Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 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

Człowiek, który odkrył
20 centymetrów
niczego

Ściskanie gazu
Zabawa w nazwy
Pelikan i balon
Z powrotem do atomu
Pasjans z
pierwiastkami

Elektryczne żaby
Tajemnica wiązania
chemicznego: znowu
cząstki

Szok w Kopenhadze
Znowu déjà vu
Świece, silniki,
dynama

Niech pole będzie
z tobą

Z prędkością światła
Hertz na ratunek
Magnes i kulka
Pora do domu?
Pierwsza prawdziwa
cząstka

Nagi atom
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


  Pierwsza prawdziwa cząstka
 
Pierwsza prawdziwa cząstka
 
W
XIX wieku fizycy rozkochali się w  wyładowaniach elektrycznych, które przeprowadzano w  szklanych rurkach wypełnionych rozrzedzonymi gazami. Najpierw trzeba było sporządzić elegancką metrową rurkę ze szkła. W  jej końce wtapiano metalowe elektrody. Następnie jak najstaranniej wypompowywano z  niej powietrze, a  na jego miejsce wpuszczano niewielką ilość jakiegoś innego gazu (wodór, powietrze, tlenek węgla). Przewody od elektrod podłączano do baterii i  przykładano wysokie napięcie. Wtedy, w  zaciemnionym pokoju, uczeni mogli podziwiać wspaniale jarzącą się smugę, zmieniającą kształt i  rozmiary w  zależności od ciśnienia gazu w  rurce. Każdy, kto widział świecący się neon, zna ten rodzaj światła. Przy odpowiednio niskim ciśnieniu smuga zmieniała się w  promień podróżujący od katody do anody, logicznie więc nazwano go promieniem katodowym. Zjawisko to, jak dziś już wiemy, dość złożone, fascynowało pokolenia fizyków i  laików w  całej Europie.
       Naukowcy znali parę kontrowersyjnych, a  nawet sprzecznych szczegółów dotyczących promieni katodowych. Niosły ze  sobą ujemny ładunek elektryczny. Przemieszczały się po linii prostej. Mogły wprawić w  ruch lekkie koło łopatkowe umieszczone na ich drodze. Pole elektryczne nie uginało ich. Pole elektryczne uginało je. Pole magnetyczne powodowało wygięcie w  łuk cienkiej wiązki promieni katodowych. Zatrzymywała je gruba warstwa metalu, ale przedzierały się przez folię.
       Fakty same w  sobie interesujące, ale bez odpowiedzi pozostawało podstawowe pytanie: czym te promienie są? Pod koniec XIX wieku stawiano dwie hipotezy. Niektórzy sądzili, że były pozbawionymi masy drganiami elektromagnetycznymi w  eterze. Nie najgorzej. W  końcu jarzyły się jak wiązka światła, czyli inne drgania elektromagnetyczne. A  ponadto elektryczność, jako forma elektromagnetyzmu,  miała coś wspólnego z  tymi promieniami.
       Inny obóz uważał, że promienie te były rodzajem materii. Przypuszczano, że składały się z  cząstek gazu, które przejęły ładunek od prądu elektrycznego. Dopuszczano też możliwość, że składały się z  nowego rodzaju materii, małych cząstek nigdy jeszcze nie wyizolowanych. Z  wielu powodów idea elementarnych nośników ładunku elektrycznego wisiała już w  powietrzu. Mogę od razu zdradzić tę tajemnicę: promienie katodowe nie były ani drganiami elektromagnetycznymi, ani cząstkami gazu.
       Co by powiedział Faraday, gdyby żył pod koniec XIX wieku? Prawa Faradaya wyraźnie sugerowały istnienie „atomów elektryczności”. Jak pamiętamy, dokonywał on podobnych eksperymentów, z  tą tylko różnicą, że przepuszczał prąd przez płyny, a  nie przez gazy i  w  efekcie otrzymywał jony – naładowane atomy. Już w  roku 1874 George Johnstone Stoney, irlandzki fizyk, wprowadził termin „elektron” na oznaczenie jednostki elektryczności traconej w  procesie, w  którym atom staje się jonem. Gdyby Faraday miał okazję zobaczyć promienie katodowe, zapewne wiedziałby w  głębi ducha, że ogląda elektrony.
