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

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
Schrödinger

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


  Dowód rzeczowy nr 3: kto lubi ciasto z rodzynkami?
 
Dowód rzeczowy nr 3:
kto lubi ciasto z rodzynkami?
 
E
rnest Rutherford jest jedną z  tych osobowości, które wydają się zbyt barwne, by mogły być prawdziwe. Zupełnie jak gdyby trafił do społeczności naukowej prosto z  agencji artystycznych w  Hollywood. Zwalisty, gburowaty Nowozelandczyk, z  wąsami przypominającymi morsa, był pierwszym cudzoziemcem przyjętym na studia doktoranckie do słynnego Laboratorium im. Cavendisha, którym kierował wówczas J. J. Thomson. Rutherford przybył w  samą porę, by być świadkiem odkrycia elektronu. Uzdolniony manualnie (w  przeciwieństwie do Thomsona), był znakomitym eksperymentatorem. Faraday miałby w  nim godnego rywala do tytułu najlepszego eksperymentatora wszech czasów. Rutherford znany był z  głęboko zakorzenionego przekonania, że obrzucanie eksperymentów wiązankami przekleństw bardzo dobrze na nie wpływa. Koncepcja ta znalazła silne poparcie w  wynikach doświadczalnych, nawet jeśli teoretycznie nie była dostatecznie uzasadniona. Mówiąc o  Rutherfordzie, trzeba koniecznie zwrócić uwagę na uczniów i  studentów, którzy pod jego czujnym okiem przeprowadzili wspaniałe eksperymenty. Było ich wielu; między innymi Charles D. Ellis (odkrywca rozpadu b)*, James Chadwick (odkrywca neutronu), Hans Geiger (o  liczącej się sławie). Proszę sobie nie myśleć, że łatwo jest nadzorować grupę pięćdziesięciu studentów. Choćby dlatego, że trzeba czytać ich prace. Oto jak jeden z  moich najlepszych studentów zaczął swoją pracę magisterską: „Fizyka jest dziedziną tak dziewiczą, że ludzkie oko nie postawiło na nim jeszcze stopy”. Ale wracajmy do Ernesta.
       Rutherford żywił wobec teoretyków źle skrywaną pogardę, chociaż, jak się zaraz przekonamy, sam był całkiem niezłym teoretykiem. Na jego szczęście na początku XX wieku nie pisywano w  prasie o  pracach naukowych tyle, co teraz, bo miał tak niewyparzoną gębę, że z  pewnością zniechęciłby do siebie całe tłumy fundatorów. Oto garstka wypowiedzi Rutherforda, które przetrwały wiele dziesięcioleci i  dotarły do nas:
  •   „Żebym na moim wydziale nie przyłapał nikogo na rozmowach o  Wszechświecie!”
  •   „Och, te rzeczy [teoria względności]. Nigdy nie zawracamy sobie tym głowy przy pracy”.
  •   „Cała nauka dzieli się na fizykę i  zbieranie znaczków”.
  •   „Właśnie czytałem niektóre z  moich pierwszych publikacji i, wiesz, kiedy skończyłem, powiedziałem sobie: »Rutherford, mój chłopie, byłeś piekielnie bystrym gościem«”.
  •        Ten piekielnie bystry gość spędził trochę czasu u  Thomsona, przeskoczył przez Atlantyk, by pracować na Uniwersytecie McGilla w  Montrealu, potem powędrował z  powrotem do Anglii i  zatrudnił się na Uniwersytecie w  Manchesterze. W  roku 1908 otrzymał Nagrodę Nobla w  dziedzinie chemii za prace nad radioaktywnością. To mogłoby stanowić piękne zwieńczenie kariery dla większości ludzi, ale nie dla Rutherforda. Teraz dopiero na poważnie zabrał się do pracy.
           Nie sposób mówić o  Rutherfordzie nie wspominając o  Laboratorium im. Cavendisha, utworzonym w  roku 1874 jako placówka badawcza na Uniwersytecie w  Cambridge. Jego pierwszym dyrektorem był Maxwell (teoretyk kierujący laboratorium?), drugim lord Rayleigh, a  po nim nastał w  1884 roku Thomson. Rutherford przybył z  nowozelandzkich stepów jako doktorant w  roku 1895, w  fantastycznym okresie bogatym w  odkrycia. Jednym z  głównych czynników, od którego zależy odniesienie sukcesu zawodowego w  fizyce, jest szczęście. Bez niego nie ma co marzyć o sukcesie. Rutherford miał dużo szczęścia. Badania poświęcone nowo odkrytemu zjawisku radioaktywności – zwanej wówczas promieniami Becquerela – doprowadziły go w  1911 roku do najważniejszego spośród jego dokonań: do odkrycia jądra atomowego. Wydarzyło się to na Uniwersytecie w  Manchesterze, skąd okryty chwałą powrócił do Laboratorium im. Cavendisha, gdzie zastąpił Thomsona na stanowisku dyrektora.
