Artykuł na medal

Efekt Dopplera

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Źródło fal poruszające się w lewo. Długość fali jest mniejsza po lewej, a większa po prawej od źródła

Efekt Dopplerazjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz rejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal propagujących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora[1].

Historia[edytuj | edytuj kod]

Rozchodzenie się fal dla efektu Dopplera

Christian Andreas Doppler jako pierwszy w 1842 r. w swojej publikacji[2] opisał zaobserwowany efekt polegający na zmianie koloru światła pod wpływem ruchu w układzie gwiazd podwójnych. Naukowe badanie efektu po raz pierwszy przeprowadził Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot w 1845 r. Poprosił on grupę muzyków (trębaczy), aby wsiedli do pociągu i grali jeden ton. Słuchał go i zaobserwował, że dźwięk instrumentów jest wyższy, gdy pociąg zbliża się do niego. Gdy źródło muzyki się oddala, jego ton staje się niższy[3]. Zmiana wysokości dźwięku była dokładnie taka, jak obliczył uprzednio Doppler. Niezależnie od niego podobny efekt został w 1848 r. zaobserwowany przez Armanda Fizeau dla fal elektromagnetycznych[4].

Johannes Stark badając promieniowanie kanalikowe, odkrył, że emitowane przez nie światło podlega efektowi Dopplera, za badania te uzyskał w 1919 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki[5].

Wstęp[edytuj | edytuj kod]

Gdy źródło emituje falę cały czas z taką samą częstotliwością i nie porusza się, to odległość między kolejnymi grzbietami fali jest jednakowa we wszystkich kierunkach, natomiast kiedy źródło porusza się, to odległość między kolejnymi grzbietami jest zależna od kierunku rozchodzenia się fali. Z tego powodu nieruchomy obserwator może odbierać falę o innej częstotliwości niż nadawana, przy czym zmiana zależy od prędkości źródła oraz kąta między kierunkiem obserwacji a kierunkiem ruchu źródła[1]. Różnica częstotliwości między falą nadawaną i odbieraną nazywana jest częstotliwością Dopplera lub przesunięciem Dopplera[6].

Zmiany częstotliwości wywołane efektem Dopplera są opisywane przez nieco inne zależności w przypadku fal mechanicznych (np. fal dźwiękowych), niż w przypadku fal elektromagnetycznych (np. światła, fal radiowych)[1][3].

Efekt Dopplera dla fal mechanicznych[edytuj | edytuj kod]

Wpływ ruchu źródła na powstającą falę.
1 - fala gdy źródło nie porusza się
2 - fala gdy źródło porusza się
A - położenie źródła w momencie początkowym
B - obserwator

Gdy źródło fali wysyła kolejne drgania z taką samą częstotliwością i porusza się, odległość między kolejnymi grzbietami jest zależna od kierunku rozchodzenia się fali. Źródło przybliża się do zaburzeń, które wysłało, w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu źródła, a oddala się od fali przemieszczającej się w kierunku przeciwnym. Tak więc w kierunku ruchu źródła kolejne grzbiety falowe są emitowane w mniejszej odległości, niż gdyby źródło spoczywało. Nieruchomy obserwator odbiera to jako zmianę częstotliwości fali, ale odległości między nimi zależą od położenia obserwatora względem kierunku ruchu źródła[3].

Podobnie jeśli obserwator zbliża się do źródła, to wprawdzie odległości między grzbietami i ich prędkość propagacji są takie same w każdym kierunku, ale obserwator spotyka grzbiety fal częściej, co powoduje wrażenie większej częstości fal[3].

Jeżeli źródło lub obserwator poruszają się w innym kierunku niż prosta łącząca je, efekt wywołują składowe prędkości źródła i obserwatora równoległe do prostej łączącej źródło z obserwatorem[7].

Fala mechaniczna emitowana przez ruchome źródło[edytuj | edytuj kod]

Poruszające się źródło pomiędzy wysłaniem dwóch kolejnych grzbietów fali, czyli w czasie równym jednemu okresowi fali T, przebywa drogę:

 s = v_z T \;

emitując kolejny grzbiet w miejscu przesuniętym względem miejsca emisji poprzedniego grzbietu o s i o tyle zmniejsza się długość fali dla obserwatora, w kierunku którego porusza się źródło.