       Możliwe, że niektórzy uczeni w  tamtym okresie przypuszczali, iż promienie katodowe były cząstkami; może niektórzy myśleli, że w  końcu znaleźli elektrony. Jak się o  tym upewnić? Jak to udowodnić? W  gorącym okresie przed rokiem 1895 wielu poważnych uczonych w  Anglii, Szkocji, Niemczech i  Stanach Zjednoczonych badało wyładowania w  gazach. Tym, który trafił w  dziesiątkę, okazał się Anglik J. J. Thomson. Byli też inni, którzy znaleźli się bardzo blisko. Przyjrzyjmy się dwóm z  nich i  temu, co zrobili, choćby tylko po to, by pokazać, jak gorzkie bywa życie naukowca.
       Pruski fizyk Emil Wiechert miał największą szansę, by pobić Thomsona. Przedstawił swe doświadczenie słuchaczom zgromadzonym na wykładzie w  styczniu 1887 roku. Użył szklanej rury o średnicy około 8 cm, która miała blisko  40 cm długości. Świecące promienie katodowe były wyraźnie widoczne w  zaciemnionej sali.
       Jeśli próbuje się osaczyć cząstkę, trzeba podać jej ładunek (e) i  masę (m). W  owym czasie nie potrafiono zważyć cząstki, o  której mowa, bo była zbyt mała. By ominąć ten problem, wielu uczonych niezależnie od siebie wpadło na następujący sprytny pomysł: poddać promienie katodowe działaniu znanych sił elektrycznych i  magnetycznych i  badać ich reakcje. Pamiętajmy, że F = ma. Jeśli promienie rzeczywiście składają się z  cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym, to siła, jakiej by doznawały, zależałaby od niesionego przez nie ładunku (e). Reakcja ta byłaby tłumiona przez masę bezwładną (m). Wobec tego efekt, który można zmierzyć, zależałby od ilorazu tych dwóch wielkości, od stosunku e/m. Innymi słowy, badacze nie mogli znaleźć indywidualnych wartości e  czy m, tylko liczbę równą wartości jednej z  nich podzielonej przez wartość drugiej. Przyjrzyjmy się prostemu przykładowi: mamy liczbę 21 i  wiemy, że jest ona ilorazem dwóch liczb. 21 jest tylko wskazówką. Poszukiwanymi liczbami mogą być 21 i  1 albo 63 i  3, albo 7 i  1/3, albo 210 i  10, ad infinitum. Ale jeśli można się domyślić, jaka jest wartość jednej z  liczb, to już bardzo łatwo da się obliczyć drugą.
       By znaleźć e/m,  Wiechert umieścił rurkę między biegunami magnesu, co spowodowało wygięcie świetlistego promienia w  łuk. Magnes popycha ładunek elektryczny cząstek. Im wolniej cząstki się poruszają, tym łatwiej magnes zakrzywia tor ich ruchu. Gdy już obliczył prędkość, z  jaką się poruszają, na podstawie stopnia ugięcia otrzymał dość dobre przybliżenie wartości e/m.
       Wiechert zdawał sobie sprawę, że gdyby odgadł wielkość ładunku elektrycznego, mógłby obliczyć masę cząstek. Wyciągnął następujący wniosek: „Nie mamy tu do czynienia z  atomami znanymi chemii, ponieważ masa tych poruszających się cząstek [promieni katodowych] okazuje się 2–4 tysięcy razy mniejsza niż masa najlżejszego znanego nam atomu – wodoru”. Prawie trafił w  dziesiątkę. Wiedział, że miał do czynienia z  jakąś nową cząstką. Był piekielnie blisko, jeśli chodzi o  masę (masa elektronu okazała się 1837 razy mniejsza od masy atomu wodoru). Dlaczego więc Thomson jest sławny, a  Wiechert nie? Bo Wiechert po prostu przyjął (odgadł) wartość ładunku elektrycznego; nie dysponował danymi pozwalającymi ten domysł uzasadnić. Poza tym rozpraszały go problemy związane ze zmianą pracy i  zainteresowanie geofizyką. Był uczonym, który sformułował trafny wniosek, ale nie miał wszystkich potrzebnych danych. Nie będzie cygara, panie Emilu!
