Ελκτικές δυνάμεις από την ακτινοβολία μέλανος σώματος

Posted on 20/07/2013

0


H ακτινοβολία μέλανος σώματος μπορεί να οδηγήσει σε μια καθαρά ελκτική δύναμη μεταξύ μικροσκοπικών αντικειμένων.

Αυτό ισχυρίζονται φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία, οι οποίοι υπολόγισαν το μέτρο αυτής της νέας δύναμης μεταξύ ενός κόκκου σκόνης και ενός ατόμου υδρογόνου.

atomsΟι ερευνητές M. Sonnleitner, M. Ritsch-Marte και H. Ritsch θεωρούν ότι σε ορισμένες περιπτώσεις η δύναμη αυτή είναι πιο ισχυρή από τη βαρύτητα, που σημαίνει ότι η παρουσία της θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στη συμπεριφορά των νεφών αερίου και σκόνης στο διάστημα.

Η προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να επηρεάσει ένα άτομο με δύο τρόπους.
aborptionΑν το φωτόνιο έχει ακριβώς την κατάλληλη ενέργεια, τότε αποροφάται από το άτομο και ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε μια διεγερμένη στάθμη. Καθώς το άτομο απορροφά το φωτόνιο, απορροφά και την ορμή του. Έτσι το άτομο ωθείται μακριά από την πηγή του φωτός, προκαλώντας αυτό που ονομάζεται πίεση της ακτινοβολίας.

Εναλλακτικά, το ηλεκτρικό πεδίο της ακτινοβολίας μετατοπίζει και διαχωρίζει ελαφρά τις ενεργειακές στάθμες των ατόμων – μια διαδικασία που ονομάζεται φαινόμενο Stark. Και ενώ οι διεγερμένες καταστάσεις αυξάνονται ενεργειακά, η ενέργεια της θεμελιώδους κατάστασης εν γένει μειώνεται.

Εφόσον ένα άτομο δεν έχει διεγερθεί, τότε θα βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάστασή του.Καθώς μειώνεται η ενέργεια της θεμελιώδους κατάστασης, μειώνεται και η συνολική ενέργεια του ατόμου.
Πιο έντονη ακτινοβολία δημιουργεί ισχυρότερο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και μια μεγαλύτερη μετατόπιση Stark, οπότε η φυσική τάση των ατόμων να ελαχιστοποιούν την ενέργειά τους δημιουργεί μια ελκτική δύναμη προς την πηγή της ακτινοβολίας.
Η δύναμη αυτή χρησιμοποιείται από τις «οπτικές λαβίδες» που παγιδεύουν άτομα σε μια εστίαση λέιζερ.

Ο θεωρητικός φυσικός Helmut Ritsch του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ εξηγεί ότι η εργασία τους προέκυψε από μια θεωρητική συζήτηση με τη σύζυγό του, την βιοφυσικό Monika-Ritsch Marte, η οποία μελετά τις οπτικές λαβίδες στο
Ιατρικό τμήμα του Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ.

Αναρωτήθηκαν το κατά πόσον ήταν δυνατόν να δημιουργηθεί ένα ελκτικό οπτικό δυναμικό με τη χρήση μικροκυματικής και υπέρυθρης ακτινοβολίας. «Οι περισσότεροι άνθρωποι θα απαντούσαν αρχικά όχι», λέει ο ίδιος. Το ζεύγος συνεργάστηκε με τον μεταπτυχιακό φοιτητή Matthias Sonnleitner – στο πλαίσιο της διδακτορικής του διατριβής – για να ερευνήσουν την περίπτωση της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος.

Συνεισφορά από το φαινόμενο Stark
Η ακτινοβολία μέλανος σώματος περιέχει ένα συνεχές φάσμα συχνοτήτων, στο οποίο περιέχονται και οι συχνότητες των φωτονίων που απαιτούνται για την διέγερσση των ατόμων. Αυτά τα φωτόνια όταν αποροφούνται από τα άτομα προκαλούν απωστικές δυνάμεις (σε σχέση με την πηγή που εκπέμπει την ακτινοβολία).

