Dziesięć najpiękniejszych eksperymentów z fizyki

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

10 najpiękniejszych eksperymentów z fizyki (ang. The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science) – książka autorstwa historyka nauki Roberta P. Crease wydana w 2003 roku. Została sporządzona na podstawie ankiety przeprowadzonej wśród fizyków z całego świata[1]. Prezentuje najsłynniejsze i najpiękniejsze eksperymenty z fizyki:

Inne brane pod uwagę doświadczenia to:

Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu Ziemi[edytuj | edytuj kod]

Wirująca Ziemia widziana z kosmosu

Eratostenes dokonał dokładnych (jak na rok 230 p.n.e.) pomiarów obwodu Ziemi. Ich wyniki przedstawił w dziele "O pomiarach Ziemi", które nie przetrwało do naszych czasów. Część obliczeń dokonanych przez Eratostenesa można znaleźć w pracach innych autorów (takich jak: Kleomedes, Teon ze Smyrny i Strabon).

Pomiar obwodu Ziemi; oznaczenia: Siena – Syene, Alejandría – Aleksandria, Luz solar – promienie słoneczne, Trópico de Cáncer – Zwrotnik Raka, Ecuador – równik, Norte – Biegun Północny, Sur – Biegun Południowy.

Eratostenes porównał długość cieni rzucanych w południe, w czasie letniego przesilenia, pomiędzy Syene (dzisiejszy Asuan w Egipcie nad Nilem) i Aleksandrią. Założył przy tym, że Słońce jest tak odległe, że promienie światła w obu miejscach są praktycznie równoległe. W tym okresie promienie słoneczne w Syene oświetlały dno głębokiej studni, padały więc pionowo (Słońce było w zenicie), podczas gdy w tym samym czasie w Aleksandrii, leżącej według Eratostenesa na tym samym południku (co nie jest prawdą, ale popełniany błąd jest niewielki), padały one pod kątem 7,2 stopnia (co stanowi 7,2/360 czyli 1/50 część kąta pełnego).

Od podróżników karawan wiedział także, że odległość pomiędzy tymi miastami wynosi ok. 5000 stadionów (tj. ok. 800 km, dokładna wartość długości stadionu nie jest znana, ale średnio antyczny stadion miał długość ok. 185 m). Obwód Ziemi powinien być więc 50 razy większy, czyli wynosić ok. 40 000 km.

Jak już zostało to wspomniane wyżej, były tu pewne niedokładności (rzeczywista średnia wartość obwodu Ziemi wynosi 40 041,455 km, a uważa się, że Erastostenes podał ją w granicach od 39 690 km do 46 620 km), ale do dnia dzisiejszego używa się tej metody do dokładnych pomiarów Ziemi.

Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek swobodny ciał o różnej masie[edytuj | edytuj kod]

Turyści obserwujący Galileusza zrzucającego kule z Krzywej Wieży w Pizie (fotomontaż ilustrujący eksperyment)

Arystoteles twierdził, że ciało spada na ziemię tym szybciej, im jest cięższe. Aż do późnych lat XVI wieku było to bardzo popularne mniemanie. Może nam to uzmysłowić, jak bardzo zaniedbywano w okresie średniowiecza fizykę doświadczalną, skoro nadal opierano się na błędnej w tym wypadku wiedzy starożytnych Greków (klasycyzm – powtarzana była teoria, lecz bez empirycznej weryfikacji). Dopiero Galileusz przeciwstawił się temu twierdzeniu, stawiając na szali cały swój autorytet i stanowisko dziekana katedry matematyki na Uniwersytecie w Pizie.

Animacja upuszczanych przez Galileusza kul.

Zrobił to w następujący sposób: zrzucał kule o różnych masach z Krzywej Wieży w Pizie i mierzył czas ich spadania. Jednocześnie upuścił z wieży dwie kule: ciężką kulę armatnią o masie 80 kg i lżejszą kulkę muszkietową o masie 200 g. Oba ciała (które miały podobną formę) dosięgnęły ziemi w tym samym momencie.

Udowodnił więc, że czas ich opadania jest taki sam (przy zaniedbaniu nieznacznego w tym przypadku efektu wynikłego z oporu powietrza). Dowód ten stanowi jedną z podwalin mechaniki klasycznej.

Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu ciał staczających się z równi pochyłej[edytuj | edytuj kod]

Strona z pracy Galileusza "O prawach spadania ciał".

Jakkolwiek prawdziwość eksperymentu ze spadającymi kulami z Krzywej Wieży w Pizie (o którym wzmianka pojawiła się po raz pierwszy w pracy jego ucznia Vincenzo Viviani) jest obecnie podawana przez niektórych uczonych i historyków w wątpliwość[2], to nikt nie wątpi w to, że Galileusz wykorzystał kule toczące się w dół na równi pochyłej w celu badania ich prędkości i przyspieszenia.

Jego równia składała się z blatu (o długość 20 kubitów i szerokość połowy kubita, czyli ok. 6 m na 15 cm), który pośrodku miał precyzyjnie nacięty rowek. Galileusz pochylił blat tak, że utworzył on równię pochyłą i staczał po nim mosiężne kule. Jednocześnie mierzył czas ich toczenia za pomocą zegara wodnego – dużego naczynia z wodą, która wypływała przez cienką rurkę. Za każdym razem ważył wodę, która wypłynęła z naczynia i porównywał wyniki z przebytym przez kulę dystansem.

Arystoteles błędnie przypuszczał, że prędkość toczącej się kuli powinna być stała. Jeśli podwoimy czas toczenia się, to kula powinna przebyć dwa razy dłuższą drogę. Galileusz za pomocą tego eksperymentu obalił to twierdzenie. W rzeczywistości przy podwojeniu czasu toczenia kula przebyła drogę cztery razy dłuższą. Droga ta jest wprost proporcjonalna do kwadratu czasu. A powodem tego jest przyspieszenie wnoszone przez grawitację.

Oba eksperymenty (ze zrzucaniem kul z wieży i z toczeniem ich na równi pochyłej) dowodziły tej samej w rzeczy: spadające lub toczące się obiekty (toczenie się jest wolniejszą wersją spadania tak długo, jak rozłożenie masy w obiekcie jest takie samo) zwiększają prędkość niezależnie od ich masy. Było to jak na wiek XVII rewolucyjne stwierdzenie.

Eksperyment Newtona (lata 1665-1666) – rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu[edytuj | edytuj kod]

Światło białe rozszczepione w pryzmacie w spektrum optyczne.

Światło białe, które po przejściu przez pryzmat rozszczepia się na różne kolory, można z powrotem złożyć (np. za pomocą pryzmatu lub luster) w światło białe. Na ten fakt zwrócił uwagę po raz pierwszy Isaac Newton w swoich opublikowanych notatkach pt. On Colour (O kolorach), które później rozwinął w większe dzieło pt. Optics (Optyka). Praca ta była zarzewiem gorących dyskusji dotyczących natury światła, a nawet personalnych kłótni i niesnasek w świecie naukowym tamtych czasów. Tym niemniej większość z tych, którzy widzieli na własne oczy rozszczepienie światła (czy to na pryzmacie, czy też w naturze, np. tęczę) przyznaje, że jest to zjawisko nad wyraz piękne i malownicze.

Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą wagi skręceń[edytuj | edytuj kod]

Rysunek sporządzony przez Cavendisha; przedstawia jego wagę skręceń zbudowaną wewnątrz budynku.
Jedno z ramion (m) wagi, duża kula (W), mała kulka (x) oraz obudowanie izolujące (ABCDE).
 Osobny artykuł: Eksperyment Cavendisha.

Może to być pewnym zaskoczeniem dla przeciętnego człowieka, ale wartość jednej z fundamentalnych stałych naszego świata – stałej grawitacji G jest jedną z najgorzej poznanych wartości fizycznych. Z najnowszych badań przeprowadzonych w roku 2000 przez H. Gundlacha i Stephena M. Merkowitza z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle wynika, że wynosi ona 6,6742x10-11 Nm²/kg²(15) przy maksymalnym błędzie pomiaru szacowanym na 0,0014% tej wartości ("Physical Review Letters", t. 85, nr 14, 2000). Pomiary te zwiększyły dokładność znajomości stałej G o jeden rząd wielkości, czyli o jedną cyfrę znaczącą na końcu wyniku. Do tej pory opieraliśmy się na wartości wielkości stałej G zmierzonej w roku 1798 przez angielskiego uczonego Henry'ego Cavendisha.