       Drugim pretendentem był Walter Kaufmann z  Berlina. Wpadł na metę w  1897 roku, a  braki jego teorii stanowiły przeciwieństwo braków Wiecherta. Zebrał dobre dane, ale przeprowadził kiepskie rozumowanie. On także otrzymał wartość e/m,  wykorzystując pola elektryczne i  magnetyczne, ale wykonał w  swym eksperymencie istotny krok dalej. Szczególnie interesowało go, jak e/m  zmienia się ze zmianami ciśnienia i  w  zależności od rodzaju gazu wypełniającego rurę – powietrza, wodoru, dwutlenku węgla. W  odróżnieniu od Wiecherta, Kaufmann sądził, że promienie katodowe były po prostu naładowanymi atomami gazu tkwiącego w  rurce, więc spodziewał się, że stosując różne gazy, otrzyma różne wartości masy m. Niespodzianka! Odkrył, że e/m  jest stałe, niezależnie od rodzaju i  ciśnienia gazu wypełniającego rurkę. To mu zabiło ćwieka i  wypadł z  gry. A  szkoda, bo jego eksperymenty były całkiem eleganckie i  otrzymał dokładniejszą wartość e/m  niż zwycięzca, J. J. Thomson. Nie usłyszał jednak tego, co dane krzyczały mu prosto w  twarz: „Twoje cząstki są nową formą materii, głąbie! Te cząstki są istotnym składnikiem wszystkich atomów; dlatego właśnie e/m się nie zmienia”.
       Joseph John Thomson (1856–1940) zaczynał swą działalność od fizyki matematycznej i  był zaskoczony, gdy zatrudniono go jako profesora fizyki eksperymentalnej w  słynnym Laboratorium im. Cavendisha na Uniwersytecie w  Cambridge. Miło byłoby się dowiedzieć, czy w  ogóle miał chęć zostać eksperymentatorem. Był znany z  niezdarnego obchodzenia się ze sprzętem laboratoryjnym, ale miał szczęście do znakomitych asystentów, którzy wykonywali jego polecenia i  trzymali go z  dala od kruchego szkła.
       W  roku 1896 Thomson postawił sobie za cel zrozumienie natury promieni katodowych. Katoda wtopiona w  jeden koniec szklanej rurki emituje swe tajemnicze promienie. Te zmierzają do anody, w  której zrobiono otwór, aby przepuszczał część promieni (czytaj: elektronów). Utworzona w  ten sposób wąska wiązka wędruje do końca rurki, gdzie pada na fluorescencyjny ekran i  ukazuje się na nim w  postaci małej zielonej plamki. W  swym doświadczeniu Thomson wprowadził jeszcze jedną innowację: umieścił w  rurce parę metalowych płytek o  długości około 15 cm i  podłączył je do baterii, otrzymując w  ten sposób pole elektryczne zorientowane prostopadle do wiązki promieni katodowych, która przechodziła przez szczelinę dzielącą te płytki. Był to obszar ugięcia.
       Jeśli wiązka zmienia kształt w  obecności pola elektrycznego, to znaczy, że jest obdarzona ładunkiem elektrycznym. Jeśli zaś wiązka składa się na przykład z  fotonów – cząstek światła – to zignoruje pole wytwarzane przez płytki i  będzie kontynuować podróż po prostej. Thomson użył baterii dostarczających wysokiego napięcia i  stwierdził, że plamka na ekranie przesuwa się w  dół, gdy górna płytka jest podłączona do ujemnej elektrody, w  górę zaś – gdy do dodatniej. Udowodnił w  ten sposób, że promienie są obdarzone ładunkiem, a  przy okazji odkrył, że jeśli płytki podłączone są do źródła prądu zmiennego (błyskawicznie następują po sobie zmiany plus-minus-plus-minus), zielona plamka szybko porusza się w  górę i  w  dół, tworząc na ekranie zieloną kreskę. Był to pierwszy krok na drodze do wynalezienia telewizji i  umożliwienia oglądania wieczornych wiadomości.
