Właściwa strona - http://www.wiw.pl/fizyka/boskaczastka/Esej.asp?base=r&cp=1&ce=69 Wiw Matematyka i przyroda: Astronomia Biologia Fizyka Matematyka Humanistyka: Historia Kultura antyczna Literatura Plastyka Czytaj: Biblioteka Delta Inne: Słowniki Szkoły wyższe Wszechświat w obrazkach Nowe: Nowinki Nowości Jesteś tutaj: Wirtualny Wszechświat Fizyka Wielkie wykłady - Boska cząstka Indeks Wielkie wykłady Dramatis personae Niewidoczna piłka nożna Pierwszy fizyk cząstek Interludium A: Opowieść o dwóch miastach Poszukiwania atomu: mechanicy Dalsze poszukiwania atomu: chemicy i elektrycy Nagi atom Gdy tęcza już nie wystarcza Dowód rzeczowy nr 1: katastrofa w ultrafiolecie Dowód rzeczowy nr 2: zjawisko fotoelektryczne Dowód rzeczowy nr 3: kto lubi ciasto z rodzynkami? Zmagania Bohr: na skrzydłach motyla Dwie minuty dla energii No więc? Uchylenie rąbka tajemnicy Człowiek, który nie znał się na bateriach Fale materii i dama w willi Fala prawdopodobieństwa Co to znaczy, czyli fizyka kroju i szycia Niespodzianka na górskim szczycie Nieoznaczoność i inne rzeczy Utrapienie z podwójną szczeliną Newton kontra Schr dinger Trzy rzeczy, które trzeba zapamiętać o mechanice kwanowej Interludium B: Tańczący mistrzowie wiedzy tajemnej Akceleratory: one rozkwaszają atomy, nieprawdaż? Interludium C: Jak w ciągu weekendu złamaliśmy parzystość i odkryliśmy Boga A tom! I wreszcie boska cząstka Mikroprzestrzeń, makroprzestrzeń i czas przed początkiem czasu Źródło Leon Lederman, Dick Teresi BOSKA CZĄSTKA Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie? Przełożyła Elżbieta Kołodziej-Józefowicz Szukacz Przeszukaj za pomocą Szukacza: witrynę Fizyka cały Wirtualny Wszechświat Przeszukaj inne witryny wydawnictwa Prószyński i S-ka Jak zadawać pytania? No więc? No więc? N o dobrze, ale co to wszystko ma wspólnego z atomem? Według modelu Bohra, elektron musi się ograniczać do specyficznych orbit. Każdą orbitę określa wielkość jej promienia. Każdy z dozwolonych promieni odpowiada określonemu stanowi energetycznemu poziomowi energetycznemu atomu. Najmniejszy promień odpowiada najniższej energii i zwany jest stanem podstawowym. Jeśli dostarczymy pewnej objętości gazu wodorowego energię, jej część zostanie zużyta na rozhuśtanie atomów zaczną się szybciej poruszać. Jednak ściśle określona porcja energii pamiętasz, drogi Czytelniku, efekt fotoelektryczny? może zostać wchłonięta przez atom i wtedy elektron osiągnie wyższy poziom energetyczny na orbicie o większym promieniu. Poziomy energetyczne są ponumerowane 1, 2, 3, 4, ..., a każdy z nich ma energię E 1 , E 2 , E 3 , E 4 i tak dalej. Bohr tak skonstruował swą teorię, by było w niej miejsce dla koncepcji Einsteina, według której energia fotonu determinuje jego długość fali. Jeśli fotony o rozmaitych długościach fali padają na atom wodoru, to w końcu elektron połknie odpowiedni foton porcję światła o określonej energii i przeskoczy z E 1 na E 2 albo może na E 3 . W ten sposób dochodzi do zaludniania wyższych poziomów energetycznych w atomie. To właśnie dzieje się w świetlówce. Gdy świetlówka podłączona jest do prądu elektrycznego, jarzy się charakterystycznym dla wodoru blaskiem. Energia sprawia, że niektóre z elektronów należących do miliardów atomów przeskakują na wyższy poziom energetyczny. Jeśli dopływa dostatecznie dużo energii elektrycznej, elektrony wielu atomów będą zajmowały wszystkie możliwe wyższe poziomy energetyczne. Zgodnie z koncepcją Bohra, elektrony znajdujące