Le radiomètre de Crookes
Montrer l'existence de la pression de radiation
Le radiomètre de Crookes a été inventé pour démontrer l'existence de la pression de radiation, mais il ne fonctionne pas: découvrez pourquoi !
Réaliser une expérience montrant l'existence de la pression de radiation n'est pas simple, car les forces mises en jeu sont très faibles et ne permettent pas de s'opposer à la résistance de l'air. En 1873, le chimiste et physicien britannique Sir William Crookes invente le radiomètre de Crookes, dont on peut voir une illustration ci-contre. Le moulin tourne horizontalement. Chacune de ses ailes est noire d'un côté et argentée de l'autre. Le moulin est dans une ampoule où on a fait le vide, et donc dans laquelle la résistance de l'air n'empêchera pas le mouvement. Quand la lumière frappe le côté noir, elle est absorbée et cède donc sa quantité de mouvement au moulin. Quand elle frappe le côté argenté, elle est réfléchie et cède donc deux fois sa quantité de mouvement. Le côté argenté est donc poussé deux fois plus par la lumière que le côté noir, et on s'attend donc à ce que le moulin se mette à tourner avec le côté noir à l'avant.
Il tourne à l'envers !
Le problème, c'est que quand William Crookes réalise l'expérience, le moulin tourne à l'envers ! Et si vous en achetez un aujourd'hui, ce sera aussi le cas, comme vous pouvez le voir ci-contre !
Les physiciens mirent plusieurs années à comprendre ce qu'ils voyaient. Finalement, ils comprirent que le mouvement était dû au vide imparfait dans l'ampoule. La face noire des ailes, qui absorbe la lumière, et donc de l'énergie, chauffe. Les molécules du gaz résiduel dans l'ampoule chauffent aussi, en venant frapper cette face noire. Il se crée alors un flux du gaz de la zone chaude vers la zone froide, qui entraîne le moulin. Si on améliore le vide dans l'ampoule, le moulin tourne de moins en moins vite, et finit par s'arrêter. Mais dans le radiomètre de Crookes, même dans le meilleur vide possible, la pression de radiation n'est jamais suffisante pour mettre en mouvement le moulin dans le bon sens.
- L'explication du mouvement du radiomètre de Crookes est un peu plus subtile que l'explication simplifiée qui est donnée ci-dessus, comme on pourra s'en apercevoir en lisant l'article de James Clerk Maxwell On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature, DOI : 10.1098/rstl.1879.0067.