Rückstoß: Wenn Licht auf die Flügel trifft, absorbieren die schwarzen Seiten deutlich mehr Energie und erwärmen sich stärker als die weißen Seiten. Gasmoleküle im Teilluftleeren treffen auf diese unterschiedlich heißen Oberflächen. Trifft ein Molekül auf die wärmere, schwarze Fläche, nimmt es mehr Energie auf und wird mit höherer Geschwindigkeit abgestoßen. Dieser energetischere Rückprall erzeugt einen kleinen Impuls, der die schwarze Seite wegstößt. Die schwarzen Seiten werden quasi von den heißen Gasteilchen weggeschoben.
2. Thermische Transpiration: Dieser Effekt beschreibt die Entstehung eines Druckunterschieds zwischen der warmen und der kühlen Seite. Auch dieser thermische Effekt trägt zur Rotation bei.
Interessanterweise treten sowohl der thermische Rückstoß als auch die thermische Transpiration hauptsächlich an den Kanten der Flügel auf. Zufälligerweise sind die Flügel in einem typischen Radiometer etwa 1 cm lang – genau der mittlere freie Weg der Gasteilchen bei 7 Millitorr. Ob das ein Zufall ist? Jedenfalls ist es ein faszinierendes Detail bei der Lichtmühle Erklärung.
Häufig gestellte Fragen zur Lichtmühle
Q: Warum dreht sich das Crookes Radiometer nicht durch Lichtdruck?
A: Weil Lichtdruck eine zu geringe Kraft erzeugt und die Drehung in die entgegengesetzte Richtung verursachen würde, wenn er der primäre Antrieb wäre. Die schwarzen Seiten würden sich dann vom Licht weg vom Licht bewegen.
Q: Welchen Einfluss hat das Vakuum auf die Drehung?
A: Das Radiometer benötigt ein Teilvakuum. In einem extrem harten Vakuum (zu wenige Gasteilchen) oder bei Umgebungsdruck (zu viele Kollisionen) dreht es sich nicht. Es gibt einen optimalen Druckbereich, in dem die Gasteilchen am besten mit den Flügeln interagieren.
Q: Was ist der eigentliche Mechanismus, der die Lichtmühle antreibt?
A: Es ist ein thermischer Effekt. Die schwarzen Seiten der Flügel absorbieren mehr Licht, erwärmen sich stärker und stoßen die umliegenden Gasmoleküle mit höherer Energie ab. Dieser Rückstoß und thermische Transpiration erzeugen die Drehung der Flügel.