Trzy uniwersalne prawa ruchu i prawo powszechnego ciążenia sformułował inny angielski uczony, Sir Isaac Newton w dziele Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematyczne podstawy filozofii naturalnej, bardziej znane dzisiaj jako Principia). Jako pierwszy oszacował on także stałą G.

Cavendish sądził, że jest w stanie podać ją z większą dokładnością niż Newton. Brakowało mu jedynie odpowiedniego przyrządu, który mógłby dowieść, że wszystkie ciała przyciągają się wzajemnie niezależnie od grawitacji Ziemi.

Eksperymenty, które doprowadziły do wyznaczenia stałej G, a jednocześnie do zmierzenia masy Ziemi, przeprowadzał on w latach 1797-98. Użył przyrządu i oparł się na metodzie opisanej przez Johna Michella, który zmarł przed ukończeniem swoich badań. Aparat zwany wagą skręceń składał się z cienkiej nici kwarcowej, na której zawieszony był lekki pręt. Na końcach pręta zawieszone były małe kule. Do nici było przymocowane lusterko. Aparat wykorzystywał fakt, że siła potrzebna do skręcenia nici jest bardzo mała, a wiązka światła padająca i odbijająca się od lusterka i padająca następnie na skalę mogła precyzyjnie wyznaczyć kąt skrętu.

Waga skręceń w kształcie słoja.

Cavendish umieścił następnie w pobliżu małych kulek (na pręcie) symetrycznie dwie duże kule ołowiane (o znanych masach, dokładnie po 350 funtów każda) i zmierzył kąt skrętu, o jaki obrócił się pręt. Na podstawie tych pomiarów obliczył wartość stałej G.

Potem eksperyment ten był znany także pod nazwą "ważenie Ziemi", ponieważ znając precyzyjnie stałą grawitacji G można z prawa powszechnego ciążenia wyznaczyć z równą dokładnością masę Ziemi:

M_{z}=\frac{gR_{z}^{2}}{G},

gdzie: g to przyspieszenie ziemskie, a Rz to długość promienia Ziemi.

Cavendish podał także tę masę, a niejako "z rozpędu" obliczył masy Słońca, Jowisza i innych planet, których satelity były znane w tamtych czasach. Można je obliczyć ze wzoru, np. dla masy Słońca:

M_{s}=\frac{FR^{2}}{GM_{z}},

gdzie: R to odległość Ziemi od Słońca, F to działająca siła między tymi ciałami.

Najnowsze obliczenia stałej G informują, że masa Ziemi wynosi 5,9722450 × 1024 kg (która to wartość różni się tylko o 1 % od wartości obliczonej przez Cavendisha), zaś Słońca 1,9884350 × 1030 kg.

Waga skręceń, zwana także wagą Cavendisha, mimo upływu lat nie zmieniła znacząco swojego wyglądu i budowy i nadal jest wykorzystywana w laboratoriach i uczelniach całego świata do wyznaczania stałej grawitacji G.

Doświadczenie Younga (rok 1801) – interferencja światła na dwu szczelinach[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: doświadczenie Younga.

Thomas Young wykonał eksperyment, który miał rozstrzygnąć trwający od niemal 200 lat spór o to, czy światło jest strumieniem cząstek, tak jak twierdził to Newton, czy falą. Young rozumował w następujący sposób: zjawiskiem które zachodzi dla fali, a nie zachodzi dla strumienia cząstek jest interferencja. Gdy przepuścimy światło poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzucimy na ekran możemy na nim zaobserwować charakterystyczne prążki, które nie wystąpiłyby, gdyby światło nie było falą. Eksperyment ten potwierdza więc falową naturę światła. Poniższy rysunek w poglądowy sposób wyjaśnia zaobserwowane zjawiska.

