Thursday, August 18, 2011

Elektromagnetkiirguse rõhk

Elektromagnet(ehk EM)kiirgus avaldab survet pindadele mis seda neelavad või peegeldavad. Kogu kiirguse peegeldumisel mõjub pinnale kaks korda suurem rõhk kui kogu kiirguse neeldumisel.
Neeldumisel tekkiv rõhk paskalites on leitav seosega kiirguse võimsuse voog vattides ruutmeetri kohta jagatud valguse kiirgus ehk ~300 miljonit meetrit sekundis. Näiteks päikesekiirguse võimsus Maal on ~1370 W ruutmeetri kohta ja jagades selle valguse kiirusega saab rõhuks 4,6 mikropaskalit ruutmeetri kohta. Paskal on rõhk, mis mõjuks ruutmeetrile 100 grammise raskuse korral ja võrdluseks on rõhk Maa merepinnal umbes 10 tonni ruutmeetri kohta (kogu sellele alale mõjuva atmosfääri raskus).
Päikese rõhk oleks võrreldav 0,46 milligrammi (2 korda rohkem peegeldudes) raskusega Maal ruutmeetri kohta, mida saab mõõta vaakumilähedases keskkonnas kergesti ringi käivate labadega, mille üks külg peegeldab ja teine külg neelab valgust (Nichols radiometer).

Ringjalt polariseeritud (ühtlasem mõju materjalile) valgusega lasereid kasutatakse ioonide kiirendamiseks EM kiirguse rõhuga ning seos rõhu ja EM kiirguse võimsuse vahel oli sama nagu eelnevalt kirjeldatud. Nende intentsiivsus oli I=1017−1022 W ruutsentimeetri kohta mis annab ioonidele sadu miljoneid elektronvolte energiat. Väga õhukesi fooliumitükke saaks ühes tükis kiirendada kuid paksemate materjalide puhul seisneb osa kiirendusest energiliste elektronide ja teiste osakeste lahti löömises.

EM kiirguse rõhku kasutatakse laseritega osakeste kinni hoidmiseks (optical tweezer) kui neid ei taheta kõrvaliste objektide vastu ajada, et vältida soojenemist nagu näiteks jahutamisel absoluutse nulli lähedale (jahutamise rekord paistab selle meetodiga ~1 miljardik kraadi üle absoluutse nulli).

Tavaliselt hoitakse laseriga 20 nanomeetriseid kuni 50 mikromeetriseid objekte koha peal. Selles uuringus kasutati 1 vatise võimsusega nähtavat valgust, et 5-10 mikromeetrise läbimõõduga osakesi ülal hoida ning laseri koondamisel läätsega mõjus see osakestele kuni 55 korda tugevamalt kui gravitatsioon.

Must keha on mõtteline materjal, mis neelab kõik selllele langeva EM kiirguse kuid mis võib kiirata temperatuurist sõltuvalt EM kiirgust sh valgust ja soojuskiirgust. Kuna peaaegu kõik materjalid hakkavad samadel temperatuuridel umbes sama energiaga või värviga EM kiirgust eritama, siis kasutatakse musta keha mõistet nende käitumise umbkaudseks kirjeldamiseks ning seejuures peegeldumise rolli kõrvale jätmiseks.

Stefan-Boltzmann'i seadus (kalkulaator selle väärtuste arvutamiseks on viites) kirjeldab energia kiirgamise kiirust sõltuvalt materjali temperatuurist.
P tähistab erituvat energiahulka vattides. A on materjali pindala ja T on temperatuur kelvinites. Sigma on jääv suurus, mis näitaks kiirgamise võimsust 1 kraadi juures üle absoluutse nulli. Kuna dzaul (j) sekundis võrdub vatiga, siis saab kiirgust intentsiivust väljendada ühikuga lihtsalt vatt ruutmeetri kohta.
Kiirguse võimsus on tugevalt temperatuurist sõltuv kasvades 10 kordse temperatuuri tõusuga 10 000 korda. See kiirguse võimsus näitab kui kiiresti võib objekt jahtuda. Temperatuur ja soojuskiirgus on püsiv kui materjal neelab sama palju soojuskiirust, kui see eritab.
See võimsuse vool on täpselt selline musta keha korral kuid vähem tumedamate ja rohkem peegeldavate reaalsete materjalide puhul on see võimsus väiksem aga vähemalt annab järgnev aimduse maksimumist mida selle temperatuuri juures on oodata. Üldiselt mida kergemini neelab materjal soojust seda tugevamalt see ka kiirgab soojust.
Toatemperatuuril kiirgaks 1 ruutmeetrine objekt ~450 vatti ruutmeetri kohta. Keeva vee temperatuuriga must keha kiirgaks 1090 vatti ruutmeetri kohta. Lõke (800 K) võib kiirata 23 000 vatti ja päikese 5800 K kraadine pind 64 miljonit vatti ruutmeetri kohta. Umbes 50 miljoni kelvinise tuumarelva plahvatuse keskosas oleks 3,5×1023 vatti ruutmeetri kohta.
Kiirendites on saavutatud korraks väikeses alas üle triljoni kraadi minevaid temperatuure (prootoni ja antiprootoni põrkumisel ka kuni tuhat korda rohkem) ning saades ruutmeetrise pinna sellisele temperatuurile kiirgaks see 5×1040 vatti ruutmeetri kohta.
Kui rõhk on see kiirgus jagatud valguse kiirusega saab leida nende kiirguste rõhud kui kogu energia saab kohe täielikult neelduda mingi uue pinna sisse.
Toatemperatuuril objekti kiirguse rõhk on ~1 mikropaskalit.
Keeva vee temperatuuril oleks EM kiirguse rõhk ~3,6 mikropaskalit.
Lõkke kiirguse rõhk oleks ~75 mikropaskalit.
Päikese pinnal on see rõhk ~0,02 paskalit.
Umbes 150 000 kraadine objekt kiirgaks Maa atmosfäärirõhuga võrreldava võimsusega (korrutasin atmosfääri 100 000 paskalit valguse kiirusega ja lasin kalkulaatoril temperatuuri leida).
50 miljoni kraadise tuumarelvas kiirguv rõhk on ~1×1015 paskalit ehk ~10 miljardi kordne Maa atmosfääri rõhk mida saaks võrrelda ~100 miljardi tonnise raskusjõuga (100 kuupkilomeetri vee kaal ruutmeetrile, mis ühtse sambana oleks ~100 miljoni kilomeetri kõrgune). Sellist rõhku kasutatakse tavaliselt termotuumarelvades vesiniku tuumade kokku surumiseks.
Triljoni kraadine ruutmeeter võib EM kiirgusega avaldada ~1,6×1032 paskalist rõhku ehk ~1,6×1027 kordset atmosfääri rõhku ehk 1,6×1031 kilogrammi raskusjõuga sarnast rõhku ruutmeetrile. Maa mass ise on ~5.9736×1024 kg ja päikese oma on 1.9891×1030 kg, mistõttu isegi päikese mass Maa ruutmeetrile surutuna ei avaldaks sellist survet.

No comments:

Post a Comment