się na wyższych poziomach energetycznych spontanicznie zeskakują na niższe. Przypomnij sobie, drogi Czytelniku, nasz mały wykład o zachowaniu energii. Jeśli elektrony zeskakują, to tracą energię i trzeba się z niej jakoś rozliczyć. Bohr mówi: Nie ma problemu . Zeskakujący elektron emituje foton o energii równej różnicy energii orbit. Jeśli na przykład zeskakuje z poziomu 4 na 2, to energia fotonu równa się E 4 E 2 . Możliwych jest wiele przeskoków, na przykład E 2 E 1 , E 3 E 1 , E 4 E 1 . Dozwolone są także wielostopniowe skoki, takie jak E 4 E 2 , a potem E 2 E 1 . Każda zmiana energii kończy się emisją fotonu o odpowiedniej długości fali, stąd też można obserwować serie linii widmowych. To formowane ad hoc, quasi-klasyczne objaśnienie atomu zaproponowane przez Bohra było wirtuozowskim, acz nieortodoksyjnym popisem. Korzystał on z teorii Newtona i Maxwella wtedy, gdy było mu to na rękę, pomijał je wtedy, gdy przeszkadzały. Podobnie z Planckiem i Einsteinem. Wszystko to razem wyglądało skandalicznie, ale Bohr był bystry i otrzymał poprawne wyniki. Powtórzmy. W XIX wieku dzięki pracom takich uczonych, jak Fraunhofer i Kirchhoff, poznaliśmy linie widmowe. Dowiedzieliśmy się, że atomy i cząsteczki emitują i pochłaniają promieniowanie o określonej długości fali i że każdy atom ma swój własny, charakterystyczny zestaw takich długości. Dzięki Planckowi uświadomiliśmy sobie, że światło jest wysyłane porcjami że jest skwantowane. Hertz i Einstein wykazali, że światło jest także pochłaniane porcjami. Thomson odkrył elektron. Dzięki Rutherfordowi dowiedzieliśmy się, że atom składa się z maleńkiego jądra, mnóstwa próżni i rozproszonych tu i ówdzie elektronów. Dzięki moim rodzicom ja dowiedziałem się o tym wszystkim. Bohr poskładał te i wiele innych danych w jedną całość. Elektrony mogą się poruszać tylko po określonych orbitach powiedział Bohr. Absorbują skwantowaną energię, co zmusza je do przeskakiwania na wyższe orbity. Zeskakując z powrotem na niższe orbity, emitują fotony kwanty światła. Można je obserwować w postaci fal o określonej długości jako linie widmowe charakterystyczne dla każdego pierwiastka. O teorii Bohra rozwijanej w latach 1913 1925 mówi się dziś stara teoria kwantowa . Planck, Einstein i Bohr każdy z nich po trochu przyczynił się do uśmiercenia klasycznej fizyki i każdy z nich korzystał z solidnych danych eksperymentalnych utwierdzających ich w przekonaniu, że mają słuszność. Teoria Plancka pięknie zgadzała się z widmem ciała doskonale czarnego, Einsteina z dokładnymi pomiarami zjawiska fotoelektrycznego. We wzorze matematycznym ułożonym przez Bohra można znaleźć takie wielkości, jak ładunek elektryczny i masę elektronu, stałą Plancka, kilka p, zwykłe liczby, jak na przykład 3, i ważną liczbę całkowitą liczbę kwantową, numerującą kolejne stany energetyczne. Wszystko to razem składało się na wzór, za pomocą którego można obliczyć całe bogactwo linii widmowych atomu wodoru. Była to zaiste imponująca zgodność z danymi eksperymentalnymi. Teoria Bohra bardzo się spodobała Rutherfordowi, ale interesowało go przede wszystkim, kiedy i jak elektron postanawia przeskoczyć na niższy poziom energetyczny; Bohr nie wspominał o tym ani słowem. Rutherford pamiętał wcześniejszą zagadkę: kiedy radioaktywny atom decyduje się na rozpad? W fizyce klasycznej każde działanie ma swoją przyczynę. Wydaje się, że w królestwie atomu nie pojawia się ten rodzaj związków przyczynowych. Bohr zdawał sobie sprawę