Doświadczenie Younga; oznaczenia:lewy rysunek: Sunlight – promienie słoneczne, Narrow slits – wąskie szczeliny, Observing screen – ekran do obserwacji, Pattern observed on screen – wzory obserwowane na ekranie; rysunki po prawej: Right/Left/Both slit(s) open – otwarta prawa/lewa/obie szczelina(y), observed – zaobserwowane zjawisko, wave theory – według teorii falowej, particle theory – według teorii cząsteczkowej


Wahadło Foucaulta (rok 1851) – doświadczalne potwierdzenie ruchu obrotowego Ziemi[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Wahadło Foucaulta.
Wahadło Foucaulta w Instytucie Franklina w Filadelfii
Hipotetyczne wahadło Foucaulta umieszczone na Biegunie Północnym
Animacja ruchu wahadła na półkuli południowej

Ruch wahadła Foucaulta (dzięki dużej masie obciążnika i zawieszeniu tylko w jednym punkcie) jest długotrwały i praktycznie niezależny od ruchu obrotowego Ziemi. Dla wahadła zawieszonego nad biegunem, Ziemia niejako "ucieka" spod niego i przy każdym następnym wahnięciu wahadło nie powraca do tego samego punktu, ale nieco dalej. Ponieważ w ciągu ok. 24 godzin punkty te zakreślają okrąg, a ruch odbywa się zawsze tylko w jednym kierunku, jest to dowodem na obrót Ziemi wokół własnej osi. Poza biegunami jest podobnie, ale okres "obrotu" wahadła jest dłuższy (w szczególności na równiku płaszczyzna drgań nie zmienia położenia względem powierzchni Ziemi). Wynalazca Jean Bernard Léon Foucault, zademonstrował je po raz pierwszy w 1851 w Panteonie w Paryżu.

O tym, że Ziemia cały czas się obraca możemy przekonać się także w Polsce. Wahadło Foucaulta posiada m.in. Wydział Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Od września 2005 doświadczenie to można obserwować także w wieży Zamku Książąt Pomorskich w Szczecinie, gdzie znajduje się najcięższy w Polsce obciążnik o masie 76 kg (długość ramienia: 28,5 m). Od 25 stycznia 2005 roku wahadło takie znajduje się również na Dziedzińcu Południowym Gmachu Głównego Politechniki Gdańskiej (ramię o długości 26 metrów, masa 64 kilogramów). Również Frombork ma swoje wahadło – w Wieży Radziejowskiego, będącej częścią zespołu katedralnego, gdzie Mikołaj Kopernik napisał "De revolutionibus..." Nieco mniejsze wahadło posiada Politechnika Częstochowska. Wahadło o najdłuższym ramieniu w Polsce znajduje się w Krakowie, w Kościele pw. Świętych Apostołów Piotra i Pawła (długość: 46,5 m; masa: 25 kg; 15-minutowe pokazy odbywają się w każdy czwartek o godzinie 1000, 1100 i 1200).

Doświadczenie Millikana (rok 1909) – wyznaczenie ładunku elektronu za pomocą spadającej w polu elektrycznym kropli oleju[edytuj | edytuj kod]

Stanowisko Millikana służące do wyznaczania ładunku elektronu.
 Osobny artykuł: Eksperyment Millikana.

Fizyk amerykański Robert Millikan w roku 1910 przeprowadził doświadczenie, w którym wykazał stałość ładunku elektronu i wyznaczył jego wartość. Użył do tego rozpylonych kropel oleju, które spadały swobodnie w polu elektrycznym. Dokonując wielu powtórzeń swojego eksperymentu stwierdził, że ładunek elektryczny elektronu może osiągnąć tylko ustalone stałe wartości. Opracowując wyniki otrzymane z własnego doświadczenia stwierdził więc kwantyzację ładunku kropli. Ładunki te były wielokrotnościami podstawowej wartości pojedynczego ładunku elektrycznego elektronu:

q=ne

gdzie n=1,2,3,..., q – całkowity ładunek, e – wartość bezwzględna ładunku elektronu równa 1,6·10-19C.

Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra atomowego[edytuj | edytuj kod]

Model atomu według koncepcji Thomsona: model ciasta z rodzynkami – ładunki ujemne (elektrony) porozrzucane równomiernie w dużej strukturze ładunku dodatniego.
 Osobny artykuł: Eksperyment Rutherforda.

