Фотофорез - Photophoresis

Фотофорез обозначает явление, когда мелкие частицы взвешены в газ (аэрозоли) или жидкости (гидроколлоиды) начинают мигрировать при освещении достаточно интенсивным лучом свет. Существование этого явления связано с неравномерным распределением температуры освещенной частицы в жидкость средний.^[1] Помимо фотофореза, в жидкой смеси различных видов частиц миграция некоторых видов частиц может быть связана с различиями в их поглощении теплового излучения и других тепловых эффектов, известных под общим названием термофорез. При лазерном фотофорезе частицы мигрируют, когда имеют показатель преломления, отличный от окружающей среды. Миграция частиц обычно возможна, когда лазер слегка или не сфокусирован. Частица с более высоким показателем преломления по сравнению с окружающей ее молекулой удаляется от источника света из-за передачи импульса от поглощенных и рассеянных фотонов света. Это называется радиационное давление сила. Эта сила зависит от интенсивности света и размера частиц, но не имеет ничего общего с окружающей средой.^{[требуется разъяснение ]}. Как и в Радиометр Крукса свет может нагревать одну сторону, и молекулы газа отскакивают от этой поверхности с большей скоростью, тем самым толкая частицу на другую сторону. При определенных условиях с частицами диаметром, сравнимым с длиной волны света, возникает явление отрицательного непрямого фотофореза из-за неравномерного тепловыделения при лазерном облучении между задней и передней сторонами частиц, что создает градиент температуры в среда вокруг частицы, так что молекулы на дальней стороне частицы от источника света могут нагреться сильнее, заставляя частицу двигаться к источнику света.^[2]

Если взвешенная частица вращается, она также будет испытывать Эффект Ярковского.

Открытие фотофореза обычно связывают с Феликс Эренхафт в 1920-х годах, хотя более ранние наблюдения были сделаны другими, в том числе Огюстен-Жан Френель.

Применение фотофореза

Применение фотофореза распространяется на различные разделы науки, например, физику, химию и биологию. Фотофорез применяется при улавливании и левитации частиц,^[3] в поле потокового фракционирования частиц,^[4] при определении теплопроводности и температуры микроскопических зерен^[5] а также при переносе частиц сажи в атмосфере.^[6] Использование света при разделении частиц аэрозоли на основе их оптических свойств делает возможным разделение органических и неорганических частиц одного и того же аэродинамический размер.^[7]

Недавно фотофорез был предложен в качестве механизма хиральной сортировки однослойных углеродных нанотрубок.^[8] Предлагаемый метод должен использовать различия в спектрах поглощения полупроводниковых углеродных нанотрубок, возникающие в результате оптически возбужденных переходов в электронной структуре. Если бы этот метод был разработан, он был бы на порядки быстрее, чем применяемые в настоящее время методы ультрацентрифугирования.

Теория фотофореза

Прямой фотофорез вызывается передачей импульса фотона частице за счет преломления и отражения.^[9] Движение частиц в прямом направлении происходит, когда частица прозрачна и имеет показатель преломления больше по сравнению с окружающей средой.^[7] Косвенный фотофорез происходит в результате увеличения кинетической энергии молекул, когда частицы поглощают падающий свет только на облучаемой стороне, тем самым создавая температурный градиент внутри частицы. В этой ситуации окружающий газовый слой достигает температурного равновесия с поверхностью частицы. Молекулы с более высокой кинетической энергией в области более высоких температур газа сталкиваются с частицами с большими импульсами, чем молекулы в холодной области; это вызывает миграцию частиц в направлении, противоположном градиенту температуры поверхности. Составляющая фотофоретической силы, ответственная за это явление, называется радиометрической силой.^[10] Это происходит в результате неравномерного распределения лучистой энергии (функция источника внутри частицы). Непрямая фотофоретическая сила зависит от физических свойств частицы и окружающей среды.

Для давления ${displaystyle p}$, где длина свободного пробега газа много больше характерного размера ${displaystyle r_ {0}}$ взвешенной частицы (прямой фотофорез) продольная сила равна ^[11]

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

где средняя температура рассеянного газа (коэффициент тепловой аккомодации ${displaystyle alpha}$, коэффициент аккомодации импульса ${displaystyle alpha _ {ext {m}}}$)

${displaystyle {overline {T_ {ext {gas}} ^ {ext {out}}}}} = T_ {ext {gas}} ^ {ext {in}} + alpha left (T_ {ext {black body}} - T_ {ext {gas}} ^ {ext {in}} ight)}$

и температура черного тела частицы (чистый световой поток ${displaystyle I = varepsilon, I_ {0}}$, Постоянная Стефана Больцмана ${displaystyle sigma _ {ext {SB}}}$, температура поля излучения ${displaystyle T_ {ext {opt}}}$)

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

${displaystyle k}$ - коэффициент теплопроводности частицы, фактор асимметрии сфер ${displaystyle J_ {1}}$ обычно ${displaystyle 1/2}$ (положительный продольный фотофорез). Для несферических частиц средняя сила, действующая на частицу, задается тем же уравнением, где радиус ${displaystyle r_ {0}}$ теперь радиус соответствующей эквивалентной по объему сферы.^[12]

Рекомендации

внешняя ссылка

• Фотофорез в контексте астрофизика
• Отрицательный фотофорез