\lambda=\lambda_z - v_{z}T \,

Co prowadzi to do wzoru na częstotliwość fali odbieranej[1]:

f_o = f_z \frac {v}{v - v_{z}}\;,

gdzie:

  • s – droga,
  • T – okres fali generowanej przez źródło,
  • λ – długość fali odbieranej przez obserwatora,
  • λz – długość fali generowanej przez nieruchome źródło,
  • v – prędkość fali,
  • fo – częstotliwość fali odbieranej przez obserwatora,
  • fz – częstotliwość fali generowanej przez źródło,
  • vz – składowa prędkości źródła względem obserwatora, równoległa do kierunku łączącego te dwa punkty.

Efekt Dopplera zapisuje się określając prędkość ruchu w odniesieniu do prędkości fali w ośrodku, przyjmując oznaczenie:

\beta_x = \frac {v_x} {v}

Fala mechaniczna - przemieszczający się obserwator[edytuj | edytuj kod]

W przypadku spoczywającego źródła odległości między kolejnymi grzbietami fali są niezależne od kierunku, ale zmienia się częstość ich spotykania przez poruszającego się obserwatora. Jeśli obserwator zbliża się do źródła, to względna prędkość obserwatora i fali jest równa vwz = v + vo, wobec tego czas między obserwacjami kolejnych frontów jest równy:

T = \frac{\lambda_z}{v + v_{o}}\;

ostatecznie

f_o = f_z\left(\frac{v + v_{o}}{v}\right)\;

W powyższych wzorach prędkość obserwatora v_{o}\; ma wartość dodatnią, gdy obserwator porusza się ku źródłu. Przy przeciwnym zwrocie ruchu prędkość ta ma wartość ujemną[1].

Gdy prędkość źródła fali lub obserwatora są porównywalne z prędkością fali w ośrodku, między innymi z powodu nieliniowości siły kierującej do wychylenia, powyższe wzory muszą być zmodyfikowane, a przy przekroczeniu prędkości fali tracą sens[3].

Uogólnienie[edytuj | edytuj kod]

Z połączenia powyższych wzorów wynika wzór opisujący zjawisko, gdy zarówno źródło jak i obserwator poruszają się[3]:

f_o=f_z\frac{v \pm  v_{o}}{v \mp  v_{z}} \approx f_z\frac{v \pm  v_o \pm v_z}{v} = f_z \left(1 \pm \frac{v_{oz}} {v}\right)

Prędkości źródła i obserwatora są określane względem ośrodka. Górne znaki prędkości we wzorach oznaczają przypadek, gdy są one skierowane ku sobie, a dolne dotyczą sytuacji, w których mają odwrotne zwroty.

Przybliżenie obowiązuje, gdy prędkość źródła jest znacznie mniejsza od prędkości fali w ośrodku. Wynika z niego, że zmiana częstotliwości jest proporcjonalna do prędkości obserwatora względem źródła (voz)[8].

Ogólny wzór uwzględniający kierunki ruchu źródła i obserwatora względem ośrodka, w którym rozchodzi się fala[7]:

f_o=f_z\frac{v +  v_o \cos{\varphi_o}}{v -  v_z\cos{\varphi_z}}

przy czym wymienione kąty są zawarte między odcinkiem łączącym źródło z nadajnikiem a wektorem prędkości źródła lub nadajnika.

Efekt Dopplera dla fali stojącej[edytuj | edytuj kod]

Gdy ma miejsce ruch w węzłów fali stojącej względem ośrodka, dochodzi do zmniejszenia odległości miedzy nimi, czyli do skrócenia fali stojącej. Dla fali płaskiej odległość pomiędzy węzłami wyraża się wzorem[9]

\lambda_{st}' = \lambda_{st} \sdot \frac { 1 - \beta^2 } { \sqrt { 1 - \beta^2 \sin^2 \theta } }

gdzie

\theta - kąt pomiędzy ruchem węzłów w ośrodku a orientacją fali stojącej.

W przypadku sferycznej fali stojącej, stopień skrócenia zmniejsza się o czynnik \sqrt{1 - \beta^2}, co kasuje skrócenie poprzeczne i zmniejsza skrócenie podłużne do tożsamego ze wzorem Lorentza. Pod wpływem efektu Dopplera w układzie sferycznych fal stojących pojawia się również zjawisko spadku częstotliwości o czynnik Lorentza. Zjawiska te są w nurcie falowej budowy materii traktowane jako fizyczne (mechaniczne) wyjaśnienie zjawisk relatywistycznych.[10][11][9]

Przesunięcie ku czerwieni linii spektralnych w zakresie światła widzialnego supergromady odległych galaktyk (po prawej) w porównaniu do Słońca (po lewej).