Διαβάστε: H ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΕΛΑΝΟΣ ΣΩΜΑΤΟΣ

Ωστόσο, για τη διέγερση των ελαφρύτερων στοιχείων – από τα οποία συνίσταται το μεγαλύτερο ποσοστό της ύλης του σύμπαντος – απαιτούνται φωτόνια των οποίων οι συχνότητες βρίσκονται στο ορατό και το υπεριώδες τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Μέλανα σώματα με θερμοκρασίες κάτω από 6000 K – η θερμοκρασία της επιφάνειας του Ήλιου – εκπέμπουν κυρίως φωτόνια υπέρυθρης ακτινοβολίας. Επειδή αυτά τα φωτόνια έχουν ενέργεια μικρότερη από εκείνη που απαιτείται για την διέγερση των ελαφρών ατόμων, δεν απορροφώνται από αυτά και έτσι δεν προκαλούν πίεση ακτινοβολίας.
Συμβάλουν όμως στην ελκτική δύναμη που δημιουργείται από το φαινόμενο Stark. Στις περισσότερες των περιπτώσεων αυτή η ελκτική «οπτική δύναμη μέλανος σώματος» είναι μεγαλύτερη από την πίεση της ακτινοβολίας.

Η δύναμη αυτή μειώνεται γρήγορα με την απόσταση και ως εκ τούτου οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα είναι δύσκολο να μετρηθεί στο εργαστήριο. Όμως, κάτω από συγκεκριμένες αστροφυσικές συνθήκες θα μπορούσε να παίξει σημαντικό ρόλο.
Επιπλέον για σωματίδια που είναι πολύ ελαφρά, θα μπορούσε να είναι πιο σημαντική από τη βαρύτητα.
Για παράδειγμα, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι σε ένα διαπλανητικό νέφος σκόνης με σωματίδια της τάξης των μικρομέτρων σε θερμοκρασία 100 Κ , το δυναμικό μέλανος σώματος στην επιφάνειά του είναι πάνω από 100 εκατομμύρια φορές μεγαλυτερο από το δυναμικό που οφείλεται στη βαρύτητα.

Bαρυτικό δυναμικό (μπλε) και δυναμικό μέλανος σώματος (κόκκινο) που προκαλείται από τυχαία κατανεμημένα σφαίρες μεγέθους ενός μικρομέτρου και πυκνότητας 2 g/cm3. Σε θερμοκρασία T ≈ 90 K το δυναμικό μέλανος σώματος είναι 108 φορές μεγαλύτερο από το βαρυτικό.

Bαρυτικό δυναμικό (μπλε) και δυναμικό μέλανος σώματος (κόκκινο) που προκαλείται από τυχαία κατανεμημένα σφαίρες μεγέθους ενός μικρομέτρου και πυκνότητας 2 g/cm3. Σε θερμοκρασία T ≈ 90 K το δυναμικό μέλανος σώματος είναι 108 φορές μεγαλύτερο από το βαρυτικό.

Τελικά, παρότι η η ιδέα μιας ελκτικής οπτικής δύναμης που οφείλεται στην ακτινοβολία μέλανος σώματος φαίνεται αρχικά εξωτική και μακριά από κάθε διαίσθηση, οι ερευνητές Sonnleitner et al έδειξαν ότι σε πολές περιπτώσεις όπως για άτομα υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση, η «δύναμη μέλανος σώματος» επικρατεί της απωστικής πίεσης ακτινοβολίας. Επιπλέον μπορεί να γίνει κατά πολύ ισχυρότερη από την βαρυτική αληλεπίδραση.

physicsworld.com

Διαβάστε περισότερα: Attractive Optical Forces from Blackbody Radiation arxiv.org/pdfprl.aps.org

(νεώτερη ενημέρωση 20/7/2016)
Διαβάστε επίσης: Dependence of the Black Body Force on Spacetime Geometry and
Topology