Fotoforéza - Photophoresis

Fotoforéza označuje jev, ve kterém se suspendují malé částice plyn (aerosoly) nebo kapaliny (hydrokoloidy) začnou migrovat, když jsou osvětleny dostatečně intenzivním paprskem světlo. Existence tohoto jevu je dána nerovnoměrným rozložením teploty osvětlené částice v a tekutina střední.^[1] Odděleně od fotoforézy může být v kapalné směsi různých druhů částic migrace některých druhů částic způsobena rozdíly v jejich absorpcích tepelného záření a dalších tepelných účincích souhrnně známých jako termoforéza. Při laserové fotoforéze částice migrují, jakmile mají index lomu odlišný od okolního média. Migrace částic je obvykle možná, když je laser mírně zaostřený nebo ne. Částice s vyšším indexem lomu ve srovnání s okolní molekulou se vzdaluje od zdroje světla v důsledku přenosu hybnosti z fotonů absorbovaného a rozptýleného světla. Toto se označuje jako a radiační tlak platnost. Tato síla závisí na intenzitě světla a velikosti částic, ale nemá nic společného s okolním prostředím^{[je zapotřebí objasnění ]}. Stejně jako v Radiometr Crookes, světlo se může zahřát na jednu stranu a molekuly plynu se od tohoto povrchu odráží větší rychlostí, a proto tlačí částici na druhou stranu. Za určitých podmínek, u částic o průměru srovnatelných s vlnovou délkou světla, dochází k jevu negativní nepřímé fotoforézy, kvůli nerovnoměrnému generování tepla na laserovém záření mezi zadní a přední stranou částic, což vytváří teplotní gradient v médium kolem částice tak, že se molekuly na druhé straně částice od zdroje světla mohou více zahřívat, což způsobí pohyb částice směrem ke zdroji světla.^[2]

Pokud se suspendovaná částice otáčí, zažije také Yarkovského efekt.

Objev fotoforézy se obvykle připisuje Felix Ehrenhaft ve dvacátých letech minulého století, ačkoli dřívější pozorování provedli i jiní Augustin-Jean Fresnel.

Aplikace fotoforézy

Aplikace fotoforézy expandují do různých divizí vědy, tedy fyziky, chemie i biologie. Fotoforéza se používá při zachycování a levitaci částic,^[3] při frakcionaci polního toku částic,^[4] při stanovení tepelné vodivosti a teploty mikroskopických zrn^[5] a také při transportu sazí v atmosféře.^[6] Využití světla při separaci částic aerosoly na základě jejich optických vlastností umožňuje separaci organických a anorganických částic aerodynamická velikost.^[7]

Nedávno byla jako mechanismus chirálního třídění pro uhlíkové nanotrubičky s jednou stěnou navržena fotoforéza.^[8] Navrhovaná metoda by využívala rozdíly v absorpčních spektrech polovodivých uhlíkových nanotrubiček vznikajících z opticky excitovaných přechodů v elektronické struktuře. Pokud by byla tato technika vyvinuta, byla by řádově rychlejší než aktuálně zavedené ultracentrifugační techniky.

Teorie fotoforézy

Přímá fotoforéza je způsobena přenosem hybnosti fotonu na částici lomem a odrazem.^[9] K pohybu částic ve směru dopředu dochází, když je částice průhledná a má index lomu větší ve srovnání s okolním médiem.^[7] K nepřímé fotoforéze dochází v důsledku zvýšení kinetické energie molekul, když částice absorbují dopadající světlo pouze na ozářenou stranu, čímž se v částice vytvoří teplotní gradient. V této situaci okolní vrstva plynu dosáhne teplotní rovnováhy s povrchem částice. Molekuly s vyšší kinetickou energií v oblasti vyšší teploty plynu narážejí na částice s větší hybností než molekuly v chladné oblasti; to způsobí migraci částic ve směru opačném k gradientu povrchové teploty. Složka fotophoretické síly odpovědná za tento jev se nazývá radiometrická síla.^[10] K tomu dochází v důsledku nerovnoměrného rozložení radiační energie (funkce zdroje v částici). Nepřímá fotophoretická síla závisí na fyzikálních vlastnostech částice a okolního média.

Pro tlaky ${displaystyle p}$, kde je volná střední dráha plynu mnohem větší než charakteristická velikost ${displaystyle r_ {0}}$ suspendované částice (přímá fotoforéza) je podélná síla ^[11]

${displaystyle mathbf {F} _ {ext {phot}} = - {frac {pi} {3}}, alpha, alpha _ {ext {m}} {frac {p} {sqrt {{overline {T_ {ext { gas}} ^ {ext {out}}}}, T_ {ext {gas}} ^ {ext {in}}}}}, r_ {0} ^ {2}, {frac {I, J_ {1}} {{frac {k} {r_ {0}}} + 4sigma _ {ext {SB}} varepsilon, T_ {ext {black body}} ^ {3}}}, mathbf {e} _ {z}}$

kde je střední teplota rozptýleného plynu (koeficient tepelné akomodace) ${displaystyle alpha}$, hybnost akomodační koeficient ${displaystyle alpha _ {ext {m}}}$)

${displaystyle {overline {T_ {ext {gas}} ^ {ext {out}}}} = T_ {ext {gas}} ^ {ext {in}} + alfa vlevo (T_ {ext {černé tělo}} - T_ {ext {gas}} ^ {ext {in}} ight)}$

a teplota černého tělesa částice (čistý světelný tok ${displaystyle I = varepsilon, I_ {0}}$, Stefan Boltzmann konstantní ${displaystyle sigma _ {ext {SB}}}$, teplota radiačního pole ${displaystyle T_ {ext {opt}}}$)

${displaystyle T_ {ext {black body}} = {sqrt [{4}] {{frac {I_ {0}} {4sigma _ {ext {SB}}}} + T_ {ext {opt}} ^ {4} }}}$.

${displaystyle k}$ je tepelná vodivost částice. Faktor asymetrie pro koule ${displaystyle J_ {1}}$ je obvykle ${displaystyle 1/2}$ (pozitivní podélná fotoforéza). U nesférických částic je průměrná síla působící na tuto částici dána stejnou rovnicí, kde poloměr ${displaystyle r_ {0}}$ je nyní poloměr příslušné objemově ekvivalentní koule.^[12]

Reference

externí odkazy

• Fotoforéza v kontextu astrofyzika
• Negativní fotoforéza