Efekt Dopplera dla światła[edytuj | edytuj kod]

Światło (fala elektromagnetyczna) rozchodząc się w próżni porusza się z taką samą prędkością względem każdego obserwatora, a nie jak fala mechaniczna z prędkością określoną względem ośrodka, w którym się rozchodzi. Efekt zmiany częstotliwości dla światła nazywany jest relatywistycznym efektem Dopplera. Jeżeli źródło i odbiornik fali poruszają się względem siebie, to występuje dylatacja czasu wynikająca ze szczególnej teorii względności. W wyniku tego jeżeli źródło i nadajnik poruszają się wzdłuż jednej prostej i oddalają się od siebie, to odbiornik rejestruje falę o częstotliwości[12][1]:

f_o = \gamma (1-\beta) f_z = \sqrt{\frac{1-\beta}{1+\beta}}\,f_z

gdzie:

Dla prędkości ruchu źródła względem obserwatora znacznie mniejszych od prędkości światła powyższą zależność można opisać z dobrym przybliżeniem wzorami[12][1]:

\lambda_o \approx \left(1 - \beta \cos\alpha + \frac 1 2 \beta^2\right) \lambda_z

Występowanie wyrazu z β2 zostało wykazane doświadczalnie w 1938 r. przez H.E. Ivesa i G.R. Stilwella przy użyciu wiązki atomów wodoru[12].

W jeszcze większym uproszczeniu[1]:

f_o \approx f_z \frac{c - v }{c}\, \approx f_z \frac {c} {c + v}

co odpowiada zależnościom z nierelatywistycznego efektu Dopplera.

Poprzeczny efekt Dopplera[edytuj | edytuj kod]

Relatywistyczny efekt Dopplera z uwzględnieniem różnych kierunków ruchu opisuje wzór:

 f_o = f_z \frac{\sqrt{1 - \beta^2}}{1 - \beta \cos{\alpha}}

gdzie α jest kątem między kierunkiem ruchu źródła a prostą łączącą źródło z odbiornikiem.

Gdy źródło porusza się prostopadle do prostej łączącej odbiornik ze źródłem (α = 90°), nie zmienia swej odległości od odbiornika, pomimo tego odbiornik odbiera falę o częstotliwości innej niż nadawana:

 f_o = f_z \sqrt{1 - \beta^2} \approx f_z \left(1 - \frac {\beta^2} {2}\right)

Zjawisko to nosi nazwę poprzecznego efektu Dopplera[12].

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Konsekwencje efektu[edytuj | edytuj kod]

Efekt zachodzi zawsze, a przy dużych prędkościach musi być uwzględniony przy strojeniu odbiornika fal oraz przy analizie transmitowanych sygnałów i danych. Zjawisko to szczególnie ma znaczenie przy komunikacji między sondami kosmicznymi. Szczególną sytuacją była transmisja między sondą Cassini a wysłanym przez nią próbnikiem Huygens, który wylądował na powierzchni Tytana i przesyłał dane do sondy, a sonda – na Ziemię. Już w trakcie lotu podczas testu zauważono, że transmisja sondy z próbnikiem zachodzi, ale przesyłane dane są fałszywe. Okazało się, że uwzględniono efekt Dopplera w odbiorniku sygnału, ale nie uwzględniono go w przesyłanych danych. Korekcja oprogramowania uratowała projekt badawczy[13].

Określanie prędkości ruchu[edytuj | edytuj kod]

Efekt Dopplera jest wykorzystywany do określania prędkości przybliżania się lub oddalania źródła fali[8]. Prędkość źródła fali można określić na podstawie wzoru dla ruchomego źródła. Dla prędkości znacznie mniejszej od prędkości światła zarówno dla fal mechanicznych, jak i dla światła wynosi ona:

Zmiana częstotliwości sygnału karetki wywołana efektem Dopplera,
1. źródło dźwięku
2. ucho
3. składowa promieniowa
4. prędkość karetki
 v_z = \frac v f {\Delta f} = a {\Delta f}

gdzie:

  • a - dla danego urządzenia stały współczynnik, zależny od częstotliwości analizowanej fali i jej prędkości,
  • Δf - różnica częstotliwości fal.