           Przypomnijmy, że odkrywając elektron, Thomson poważnie zagmatwał zagadnienie budowy materii. Chemiczny atom, o  którym sądzono, że jest niepodzielną cząstką postulowaną jeszcze przez Demokryta, teraz zaludnił się jakimiś ruchliwymi stworkami. Miały one – elektrony – ujemny ładunek, co czyniło sytuację tym bardziej kłopotliwą, bo materia w  całości nie jest ani dodatnio, ani ujemnie naładowana. Coś zatem musi neutralizować elektrony.
           Dramatyczna historia zaczyna się zupełnie prozaicznie. Szef wchodzi do laboratorium. Siedzi tam stażysta Hans Geiger i  szczególnie wytrwały student Ernest Marsden. Zajęci są badaniem rozpraszania cząstek a. Radioaktywne źródło, powiedzmy radon 222, naturalnie i  spontanicznie wysyła cząstki a. Są one po prostu atomami helu pozbawionymi przynależnych im elektronów – czyli jądrami helu, co Rutherford ustalił w  1908 roku. Radon, czyli źródło, znajduje się w  ołowianym pojemniku z  niewielkim otworem, pozwalającym skierować cząstki a  w  stronę cieniutkiej złotej folii. Gdy cząstki a  przechodzą przez folię, ich tory ulegają ugięciu na skutek oddziaływania z  atomami złota. Eksperyment miał określić kąty tego ugięcia. Był to zaplanowany przez Rutherforda historyczny prototyp doświadczenia poświęconego rozpraszaniu, które na tym właśnie polega: bombarduje się tarczę cząstkami i  obserwuje, w  jakim kierunku się odbijają. W  tym wypadku cząstki a  odgrywały rolę małych sond, których zadaniem było zbadanie struktury atomów. Tarczę ze złotej folii otaczały ze wszystkich stron ekrany pokryte siarczkiem cynku. Gdy cząstka a  uderza w  cząsteczkę tego związku, pojawia się błysk światła, co pozwala badaczom określić kąt odbicia. Cząstka a  wpada w  złotą folię, uderza w  atom, odbija się od niego i  uderza w  jeden z  ekranów pokrytych siarczkiem cynku. Błysk! Tory większości cząstek są tylko nieznacznie odchylone od pierwotnego kierunku ruchu. Uderzają w  ekran bezpośrednio za złotą folią. To był trudny eksperyment. Nie mieli jeszcze licznika cząstek – Geiger nie zdążył go jeszcze wymyślić – więc Geiger i  Marsden musieli siedzieć godzinami w  ciemności, adaptując wzrok,  by zauważać błyski. Musieli dostrzec i  opisać położenie małych iskierek.
           Rutherford – który nie musiał siedzieć w  ciemni, bo przecież był szefem – powiedział: „Zobaczcie, czy któreś cząstki a  nie odbijają się od folii”. Innymi słowy, mieli sprawdzić, czy uderzając w  folię, cząstki a  nie odbijają się od niej i  nie wracają w  kierunku źródła. Marsden wspominał: „Ku memu zdziwieniu, udało mi się zaobserwować to zjawisko. [...] Powiedziałem o  tym potem Rutherfordowi, gdy spotkałem go na schodach wiodących do jego gabinetu”.
           Dane opublikowane później przez Geigera i  Marsdena głosiły, że jedna na 8000 cząstek a  odbijała się od złotej folii. Słynna reakcja Rutherforda na tę wiadomość wyglądała w  ten sposób: „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”.
           Wydarzyło się to w  maju 1909 roku. Na początku roku 1911 Rutherford – działający teraz jako fizyk teoretyk – rozwiązał problem. Przywitał swoich studentów szerokim uśmiechem. „Wiem, jak wygląda atom, i  rozumiem przyczyny silnego odbicia w  kierunku źródła” – powiedział. W  maju tego roku ukazał się artykuł, w  którym Rutherford obwieścił istnienie jądra atomowego. To był koniec epoki. Atom chemiczny objawił się teraz jako twór złożony, a  nie prosty; podzielny i  zupełnie nie przypominający a-tomu. Był to początek nowej ery, ery fizyki jądrowej, i  schyłek fizyki klasycznej – przynajmniej wewnątrz atomu.