W roku 1897 fizyk angielski, profesor Uniwersytetu Cambridge, noblista sir Joseph John Thomson odkrył elektron. Odkrycie ujemnie naładowanego elektronu, który można oderwać od atomu, zachwiało poglądami na temat budowy atomu – wcześniej uważano, że atomy to niepodzielne kulki bez struktury wewnętrznej. Skoro elektron ma ładunek ujemny, to reszta musi mieć ładunek dodatni. Ilości tych ładunków równoważą się tak, że atom w całości ma ładunek obojętny. Kwestią sporną było jak to jest rozłożone w przestrzeni atomu. Koncepcji, jak zawsze w takim przypadku, pojawiło się sporo, ale w końcu przeważyła hipoteza samego Thomsona, zwana modelem ciasta z rodzynkami. Głosiła ona, że dodatnio naładowany ładunek rozłożony jest w całej objętości atomu a elektrony tkwią w nim punktowo tak, jak rodzynki w cieście. Teoria ta wydawała się najbardziej mechanicznie stabilnym i wiarygodnym opisem materii. A poza tym najbardziej przystawała do "zdroworozsądkowej" obserwacji tzw. zwykłego człowieka, że materia jest w gruncie rzeczy ciągła i spoista. Odkrycie promieniowania znanego obecnie jako promieniowanie jądrowe, m.in. promieniowania alfa, wprowadziło kolejną nierozwiązaną kwestię: jak to się dzieje, że niektóre atomy emitują inne atomy. W maju roku 1909 miało się jednak okazać, że nie wszystko, co na pierwszy rzut oka uważamy za oczywistość, jest nią w istocie.

Hipotezę Thomsona miał podważyć nie kto inny, ale jego dawny zdolny uczeń i następca na katedrze fizyki, sir Ernest Rutherford. Gburowaty, porywczy (miał silne przekonanie, "poparte" praktyką, że nic tak nie wspomaga eksperymentów fizycznych jak częste obrzucanie ich wiązką przekleństw) z wielkim sumiastym wąsem Nowozelandczyk był pierwszym cudzoziemskim studentem na katedrze im. Cavendisha i pierwszym cudzoziemcem, który objął tę katedrę. Jednak to nie on sam przeprowadzał eksperyment zwany teraz jego imieniem, lecz jego stażysta Hans Geiger (ten sam, którego nazwisko znalazło się w nazwie licznika Geigera) i student Ernest Marsden (późniejszy znany fizyk nowozelandzki).

Eksperyment Rutherforda.
Górny rysunek: według teorii Thomsona cząstki alfa swobodnie pokonują wnętrze atomu.
Dolny rysunek: obserwowany rezultat eksperymentu: niewielka część cząstek jest odbijana ukazując mały skoncentrowany w niewielkiej przestrzeni ładunek dodatni

Eksperyment polegał na bombardowaniu bardzo cienkiej złotej folii promieniowaniem alfa i obserwacji charakteru rozkładu kątowego przechodzących przez nią cząstek alfa, co pozwoliłoby określić strukturę budowy atomu. Już wówczas wiedziano, że promieniowanie alfa to po prostu atomy helu pozbawione elektronów, w tym eksperymencie uzyskiwane z radioaktywnego radonu. Przyrząd do badania zjawiska zawierał źródło tych cząstek w ołowianym pojemniku z niewielkim otworem skierowanym na złotą folię. Podczas eksperymentu detektor scyntylacyjny umieszczano pod różnymi kątami do pierwotnego kierunku promieni alfa. Detektorem tym był ekran pokryty siarczkiem cynku. Obserwacja ekranu przez lupę umożliwiała zobaczenie błysków, gdy cząstka alfa trafiała w scyntylator.

Idea była prosta: cząstka alfa leci w kierunku złotej folii, przechodząc przez atom, oddziałuje z elektronami które nieznacznie zmieniają kierunek jej biegu, następnie uderza ona w ekran, który w tym miejscu na moment rozbłyska. Eksperymentatorzy wyznaczają zależność liczby cząstek od kąta rozpraszania, uzyskując w ten sposób informację o nierównomierności rozkładu ładunku w atomie, w tym i o liczbie elektronów w atomie.

Według teorii Thomsona cząstki te powinny przejść przez złotą folię jak "przez masło". Ku zaskoczeniu eksperymentatorów okazało się jednak, że 1 cząstka na około 8000 wystrzelonych odbija się od złotej folii. Rutherford zareagował na tę wiadomość słynnym zdaniem: "To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. To tak, jakby pocisk artyleryjski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się od niej i powrócił do strzelającego”.

Rutherford, pomysłodawca tego eksperymentu, przystąpił teraz do rozwiązania zagadki. A zajęło mu to aż 18 miesięcy, ponieważ chciał, by zaproponowana hipoteza była możliwie kompletna i wiarygodna. Dopiero na początku 1911 roku opublikował rozwiązanie problemu. Atom w ogromnej większości jest pusty. W środku atomu jest duże (w proporcji do rozmiarów elektronów) jądro, a w ogromnej odległości (w stosunku do wielkości jądra), po ściśle określonych orbitach, krążą niewielkie elektrony. Tylko w ten sposób można wytłumaczyć występujące te rzadkie odbicia masywnej cząstki alfa: odbijała się ona tylko w przypadku trafienia w jądro atomu złota.

Od razu nasuwała się analogia pomiędzy budową atomu i budową Układu Słonecznego. Inna jest tylko skala zjawiska. Stąd pochodzi nazwa koncepcji Rutherforda: budowa planetarna atomu.

Ciągłość materii to złuda. Jądro zajmuje mniej niż jedną bilionową część objętości atomu. To siły elektryczne działające między atomami utrzymują względną spoistość materii.

Tak skończyła się epoka fizyki klasycznej, a zaczęła się era fizyki jądrowej. Model atomu zaproponowany przez Rutherforda stanowił ważny krok w poznaniu budowy atomu i stanowił punkt wyjścia do skonstruowania współczesnego modelu atomu (zobacz: atom, mechanika kwantowa).

Doświadczenie Davissona i Germera (rok 1927) – dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów na monokrysztale niklu[edytuj | edytuj kod]

Budowa współczesnego przyrządu do badania dyfrakcji elektronów posiadających małą energię (oznaczenia: Cathode – katoda, Grid – siatka, Sample – badana próbka, Phosphor Screen – ekran pokryty fosforem, Concentric Grids – koncentryczne siatki)

W 1909 r. Albert Einstein w jednym ze swoich artykułów snuł rozważania nad kwantową teorią światła. Wielki fizyk zastanawiał się dlaczego światło składające się przecież z cząstek zachowuje się jednocześnie jak typowa fala ze wszystkimi charakterystycznymi dla niej cechami (takimi jak interferencja, dyfrakcja i inne).

Dociekania te "natchnęły" młodego francuskiego arystokratę, księcia Louisa Victora de Broglie'a, który w roku 1924 w swojej pracy doktorskiej zaproponował, aby ten dziwny podwójny charakter światła uznać za fundamentalną właściwość przyrody. Teorię tę można więc wykorzystać także do rozważań nad zachowaniem innych cząstek, takich jak np. elektron. Jeśli fale mogą być jednocześnie cząstkami, to symetrycznie rzecz biorąc, cząstki mogą być falami. De Broglie poszedł dalej i przedstawił także równanie opisujące zależność między energią cząstek a długością ich fali.

Były to jednak tylko dociekania teoretyczne. Brakowało doświadczenia, które potwierdziłoby te hipotezy w praktyce.

Takie doświadczenie wykonali dopiero w 1927 dwaj amerykańscy naukowcy, Clinton Davisson i Lester Germer, którzy w owym czasie pracowali w słynnym Laboratorium Bella i zajmowali się badaniem lamp próżniowych. Praca ich polegała m.in. na badaniu zachowania się powierzchni metalowych pokrytych różnymi tlenkami poddanych bombardowaniu strumieniem wolno poruszających się elektronów.

W jednym z tych eksperymentów naukowcy kierowali wiązkę elektronów w kierunku kryształu niklu (próbka miała formę małej tarczy) w wyniku czego następowała wtórna emisja elektronów z tego kryształu. Tarcza umieszczona była w specjalnie skonstruowanym urządzeniu do badania emisji, które otoczone było ekranem. Kolektor ten zbudowany był z płytki metalowej, której zadaniem było zbieranie padających na nią elektronów i pozwalał na ocenę charakteru ich rozkładu. Ekran był ruchomy i można nim było obracać wokół próbki.

Czasami w eksperymentach naukowych dużą rolę odgrywa przypadek. Tak było i tym razem. Ponieważ w czasie doświadczeń doszło do utlenienia jednej z tarczek niklu naukowcy podgrzali ją ,aby usunąć powstały na jej powierzchni tlenek. Po wznowieniu eksperymentów okazało się jednak, że ich wyniki są różne od poprzednich. Podgrzanie tarczy zmieniło właściwości materiału. Powstał jeden duży monokryształ niklu. Doświadczenie wykazało, że chociaż tak, jak przedtem elektrony dalej były emitowane w różnych kierunkach i pod różnymi kątami, to jednak dla niektórych z tych kątów emisja była wyraźnie większa.

Germera, pracującego pod kierunkiem Davissona, zastanowił rozkład elektronów powstały przy odbiciu od kryształów niklu. Uzyskany obraz zdawał się dziwnie podobny do wzorów interferencyjnych. Davisson o koncepcji de Broglie'a usłyszał w 1926 będąc na sympozjum w Anglii. Natychmiast skojarzył oba te fakty i po powrocie do USA gorączkowo zabrał się za analizowanie zgromadzonych do tej pory danych z badań. Po uważnej analizie doszedł on do wniosku, że wiązka elektronów była rozpraszana na powierzchni atomów niklu pod dokładnie takim samym kątem, który był przewidziany dla dyfrakcji promieni X zgodnie z równaniem Bragga, dla długości fali otrzymywanej z równania de Broglie'a.

Rozpraszanie elektronów na siatce krystalicznej (screen – ekran).

Okazało się więc, że wyniki badań doskonale potwierdzają teorię de Broglie'a. Zaobserwowany przez Germera rozkład odbić elektronów to obraz interferencyjny powstały na skutek dyfrakcji fal płaskich. Elektrony zachowują się więc tak jak fale, a ich długość zależy od energii. Był to więc pierwszy "namacalny" dowód na falową naturę cząstek.

Dla celów dydaktycznych fizycy często wykorzystują eksperyment myślowy, w którym doświadczenie Younga z dyfrakcją fali na podwójnej szczelinie przenoszą w mikroświat na poziomie kwantowym, w którym wiązkę światła zastępujemy wiązką elektronów. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, strumień cząstek powinien ulec podziałowi na dwie wiązki i słabsze strumienie powinny interferować każdy z każdym, tworząc taki sam wzór (złożony z jasnych i ciemnych kręgów) jaki byłby utworzony przez światło w makroświecie. Cząstki powinny zachowywać się jak fale.

Pośpiesznie przygotowany i opublikowany artykuł wyprzedził wyniki podobnych badań, przeprowadzane w tym samym czasie w Laboratorium im. Cavendisha w Szkocji (Wielka Brytania) przez George'a Pageta Thomsona (syna sławnego Josepha Johna Thomsona), podczas których można było zaobserwować zjawisko dyfrakcji przy bombardowaniu cienkiej folii strumieniem posiadających dużą energię elektronów. Po przejściu przez folię wiązka elektronów tworzyła na ekranie koncentryczne kręgi, przypominające bardzo wzory powstające przy naświetlaniu promieniami X powierzchni pokrytej proszkiem drobno zmielonych polikryształów (wynikiem tego typu dyfrakcji, powodowanym przez wiele przypadkowo skierowanych ziaren kryształu, są koncentrycznie położone okręgi). Przy zmianie długości fali (przez zmianę energii elektronów), Thomson obserwował proporcjonalną zmianę średnicy pierścieni. Podobnie jak dla obrazów dyfrakcyjnych powstających w sieciach krystalicznych, długość fali można obliczyć z równania Bragga znając odległość między warstwami kryształu.

Eksperymenty te dowiodły, że fale de Broglie'a nie są tylko teoretycznymi koncepcjami, ale można je także zaobserwować w praktyce. Wkład Thomsona w empiryczne badania fali elektronów został również doceniony i w 1937 roku wspólnie z Davissonem otrzymał Nagrodę Nobla.


Koncepcja ogólna na podstawie artykułów Marcina Górki: Cuda fizyki tylko u nas i Dziesięć najpiękniejszych eksperymentów z fizyki (Gazeta Wyborcza Szczecin z dn. 2.1.2006)

Przypisy

  1. Robert P. Crease "The most beautiful experiment", 1 września 2002 – artykuł w języku angielskim
  2. Zgodnie z biografią Galileusza autorstwa Jamesa Restona Jr. pt. Galileusz, wyd. Prószyński i S-ka, Galileusz nigdy nie przeprowadził eksperymentu z zrzucaniem kul z krzywej wieży. Rozważał tylko taką możliwość a sam fakt nigdy nie zaszedł.

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]