       Ale jest rok 1896 i  Thomson ma na głowie inne problemy. Ponieważ natężenie pola magnetycznego jest znane, proste obliczenia z  zakresu mechaniki Newtona pozwalają znaleźć odległość, o  jaką powinna przesunąć się plamka, jeśli znana jest prędkość poruszania się promieni katodowych. Tu Thomson posłużył się pewną sztuczką. Otoczył rurkę polem magnetycznym tak dobranym, aby ugięcie wywoływane przez pole magnetyczne dokładnie niwelowało ugięcie wywoływane przez pole elektryczne. Ponieważ oddziaływanie magnetyczne zależne jest od nieznanej prędkości wiązki, można ją obliczyć, znając wielkość natężenia pola magnetycznego i  elektrycznego. Mając już określoną prędkość ruchu promieni, powracamy do badania ugięcia wiązki promieni katodowych w  polu elektrycznym. W  efekcie tych badań otrzymuje się dokładną wartość ilorazu e/m, stosunek ładunku cząstki promieni katodowych do jej masy.
       Z  wielką wytrwałością Thomson przykłada pola, mierzy ugięcia, niweluje ugięcia, mierzy pola i  zbiera dane, by otrzymać e/m. Tak jak Kaufmann, upewnia się co do poprawności wyników, stosując rozmaite rodzaje katod – glinową, platynową, miedzianą, cynową – i  powtarzając cały eksperyment od nowa. Wszystkie próby dają w  rezultacie tę samą liczbę. Thompson zmienia gaz wypełniający rurę: powietrze, wodór, dwutlenek węgla. Znów to samo. Thomson nie powtarza błędu Kaufmanna; wyciąga wniosek, że promienie katodowe nie są naładowanymi cząsteczkami gazu, lecz elementarnymi cząstkami, które muszą wchodzić w  skład wszelkich form materii.
       Jeszcze nie usatysfakcjonowany, w  celu zdobycia dodatkowych dowodów postanawia wykorzystać zasadę zachowania energii. Chwyta promienie katodowe w  metalowy blok. Ich energia jest znana; jest to po prostu energia elektryczna nadana cząstkom przez napięcie pochodzące z  baterii. Mierzy wydzielone w  bloku ciepło i  zauważa, że można otrzymać wartość e/m  także i  w  inny sposób – porównując energię hipotetycznych elektronów z  tym ciepłem. W  wyniku kolejnej długiej serii eksperymentów Thomson otrzymuje wartość e/m  (2,0 × 1011 kulombów na kilogram) nie różniącą się zbytnio od pierwszego rezultatu. W  roku 1897 ogłasza wyniki: „W  promieniach katodowych mamy do czynienia z  nowym stanem materii, ze stanem, w  którym podział materii poprowadzony jest znacznie dalej niż w  zwykłym stanie gazowym”. Ten „dalszy podział materii” doprowadził do tego, że otrzymaliśmy nowy składnik całej materii, będący częścią „substancji, z  której zbudowane są pierwiastki chemiczne”.
       Jak nazwać tę nową cząstkę? Termin Stoneya  „elektron” był pod ręką i  szybko się przyjął. Od kwietnia do sierpnia 1897 Thomson wykładał i  pisał artykuły o  cząsteczkowej naturze promieni katodowych. Działalność taką zwiemy marketingiem rezultatów.