Zjawisko wykorzystuje się głównie do określania prędkości ruchu ciała odbijającego falę. Wówczas traktując to ciało jako element odbierający, a następnie wysyłający falę, prędkość określa wzór:

 v_z =  \frac v {2 f} {\Delta f} = a {\Delta f}

Jeżeli badany obiekt porusza się pod kątem α do kierunku fali, to prędkość określa wzór[14]:

 v_z =  \frac v {2 f} \frac {\Delta f} { \cos \alpha} = a \frac {\Delta f}  {\cos \alpha}

W przypadku pomiaru ruchu substancji nieodbijającej fal stosuje się „zasiewanie”, polegające na dodawaniu do substancji drobin odbijających fale. Urządzenia tego typu generują falę o dokładnie określonej częstotliwości i odbierają falę odbitą. W układzie odbiorczym dokonuje się zmieszania drgań fali wysyłanej i odbitej, wydzielając drgania o małej częstotliwości, których częstotliwość jest równa różnicy częstotliwości fali wysyłanej i odbieranej.

Dźwięk jadącej sąsiednią ulicą miasta (nie wprost na obserwatora) karetki najpierw jest wysoki, kiedy ta jest daleko, po czym obniża się stopniowo w miarę jazdy karetki. Efekt ten powstaje na skutek zmiany składowej radialnej prędkości karetki. Nie cały wektor prędkości wnosi wkład do efektu Dopplera, znaczenie ma tylko składowa radialna (przybliżanie/oddalanie się karetki). Przy stałej prędkości karetki, składowa radialna prędkości zmienia się zależnie od kąta między kierunkiem jazdy karetki a kierunkiem łączącym karetkę z obserwatorem[8].

Określanie prędkości pojazdów[edytuj | edytuj kod]

Zdalny pomiar prędkości pojazdów wykonuje się głównie przez radarowe i laserowe urządzenia wykorzystujące efekt Dopplera. Gdy pomiar radarem policyjnym dokonywany jest pod kątem do kierunku jazdy samochodu, to przyrząd wskazuje mniejszą prędkość od rzeczywistej prędkości pojazdu. Przy pomiarze prędkości radarami stacjonarnymi, mierzącymi wiązką nierównoległą do kierunku ruchu pojazdów, wprowadza się korektę wskazań urządzania[15].

Przepływomierze[edytuj | edytuj kod]

Szczególnym przykładem zastosowania efektu Dopplera do pomiaru prędkości ruchu jest przepływomierz ultradźwiękowy.

Laserowy wibrometr dopplerowski[edytuj | edytuj kod]

W laserowym dopplerowskim wibrometrze wykorzystuje zmianę długości fali świetlnej odbitej od drgającego obiektu, a poprzez analizę fali określa się parametry drgań badanego układu[16].

Określanie położenia[edytuj | edytuj kod]

Gdy 4 października 1957 roku Związek Radziecki umieścił na orbicie okołoziemskiej pierwszego sztucznego satelitę ziemi Sputnik 1, amerykańscy fizycy William Guier i George Weiffenbach zauważyli, że są w stanie określić położenie satelity na orbicie na podstawie przesunięcia Dopplera sygnałów odbieranych z satelity. Frank McClure, prezes centrum badań APL, zasugerował wówczas, że jeśli pozycja satelity jest znana i przewidywalna, to przesunięcia Dopplera mogłoby być wykorzystane do lokalizacji odbiornika na ziemi[17]. Na tej idei skonstruowano pierwszy system nawigacji satelitarnej Transit, używany przez okręty marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych. Satelita nadawał sygnał o stałej częstotliwości i znaczniki czasu. Położenie określano na podstawie zmian częstotliwości odbieranej przez odbiornik na okręcie. Wyznaczenie położenia wymagało skomplikowanych obliczeń, które wykonywał komputer[18][17].

Określanie położenia źródła fal[edytuj | edytuj kod]

Efekt Dopplera wykorzystuje się także do lokalizacji źródła fal elektromagnetycznych. W metodzie tej lokalizator porusza się, zmieniając kierunek ruchu. Na podstawie zmiany częstotliwości odbieranej fali wywołanej efektem Dopplera określa się położenie źródła fali. Metoda ta jest obecnie testowana w celu zastosowania do poszukiwania rozbitków na morzu[19].