z tej trudności która nie została rozwiązana aż do do roku 1916, kiedy ukazała się praca Einsteina poświęcona przejściom spontanicznym i wskazał kierunek przyszłym badaniom. Ale eksperymentatorzy, wciąż badający zjawiska świata atomowego, znaleźli parę rzeczy, których Bohr się nie spodziewał. Gdy amerykański fizyk Albert Michelson, fanatyk precyzji, dokładniej przyjrzał się liniom widmowym atomu wodoru, zauważył, że każda z nich była tak naprawdę dwiema bardzo blisko siebie położonymi liniami dwiema minimalnie różniącymi się długościami fal. To rozdwojenie linii oznacza, że gdy elektron jest gotowy do skoku w dół, ma do wyboru dwa różne, niższe stany energetyczne. Model Bohra nie przewidywał takiego rozdwojenia, zwanego strukturą subtelną. Arnold Sommerfeld, współpracownik Bohra, zauważył, że prędkość, z jaką porusza się elektron w atomie wodoru, stanowi znaczny ułamek prędkości światła, a zatem powinna być traktowana zgodnie z einsteinowską teorią względności z roku 1905. Po uwzględnieniu efektów relatywistycznych Sommerfeld zorientował się, że tam, gdzie teoria Bohra przewidywała jedną orbitę, według nowej teorii powinny istnieć dwie, bardzo blisko siebie położone orbity. To wyjaśniało rozdwojenie linii. Podczas wykonywania swych obliczeń Sommerfeld wprowadził nowy skrót na oznaczenie pewnych, często pojawiających się, kombinacji stałych występujących w równaniach. Chodzi o wyraz 2pe 2 /hc, który zastąpił grecką literą alfa a. Nie przejmuj się, drogi Czytelniku, równaniem, chodzi nam tylko o to, że kiedy podstawi się znane wartości za ładunek elektronu e, stałą Plancka h i prędkość światła c, pojawia się wynik: a = 1/137. Znowu to 137, liczba, za którą nie stoi żadna jednostka fizyczna. Eksperymentatorzy nieustannie dorzucali nowe szczegóły do atomowego modelu Bohra. W roku 1896, przed odkryciem elektronu, Holender Pieter Zeeman ustawił palnik Bunsena między biegunami silnego magnesu, a w płomieniu umieścił grudkę soli kuchennej. Za pomocą bardzo czułego spektrometru własnej konstrukcji badał żółte światło emitowane przez sód. No i masz: w polu magnetycznym żółte linie widmowe zrobiły się szersze, co oznaczało, że pole magnetyczne ma zdolność rozszczepiania linii. Efekt ten potwierdzano w jeszcze dokładniejszych pomiarach aż do roku 1925, kiedy to dwaj Holendrzy, Samuel Goudsmit i George Uhlenbeck, wystąpili z dziwaczną sugestią, że tylko nadanie elektronowi nowej własności, zwanej spinem, pozwala wyjaśnić ten efekt. W świecie fizyki klasycznej mamy czasami do czynienia z obiektami takimi na przykład jak wirujący bąk, które obracają się wokół swej osi symetrii. Spin elektronu jest tego kwantowym odpowiednikiem. * Wszystkie te nowe idee, choć same w sobie uzasadnione, były dość niezgrabnie doczepione do modelu atomu Bohra z 1913 roku. Wyekwipowana w ten sposób i znacznie rozszerzona teoria Bohra mogła z powodzeniem służyć do wyjaśniania imponującej liczby precyzyjnie i przemyślnie otrzymywanych danych eksperymentalnych. Istniał tylko jeden problem. Ta teoria była błędna. * Po angielsku to spin oznacza wirować, kręcić się przyp. tłum.. góra strony poprzedni fragment następny fragment Wiw - strona główna | Astronomia i kosmologia | Biologia | Fizyka | Matematyka | Historia | Kultura antyczna | Literatura | Szkoła-Plastyka | Nowinki | Nowości | Szkoły wyższe | Biblioteka | Wszechświat w obrazkach | Słowniki | Copyright Prószyński i S-ka SA 2000. All rights reserved. Wszystkie prawa zastrzeżone.