       Pozostawała do rozwiązania jeszcze jedna zagadka: konkretne wartości e  i  m. Thomson był w  kropce, tak samo jak Wiechert parę lat wcześniej. Posłużył się więc podstępem. Wartość e/m tej nowej cząstki była około tysiąca razy mniejsza od e/m atomu wodoru, najlżejszego ze wszystkich znanych atomów. Thompson stwierdził więc, że albo e  elektronu było znacznie większe niż e  wodoru, albo że m  znacznie mniejsze. Na co się zdecydować: na duże e  czy małe m? Intuicyjnie skłaniał się ku małemu m  – odważny wybór, bo zakładał, że ta nowa cząstka ma maleńką masę, znacznie mniejszą niż masa wodoru. Pamiętajmy, że większość fizyków i  chemików wciąż sądziła, że chemiczny atom jest niepodzielny. A  Thomson twierdził, że blask dochodzący z  jego rurki stanowił dowód świadczący o  istnieniu powszechnego składnika, maleńkiej części składowej wszystkich atomów.
       W  1898 roku Thomson zajął się mierzeniem ładunku elektrycznego swoich promieni katodowych, w  ten sposób pośrednio mierząc także ich masę. Zrobił to, używając nowego urządzenia, zwanego komorą mgłową, wynalezionego przez szkockiego studenta C. T. R. Wilsona w  celu badania deszczu, nie będącego wcale rzadkością w  Szkocji. Deszcz pada wtedy, gdy para kondensuje na pyłkach kurzu i  zbiera się w  krople. Gdy powietrze jest czyste, naładowane elektrycznie jony mogą spełniać rolę kurzu i  na tym właśnie polega idea komory mgłowej. Thomson zmierzył całkowity ładunek zebrany w  komorze za pomocą pewnej techniki elektrometrycznej, następnie określił indywidualny ładunek każdej kropelki, licząc ich ilość i  dzieląc całkowity ładunek przez otrzymaną liczbę.
       Kiedyś sam musiałem zbudować komorę Wilsona podczas studiów doktoranckich i  od tego czasu nienawidzę tej techniki, nienawidzę Wilsona i  wszystkich tych, którzy mają cokolwiek do czynienia z  tym przekornym i  wołowatym urządzeniem. Z cudem graniczy to, że Thomson zdołał uzyskać poprawną wartość e, a  co za tym idzie – masę elektronu. Ale to jeszcze nie wszystko. Przez cały okres poszukiwań elektronu musiał pracować z  niezachwianą wytrwałością. Skąd znał natężenie pola elektrycznego – sprawdził na etykietce baterii? Nie było przecież żadnych etykiet. Skąd znał dokładną wartość natężenia pola magnetycznego, potrzebną do obliczenia prędkości? Jak mierzył prąd? Nawet samo odczytywanie wyników pomiarów nastręczało spore trudności. Wskazówka ma przecież jakąś grubość, może się trząść i  drżeć. Jak jest wykalibrowana skala? Czy ma sens? W  roku 1897 nie przestrzegano jeszcze bezwzględnych standardów przy produkcji rozmaitych urządzeń. Mierzenie napięcia, natężenia, temperatury, ciśnienia, odległości i  czasu stanowiło nie lada problem. Każdy taki pomiar wymagał szczegółowej wiedzy o  działaniu baterii, magnesu, mierników.
       Był jeszcze problem, że tak powiem, polityczny – jak przekonać stosowne władze, by w  ogóle dały środki na przeprowadzenie eksperymentów. Fakt, że Thomson sam był szefem, niewątpliwie okazał się pomocny. A  na koniec zostawiłem najbardziej ważki problem: jak zdecydować, który eksperyment przeprowadzić? Thomson miał talent, polityczne obycie i  wytrwałość. Dzięki temu doprowadził do końca przedsięwzięcie, które innym się nie powiodło. W  roku 1898 oznajmił, że elektrony są składnikami atomu i  że promienie katodowe są elektronami, które oddzieliły się od atomu. Naukowcy myśleli, że atom chemiczny jest pozbawiony struktury, niepodzielny. Thomson porwał go na strzępy.
       Atom został rozpłatany i  znaleźliśmy pierwszą prawdziwą cząstkę elementarną, pierwszy a-tom. Słyszysz ten chichot?
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach