impuls van foton meten

[MartoO]

Hoe meet je de impuls van een foton? Kun je deze meten?

Uit de kwantum fysica kun je deze berekenen met p = h/λ. Hierbij is p de impuls, h de constante van Planck en λ de golflengte.

De achtergrond van deze vraag is de buiging van licht bij een enkele dunne spleet. Wat ik heb gelezen is het volgende:
doordat licht door een dunne spleet gaat met een opening Δx wordt volgens de onbepaaldheidsrelatie van Heisenberg Δp groter. Deze impulsverandering zou dan voor de spreiding van de lichtbundel zorgen, zodat je een grotere vlek krijgt i.p.v. een scherpe stip als afbeelding op een scherm.

Volledigheidshalve:
Δx·Δp≥ h/4π Onbepaaldheidsrelatie
Δx is spreiding van x
Δp is spreiding van p

[jkien]

Hoe meet je de impuls van een foton? Kun je deze meten?

Er is geen huiskamerexperiment waarmee je het thuis kunt meten. Crookes dacht aanvankelijk dat zijn lichtmolentje de lichtdruk aantoonde, maar in vacuum draait het molentje niet, dus dat was een misvatting. In het laboratorium kan men de impuls meten met het Mössbauer effect.



Radiomolentje van Crookes (illustratie uit wikipedia)

[Michel Uphoff]

Er is geen huiskamerexperiment waarmee je het thuis kunt meten

Dat lees ik overal, en toch..
Het zal zeker niet eenvoudig zijn, maar een poging iets te bedenken:

Met een goedkope laser en wat spiegeltjes en handigheid kan je voor een prikkie een interferometer maken. Als een van de spiegeltjes een velletje aluminiumfolie is dat aan dunne draadjes hangt in een afgesloten doorzichtig buisje waar je de lucht uitpompt, dan zou je de lichtdruk aan de hand van het verloop van de fringes wel kunnen meten denk ik.

Bij een velletje alufolie van 10 bij 10 cm (1/100 mm dik) dat aan twee superdunne draadjes van 25 cm hangt kom ik bij plaatsing in het volle zonlicht (fotondruk ongeveer 10 µN per m²) op iets meer dan 1/100 mm verplaatsing, dat is ruwweg 20 golflengten, dus 40 donker/licht verschuivingen in het fringepatroon. Twijfelpunt is wel hoe dun en soepel de verkrijgbare draadjes zijn.

Zou dit zo kunnen werken?

[kwasie]

Probleem is, hou ga je uitsluiten dat het resultaat door omgevingsfactoren zoals trillingen komt?

[jkien]

... Twijfelpunt is wel hoe dun en soepel de verkrijgbare draadjes zijn.
Zou dit zo kunnen werken?

Als dat zou werken, dan zou ik vermoeden dat je op die lichtdruk ook een lichtmolentje van Crookes in vacuum kunt laten draaien. Iemand zal het moeten proberen

[Michel Uphoff]

hoe ga je uitsluiten dat het resultaat door omgevingsfactoren zoals trillingen komt

Dat lijkt mij simpel te ondervangen door het (zon)licht meerdere keren af te dekken terwijl je meet.

ik vermoeden dat je op die lichtdruk ook een lichtmolentje van Crookes in vacuum kunt laten draaien

Lijkt mij niet waarschijnlijk. Oppervlak van zo'n vaantje is nog geen 4 cm². Als we aannemen dat er een perfecte absorptie en idem reflectie is, dan zou de fotonendruk in te schatten zijn op minder dan 4.10^-9N. Het gewicht van het vaantjeskruis, het lagertje en de vaantjes is wat gokwerk op basis van de radiometer die ik hier heb:

Kruis: 20 mm³ aluminium, ruwweg 50 mg.
Lagertje: 16 mm³ glas 40 mg.
Mica vaantjes: vier van 20*20*0,2 mm: 960 mg.
Samen een lekker handzame 1 gram.

Als dit zou kunnen draaien onder fotondruk zou de wrijvingscoëfficiënt (tussen het stalen naaldje en het glazen axiaallagertje) ongehoord laag moeten zijn.

Ik bedenk mij nu dat ook de draadjes van alufolie gemaakt kunnen worden. Het is een enorm gepriegel maar 25 cm draadjes van een strookje alufolie van zeg eens 2 mm breed moet te doen zijn. Alufolie is 0,01 mm dik, en de buigweerstand over 25 cm lijkt mij (zou ik moeten uitrekenen) wel heel erg klein.

[jkien]

Een axiaallager klinkt voor mij als een behuizing met kogeltjes, die niet helemaal wrijvingsvrij draait.

Maar ik ken alleen een simpele uitvoering van het lichtmolentje van Crookes, waarbij het kruis op een naald balanceert en draait, zonder lager. Net zoals een kompasnaald. Het lijkt me dat dat met minder wrijving draait dan een lager.

[Papatom]

Misschien een domme vraag, maar kun je niet een microbalans onder vacuum brengen en dan de lichtdruk meten. Je zou een massaverschil moeten waarnemen of niet?

[jkien]

Dan moet je er bij zeggen wat de kleinste kracht is die je kunt meten met de microbalans die jij bedoelt.