Obraz z radaru dopplerowskiego przedstawiający Huragan Katrina. Kolor czerwony pokazuje ruch oddalający się od radaru, a zielony – przybliżający się.

Kompensacja efektu Dopplera u nietoperzy[edytuj | edytuj kod]

Gdy nietoperz zbliża się do celu, echo wytwarzanego przez niego dźwięku echolokacyjnego ma większą częstotliwość, niż dźwięk wysyłany przez nieruchomego nietoperza. Dwie grupy echolokujących nietoperzy z rodzin podkowcowatych i straszaków, które posługują się stałą częstotliwością echolokacji, wykształciły szczególny mechanizm kompensacji efektu Dopplera: obniżają częstotliwość wysyłanego dźwięku, tak by powracający dźwięk miał częstotliwość odpowiadającą maksimum czułości ich ucha. Efekt został odkryty przez Hansa Schnitzlera w 1968 roku[20].

Radar dopplerowski[edytuj | edytuj kod]

Na efekcie Dopplera opiera się zasada działania radaru dopplerowskiego. Gdy fale radiowe odbijają się od ruchomego obiektu, ich częstotliwość postrzegana przez nieruchomego obserwatora jest zależna od prędkości ruchu.

Meteorologiczne radary dopplerowskie stosowane są do wykrywania ruchu chmur i powietrza, dostarczając dane do obserwacji i prognozowania pogody. Dzięki takim pomiarom można wcześniej ostrzec ludność zagrożoną przez gwałtowne zjawiska atmosferyczne, takie jak burze, fronty atmosferyczne i tornada[21]. Wyniki działań radarów meteorologicznych są dostępne powszechnie w Internecie, np. na stronie Radareu.cz.

Pomiar prędkości krwi w tętnicy szyjnej wspólnej.

Diagnostyka medyczna[edytuj | edytuj kod]

W obrazowych badaniach diagnostycznych cenną informacją jest nie tylko kształt anatomicznych struktur, lecz także kierunek i prędkość poruszania się tkanek. Ruch takich płynów ustrojowych, jak krew można obserwować mierząc zmiany częstotliwości oraz fazy fal dźwiękowych odbitych od płynącej cieczy[22].

Udoskonaleniem konwencjonalnych aparatów ultrasonograficznych było wprowadzenie ultrasonografii dopplerowskiej. Jeżeli głowica ultradźwiękowa potrafi rejestrować nie tylko opóźnienie echa wysyłanego dźwięku, lecz również jego częstotliwość, wtedy na obrazie diagnostycznym można umownymi kolorami zobrazować ruch organu lub płynu ustrojowego[23].

W badaniach dopplerowskich USG stosuje się technikę wiązki ciągłej w której aparat generuje ciągle wiązkę fal, oraz impulsową, w której aparat generuje impulsy odpowiadające połówce okresu fali, po której następuje przerwa w czasie której odbierana jest analizowana fala[23].

Przykładem może być echokardiografia. Dla kardiochirurgów bardzo ważne jest określenie nie tylko struktury anatomicznej serca, ale również prędkości i kierunku ruchu krwi przepływającej w tej biologicznej pompie[24]. Obserwacja bijącego serca płodu umożliwia wykrycie wad rozwojowych jeszcze w łonie matki.

Efekt Dopplera wykorzystywany jest także w metodzie laserowo-dopplerowskiego pomiaru ukrwienia skóry, która pozwala przez nieinwazyjny pomiar stopnia ukrwienia tkanek skóry właściwej ocenić przepływy w tętnicach i żyłach przy diagnozowaniu wielu schorzeń[25].

Astronomia[edytuj | edytuj kod]

Zmiana barwy światła pochodzącego z oddalających się galaktyk.

Efekt Dopplera zachodzący dla światła gwiazd i innych obiektów astronomicznych ma znaczące zastosowanie w spektroskopii astronomicznej. Światło gwiazdy charakteryzują linie widmowe, zależne od znajdujących się w nich atomów. Zmianę częstotliwości lub długości fali określa się przez porównanie położenia charakterystycznych linii widmowych w widmie gwiazdy z obrazem tych linii otrzymanym w laboratorium na Ziemi. Jeżeli gwiazda oddala się (ucieka) od obserwatora, to wszystkie jej linie widmowe będą przesunięte w kierunku czerwieni (większych długości fali).

