Vous avez sûrement déjà croisé cette petite merveille en verre dans la boutique d’un musée scientifique. Ce petit objet, le radiomètre de Crookes, avec ses ailettes noires et blanches, tourne joyeusement sous l’effet de la lumière. Intriguant, n’est-ce pas ? La première idée qui nous vient souvent à l’esprit, c’est que la lumière elle-même, avec ses photons, est responsable de ce mouvement. Mais si je vous disais que cette explication courante est… complètement fausse ? Plongeons ensemble dans le véritable fonctionnement du radiomètre de Crookes.
Non, ce n’est pas la pression de la lumière qui le fait tourner.
On est souvent tentés de croire que les photons, ces petits « paquets » de lumière, frappent les ailettes et les poussent, un peu comme le vent dans une voile. La lumière exerce bien une pression, mais c’est un effet minuscule. Une force vraiment minime. Et surtout, si c’était le cas, le radiomètre tournerait dans le sens inverse !
Regardez bien les ailettes : la face noire est en retrait, comme si elle était poussée plus fort que la face blanche. Or, les photons seraient absorbés par le noir et réfléchis par le blanc. Si la pression lumineuse était en jeu, la face blanche, en réfléchissant la lumière, recevrait plus de force et pousserait l’ailette vers l’avant. Ce serait donc l’inverse de ce que nous observons.
Pour en avoir le cœur net, il suffit d’une petite expérience : si l’on refroidit la bulle de verre avec un spray réfrigérant, le radiomètre se met à tourner… mais à l’envers ! Clairement, quelque chose d’autre est à l’œuvre. Le rôle de la lumière est indirect.
Une question de chaleur et de gaz.
Alors, quel est le vrai secret derrière cet élégant mouvement ? C’est une histoire de chaleur et de gaz. Le radiomètre de Crookes n’est pas un vide parfait. Il contient une petite quantité de gaz, à très basse pression. C’est essentiel ! Sans gaz, les seules choses qui pourraient interagir avec les ailettes seraient les photons, et nous avons vu que ce n’est pas la bonne explication.
Par ailleurs, si la bulle de verre était cassée et que les ailettes étaient à la pression atmosphérique ambiante, elles ne bougeraient pas non plus. Le radiomètre ne fonctionne donc ni dans le vide absolu, ni à pression normale. Il y a un équilibre délicat à trouver.
Les faces noires des ailettes absorbent plus de lumière que les faces blanches. L’absorption de la lumière se transforme en chaleur, ce qui signifie que la face noire devient plus chaude que la face blanche. C’est cette différence de température qui déclenche le mouvement.
Le point d’équilibre parfait : la pression optimale.
Pour comprendre l’explication du radiomètre de Crookes, imaginez une chambre à vide où l’on peut contrôler la pression. Si la pression est trop basse (presque le vide), il n’y a pas assez de molécules de gaz pour interagir avec les ailettes, et rien ne se passe, même sous une forte lumière. Si la pression est trop élevée (comme à l’air libre), les molécules de gaz sont trop nombreuses et se cognent entre elles avant même d’atteindre les ailettes, ce qui annule l’effet.
Il existe donc une pression idéale, un « juste milieu » où le radiomètre tourne le plus vite. L’expérience montre que cette pression optimale se situe aux alentours de 7 millitorrs. À cette pression très spécifique, une molécule de gaz peut parcourir environ 1 centimètre avant de heurter une autre molécule. C’est bien plus que les 100 nanomètres à pression ambiante !
L’effet thermique aux bords des ailettes.
C’est là que l’explication devient fascinante. Le mouvement du radiomètre est le résultat de deux phénomènes thermiques :
1. Le recul thermique : Quand une molécule de gaz heurte la face noire (chaude), elle rebondit avec plus d’énergie, comme si elle était « boostée » par la chaleur. Ce surcroît d’énergie de recul crée une petite poussée sur la face noire, la faisant reculer.
2. La transpiration thermique : Il se crée une différence de pression entre la face chaude et la face plus froide, principalement aux bords des ailettes.
Ces deux effets se produisent principalement aux bords des ailettes. Et, coïncidence étonnante, la taille des ailettes est souvent d’environ 1 centimètre… exactement la même distance que le libre parcours moyen des molécules de gaz à la pression optimale ! Serait-ce un hasard ? C’est en tout cas un indice intrigant sur la conception de cet objet.
Donc, la prochaine fois que vous verrez un radiomètre de Crookes, vous saurez que ce n’est pas la force directe de la lumière qui le fait danser, mais plutôt un subtil jeu de chaleur, de gaz et de physique moléculaire à basse pression. Un vrai tour de magie scientifique !
Questions Fréquemment Posées
Pourquoi le radiomètre de Crookes ne tourne-t-il pas à cause de la pression de la lumière ?
La pression de la lumière est un effet réel mais très faible. Surtout, si c’était la cause, la réflexion des photons sur les faces blanches des ailettes exercerait une plus grande force, ce qui ferait tourner le radiomètre dans le sens inverse de celui observé.
Quel rôle joue le gaz à l’intérieur du radiomètre ?
Le gaz est essentiel. Il n’est pas dans un vide parfait. Les molécules de gaz rebondissent sur les faces des ailettes. La différence de température entre les faces noires (plus chaudes) et blanches (plus froides) fait que les molécules rebondissent avec plus d’énergie sur les faces chaudes, créant une poussée et donc le mouvement. Sans gaz, ou avec trop de gaz, le mouvement ne se produit pas.
Y a-t-il une pression idéale pour son fonctionnement ?
Oui, il existe une pression de gaz optimale pour que le radiomètre tourne le plus rapidement. Cette pression est généralement autour de 7 millitorrs. À cette pression, les molécules de gaz peuvent parcourir une distance suffisante (environ 1 cm) sans collisions fréquentes, permettant aux effets thermiques de se manifester efficacement sur les bords des ailettes.