Hoe groot is de kracht van de lichtdruk per vaantje? Michel schat 4 nN (nanonewton).

In dit artikel is de kracht die het gas uitoefent op een vaantje van de Crookes radiometer in de orde van 500 nN (figuur 6). Omdat een radiometer in de vensterbank pas gaat draaien als de zon schijnt, gok ik dat de wrijvingskracht die overwonnen moet worden per vaantje 10 keer kleiner is dan die 500 nN, dus 50 nN. Dat is teveel wrijving om die 4 nN van de lichtdruk te kunnen meten.

Rond 1900 is de lichtdruk gemeten in een verbeterde versie van de Crookes radiometer, waarbij het molentje niet op een naald steunde, maar aan een torsiedraad hing. De meting is dus wel mogelijk. Andere krachten die de lichtdrukmeting verstoren werden uitgesloten. Het vacuum werd verbeterd, hoog vacuum i.p.v. matig vacuum. Het oppervlak van de vaantjes werd bedekt met een coating die uitgassen voorkomt.

link

[Michel Uphoff]

waarbij het kruis op een naald balanceert en draait, zonder lager

Semantiek. Ik bedoel met een lager alles waar een as in kan draaien of wat iets om een as kan laten draaien.
Het puntje van de naald in die radiometer zal waarschijnlijk bolvormig gepolijst zijn om zo samen met het holle glasvlakje als taatslagertje te dienen. Hoe het exact zit met de wrijvingscoëfficiënt tussen het glas en staal bij extreem kleine oppervlakken weet ik niet, maar er zit een factor 2,5 miljoen tussen de massa en de maximaal toegestane wrijving en dat lijkt mij echt niet haalbaar.

Mijn radiometer draait ook als de Zon er niet op schijnt maar het wel goed licht is buiten, hij draaide zelfs op een sterk gedimde 50W halogeenspot op 2 meter afstand. Ik gebruik inmiddels ledlampen en nu is het einde verhaal. Off topic maar nu het toch ter sprake is gekomen: Zo'n Crookes radiometer draait de andere kant op als je hem nadat hij onder een warme kraan is gezet (waardoor hij flink gaat draaien) weer laat afkoelen, en wil je het apparaatje bijna laten opstijgen dan moet je hem naast een kookplaatje zetten. Beide wijzen er inderdaad op dat temperatuurverschil aan de grondslag van de werking ligt, en niet lichtdruk die (als het al kon) de vaantjes andersom zou laten draaien, de witte of spiegelende zijde zou terugwijken ipv de absorberende zwarte zijde zoals we waarnemen.

Interessant dat paper waar je naar linkte!

Ik ben net bezig een vacuümpompje aan het reviseren. In theorie zou hij tot 0,3 mbar moeten kunnen (de dampspanning van de gebruikte olie). Mogelijk is dat genoeg om zo'n gordijntje van alufolie voldoende stil te laten hangen? Zo ja, dan wil ik wel eens kijken of de voorgestelde meting lukt.

[HansH]

Zelf heb ik weleens ooit een flitser van een fototoestel gebruikt om te flitsen tegen de bodem van een blikken koektrommel (die resoneert als je erop tikt) en dat deed hij ook als je er met de flitser tegenaan flitste, werkte als een soort gong.

[HansH]

dus 2 metalen platen waarvan 1 dun metaal bv alufolie opgespannen met elastiekjes vlak bij elkaar in vacuum glazen stolp en spanning daarop zetten tussen de platen via hoogohmige weerstand. bij een impuls van licht gaat de ene plaat dan bewegen en genereert een AC spanningkje wat je kunt meten.

[Xilvo]

dus 2 metalen platen waarvan 1 dun metaal bv alufolie opgespannen met elastiekjes vlak bij elkaar in vacuum glazen stolp en spanning daarop zetten tussen de platen via hoogohmige weerstand. bij een impuls van licht gaat de ene plaat dan bewegen en genereert een AC spanningkje wat je kunt meten.

Daar heb ik ook over gedacht, een soort condensatormicrofoon.
Maar hoe voorkom je dat je thermische effecten meet in plaats van stralingsdruk?

De beschenen kant wordt warmer dan de andere kant, zet wat uit, de zaak trekt krom...

[MartoO]

Niet zo eenvoudig dus.
Om de wrijving uit te sluiten zou je het systeem bijvoorbeeld kunnen plaatsen boven een supergeleider, waardoor rotatie niet wordt belemmerd. Heel hoog vacuüm is vaak alleen in daarvoor ingerichte labs bereikbaar.
Helaas heb ik deze materialen en instrumenten niet in huis.
Misschien een experiment bedenken voor het ISS?

[HansH]

Maar hoe voorkom je dat je thermische effecten meet in plaats van stralingsdruk?

De beschenen kant wordt warmer dan de andere kant, zet wat uit, de zaak trekt krom...

alufolie zal vrijwel alle warmte reflecteren dus zelf geen energie opnemen. evt vergelijken met alufolie met laagje verf bespuiten en kijken of er verschil is. Als er geen significant verschil is dan kun je daaruit concluderen dat het effect stralingsdruk moet zijn. en het verchil meten tussen vacuuum en lucht. Daaruit evt extraploeren naar volledig vacuum.