Gdy na początku XX w. astronomowie zaczęli badać widma innych galaktyk, okazało się, że większość z nich ma linie widmowe przesunięte ku czerwieni. Oznacza to, że obiekty te oddalają się od nas. Na dodatek, im dalej galaktyka się znajduje, tym szybciej oddala się od Ziemi, a jej światło jest bardziej przesunięte w kierunku większych długości fali (bardziej „poczerwienione” w paśmie widzialnym)[26]. Pomiary te doprowadziły do sformułowania prawa Hubble'a oraz teorii rozszerzającego się wszechświata. Wyjątkiem jest przesunięcie dopplerowskie linii widmowych Galaktyki Andromedy, które wskazuje, że zbliża się ona do nas. Przewiduje się, że za około 3,75 mld lat rozpocznie się zderzenie Galaktyki Andromedy z Drogą Mleczną[27].

Jeżeli gwiazda tworzy związany grawitacyjnie układ z innym obiektem, oba ciała obiegają wspólny środek masy. Na podstawie tych ruchów można wnioskować o ich względnych masach. Pomiary zmian przesunięcia linii widmowych niektórych gwiazd wykazały, że okrążają je planety. W ten sposób astronomowie odkryli setki dużych planet poza Układem Słonecznym[28]. Analizując zmianę w czasie rozkładu przesunięć Dopplera w widmie gwiazdy z planetą można określić prędkość obrotu planety, co wykonywano np. przy użyciu teleskopu kosmicznego Chandra[29].

Radarowe urządzenia z analizą efektu Dopplera były instalowane na sondach kosmicznych i służyły do badania ruchów atmosfery ciał niebieskich w Układzie Słonecznym. Jednym z nich był Doppler Wind Experiment w sondzie Cassini-Huygens badający wiatr na Tytanie[30].

Poszerzenie linii spektralnych[edytuj | edytuj kod]

Efekt Dopplera jest jednym z czynników wywołujących poszerzenie linii spektralnych. Ponieważ cząsteczki, atomy lub jony tworzące emitujący lub absorbujący gaz poruszają się z różnymi prędkościami w różnych kierunkach, fale docierające do obserwatora mają nieznacznie przesunięte częstotliwości w stosunku do fal emitowanych przez źródło złożone z nieruchomych cząstek[3]. Rozkład prędkości cząstek gazu (w stanie równowagi termodynamicznej jest to rozkład Maxwella) zależy od temperatury, dlatego im wyższa temperatura ośrodka emitującego światło, tym większe jest poszerzenie linii widmowych[31].

Chłodzenie i pułapkowanie atomów[edytuj | edytuj kod]

Temperatura jest zależna od prędkości atomów. Jedną z metod uzyskiwania bardzo niskich temperatur jest chłodzenie dopplerowskie. Gaz atomów oświetlany jest promieniowaniem laserowym o energii nieco mniejszej niż energia wzbudzenia atomów, gdyby atomy były nieruchome nie ulegałyby wzbudzeniu, ale atomy poruszające się przeciwnie do kierunku ruchu światła w wyniku efektu Dopplera pochłaniają kwanty światła, atom ulega wzbudzeniu, jednocześnie zmniejszając swą prędkość. Atom emitując foton pozbywa się energii wzbudzenia, nieco większej od pochłoniętej. Kierunek emisji jest przypadkowy, dlatego atom zwiększa swą prędkość w przypadkowym kierunku. Wielokrotne pochłanianie i emitowanie światła prowadzi do zmniejszenia prędkości w stronę źródła światła. Oświetlenie gazu sześcioma wiązkami zmniejsza prędkość atomów we wszystkich kierunkach. Proces ten nazywa się chłodzeniem dopplerowskim. By zachodziło pochłanianie kwantów światła o energii mniejszej niż energia wzbudzenia, atomy muszą poruszać się z odpowiednią prędkością, dlatego chłodzenie to działa tylko do pewnej temperatury, np. dla rubidu do 0,143 mK[32].

Wyżej wymieniona metoda może zmniejszyć prędkość atomów, ale nie zapewnia ich zatrzymania w zadanym obszarze. By uwięzić atomy w zadanym obszarze, umieszcza się je w zmiennym przestrzennie polu magnetycznym. Pole magnetyczne rozszczepia poziomy energetyczne. Odpowiednie dobranie częstotliwości fali lasera umożliwia oddziaływanie światła tylko w wybranych obszarach, co zapewnia pułapkowanie atomów[32].

W odpowiednio niskiej temperaturze atomy przyjmują stan zwany kondensatem Bosego-Einsteina[32].

Kalendarium odkryć[edytuj | edytuj kod]

Kalendarium odkryć związanych z efektem Dopplera[33]:

  • 1892, Hermann Karl Vogel jako pierwszy zastosował klisze fotograficzne w spektroskopii gwiazd: wykorzystując zarejestrowane obrazy obliczył prędkości radialne gwiazd – na podstawie przesunięcia Dopplera linii spektralnych.
  • 1906, Johannes Stark odkrył przesunięcie Dopplera w świetle emitowanym przez promieniowanie kanalikowe. Za badania te uzyskał nagrodę Nobla w 1919 roku.
  • 1912, Vesto Slipher odkrył przesunięcie Dopplera linii spektralnych mgławic spiralnych; z wyjątkiem M31, wszystkie wówczas zbadane miały przesunięcia ku czerwieni, wskazujące na prędkości radialne znacznie przekraczające te dla gwiazd.
  • 1929, Edwin Powell Hubble odkrywając związek między prędkością oddalania się galaktyk a odległością do nich, położył podwaliny pod budowę teorii Wielkiego Wybuchu.
  • 1938, H.E. Ives i G.R. Stilwell przy pomocy efektu Dopplera sprawdzili przewidywania teorii względności[12].
  • 1957, Rudolf Mößbauer odkrył efekt Mössbauera, do wyjaśnienia którego służy efekt Dopplera.
  • 1959, w Nippon Electric Company skonstruowano pierwszy komercyjny aparat USG wykorzystujący efekt Dopplera.
  • 1967, pierwsza praca opisująca laserowy dopplerowski anemometr, w którym na podstawie przesunięcia Dopplera określa się prędkość płynu.
  • 1975, grupa fizyków z Stanford Universytety, California, zaproponowała, by promieniowanie z lasera wykorzystać do spowolnienia, a tym samym do chłodzenia atomów.
  • 1997, Steven Chu, William D. Phillips i Claude Cohen-Tannoudji uzyskali nagrodę Nobla za rozwój metod chłodzenia i pułapkowania atomów laserem, w metodzie tej wykorzystuje się efekt Dopplera.
  • 2001, Eric Cornell, Wolfgang Ketterle i Carl Wieman otrzymali nagrodę Nobla za uzyskanie nowego stanu materii, tzw. kondensat Bosego-Einsteina, oraz za przeprowadzenie doświadczeń nad zbadaniem jego właściwości.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]


Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 David Halliday, Robert Resnick: Fizyka. T. II. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1972, s. 427 - 430.
  2. Doppler, C.A.: Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels. 1842. Tekst w niemieckich Wiki-źródłach (niem.). de.wikisource.org. [dostęp 2010-05-20].
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Fale dźwiękowe. W: Robert Resnick, David Halliday: Fizyka. T. 1. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN SA, 1998, s. 511 - 517. ISBN 83-01-09323-4.
  4. Erik Gregersen: The Britannica Guide to Sound and Light. The Rosen Publishing Group, 2011, s. 293 - 295. ISBN 1615303006.
  5. Nobelprize.org: Johannes Stark – Facts (ang.). Nobel Media AB 2013. [dostęp 2013-09-28].
  6. Propagacja fal w próżni. [dostęp 2014-05-29].
  7. 7,0 7,1 William Cronk Elmore, William C. Imore, Mark A. Heald: Physics of Waves. Dover Publications, 1985, s. 164 - 166. ISBN 0-486-64926-1.
  8. 8,0 8,1 8,2 Andrzej Kajetan Wróblewski, Janusz Andrzej Zakrzewski: Wstęp do fizyki. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1984, s. 104 - 105. ISBN 83-01-01359-1.
  9. 9,0 9,1 Yuri Ivanov: Rhythmodynamics:RD interpretation of the results of Michelson’s experiment.
  10. Gabriel LaFreniere: Matter Is Made of Waves:Electron.
  11. Gabriel LaFreniere: Matter Is Made of Waves:Ivanov Waves.
  12. 12,0 12,1 12,2 12,3 12,4 Andrzej Kajetan Wróblewski, Janusz Andrzej Zakrzewski: Wstęp do fizyki. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1984, s. 232 - 239. ISBN 83-01-01359-1.
  13. Piotr Cieśliński: Kosmiczne błędy. [dostęp 2014-06-09].
  14. Peter R. Hoskins, Kevin Martin, Abigail Thrush: Diagnostic Ultrasound: Physics and Equipment. Cambridge University Press, 2010, s. 85 - 87. ISBN 9781139488907.
  15. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 9 listopada 2007 r. w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać przyrządy do pomiaru prędkości pojazdów w ruchu drogowym, oraz szczegółowego zakresu badań i sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych (Dz. U. z 2007 r. Nr 225, poz. 1663)
  16. Opis wibrometru
  17. 17,0 17,1 William H. Guier, George C. Weiffenbach. Genesis of Satellite Navigation. „Johns Hopkins Apl Technical Digest”. 19 (1/1998) (ang.). 
  18. Piotr Kaniewski. System nawigacji satelitarnej GPS, cz. 1. „Elektronika Praktyczna”. 
  19. Cezary Ziółkowski, Józef Rafa: Przestrzenno-częstotliwościowe uwarunkowania lokalizacji źródeł fal radiowych wykorzystującej efekt Dopplera. Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji, 2007. [dostęp 2014-05-29].
  20. Michael Smotherman, Walter Metzner. Effects of Echo Intensity on Doppler-Shift Compensation Behavior in Horseshoe Bats. „Journal of Neurophysiology”. 89, s. 814-821, 1 lutego 2003. American Physiological Society. doi:0.1152/jn.00246.2002. 
  21. Nowy radar w Polsce. [dostęp 2014-05-31].
  22. Sergiusz Chmielak: Inne mniej inwazyjne metody pomiaru rzutu minutowego serca. [dostęp 2014-05-29].
  23. 23,0 23,1 Rodzaje prezentacji w badaniach USG. [dostęp 2014-05-29].
  24. Echokardiografia. [dostęp 2014-05-29].
  25. Andrzej Paluszkiewicz: Przewlekłe niedokrwienie kończyn. [dostęp 2014-05-31].
  26. Andrzej Sołtan: Rozszerzanie się Wszechświata. [dostęp 2014-06-01].
  27. Katarzyna Mikulska: Zderzenie galaktyki Andromedy z Drogą Mleczną. luty 2014. [dostęp 2014-06-01].
  28. D.J. Erskine, J. Edelstein: Externally Dispersed Interferometry for Planetary Studies (ang.). SPIE Optics & Photonics, San Diego, CA, United States, 12.08.2005. [dostęp 2014-04-20].
  29. G.A.J. Hussain: Inferring coronal structure from X-ray lightcurves and Doppler shifts - a Chandra study of AB Doradus. NASA, 2005. [dostęp 2014-06-10].
  30. ESA: Engineering – Probe Data Relay Subsystem (ang.). [dostęp 2010–07–02].
  31. Materiały pomocnicze do Ćwiczenia VIII. [dostęp 2010-05-22].
  32. 32,0 32,1 32,2 Barbara Baran: Badanie dwuwymiarowych struktur atomowych. W: Uniwersytet Jagieloński [on-line]. [dostęp 2014-06-02].
  33. Ewald Hiebl: Christian Doppler: life and work, principle and applications. Living Edition, 2007, s. 31. ISBN 9783901585098.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Feynmana Wykłady z Fizyki, tom 1, część 2, PWN, 1974 (wyd. 6), str. 130–135, ISBN 978-83-01-15008-2,
  • R.G. Gieworkian, W.W. Szpiel, Fizyka, PWN, 1982, str. 122–124, ISBN 83-01-03678-8
  • R. Resnick, D. Halliday, Fizyka 1, PWN, 1997, str. 511–522, ISBN 83-01-09322-6
  • M.A. Herman, A. Kalestyński, L. Widomski, Podstawy fizyki. Dla kandydatów na wyższe uczelnie i studentów, PWN, Warszawa, 2009, str. 189–190, ISBN 978-83-01-14269-8

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]