           Rutherford potrzebował osiemnastu miesięcy na przemyślenie problemu, który studenci fizyki rozwiązują obecnie na trzecim roku. Dlaczego fakt odbicia cząstek a  wprawił go w  tak wielkie zakłopotanie? Musiało to mieć związek z  powszechnie przyjętym wówczas modelem atomu. Oto mamy masywną, dodatnio naładowaną cząstkę a  nacierającą na atom złota i  odbijającą się od niego. Według powszechnie panującego w  roku 1909 przekonania, cząstka a  powinna była przedrzeć się przez folię bez najmniejszych problemów, jak pocisk przez serwetkę, by posłużyć się porównaniem Rutherforda.
           Ten „serwetkowy” model atomu pochodził jeszcze od Newtona, który mówił, że mechaniczną stabilność może zapewnić tylko wzajemne znoszenie się sił. Dlatego w  stabilnym, godnym zaufania atomie elektryczne siły przyciągania i  odpychania powinny się równoważyć. Teoretycy działający na przełomie wieków gorączkowo zabrali się do sporządzania odpowiednich modeli. Tak układali elektrony, by otrzymać stabilny atom. Wiadomo było, że atomy zawierają mnóstwo ujemnie naładowanych elektronów. Dlatego też atomy musiały mieć taką samą liczbę dodatnich ładunków rozmieszczonych w  nie znany bliżej sposób. Skoro elektrony są bardzo lekkie, a  atom ciężki, to albo muszą w  nim być tysiące elektronów (żeby złożyły się na potrzebny ciężar), albo ciężar musi się kryć wśród ładunków dodatnich. Proponowano wiele różnych modeli atomów, ale najprzychylniej przyjęta została propozycja nie kogo innego tylko J.  J. Thomsona, Pana Elektrona. Zwano ją modelem ciasta z  rodzynkami. Według tego modelu, ładunek dodatni jest rozmieszczony równomiernie w  całej objętości atomu, a  w  nim tkwią ładunki elektryczne, niczym rodzynki w  cieście. Taka konstrukcja wydawała się mechanicznie stabilna, a  nawet dopuszczała lekkie drgania elektronów wokół położenia równowagi. Tylko że natura dodatniego ładunku nadal pozostawała tajemnicą.
           Rutherford natomiast obliczył, że tak silne odbicia cząstek a  można wyjaśnić jedynie przy założeniu, że cała masa i  dodatni ładunek atomu skoncentrowane są w  bardzo niewielkiej objętości, w  środku stosunkowo wielkiej kuli (o  rozmiarach atomu). Jądro! Elektrony natomiast znajdowały się wewnątrz tej kuli. Z  biegiem czasu i  w  miarę napływu coraz dokładniejszych danych udoskonalano teorię Rutherforda. Centralnie położony dodatni ładunek zajmuje nie więcej niż bilionową część objętości atomu. Według modelu Rutherforda, materia składa się głównie z  pustej przestrzeni. Stół uderzony dłonią wydaje się nam twardy na skutek istnienia sił elektrycznych i  reguł kwantowych, działających na poziomie atomowym i  molekularnym. Atom to przede wszystkim próżnia. Arystoteles byłby zdegustowany.
           Łatwiej będzie nam zrozumieć zaskoczenie Rutherforda na wieść o  odbitych cząstkach a, gdy porzucimy jego militarne porównanie i  wyobrazimy sobie kulę toczącą się z  hukiem w  kierunku kręgli. Jakież byłoby przerażenie gracza, gdyby taka kula, dotoczywszy się do gromadki kręgli, zatrzymała się i  ruszyła z  powrotem w  jego kierunku! Zapewne zmykałby przed nią ile sił w  nogach. Czy to możliwe? No cóż, załóżmy, że jeden z  kręgli jest wyjątkowym „tłustym kręglem”, sporządzonym z  czystego irydu, najgęstszego ze znanych metali. Ten kręgiel jest bardzo ciężki, waży 50 razy więcej niż kula. Seria zdjęć zrobionych z  zastosowaniem niezwykle szybkiej migawki ukazałaby następujący przebieg wypadków: kula zderza się z  kręglem, deformuje go, ale się zatrzymuje. Potem kręgiel powraca do pierwotnego kształtu, a  nawet trochę się wybrzusza i  zwraca kuli otrzymaną dawkę energii, która sprawia, że kula zaczyna się poruszać w  przeciwnym niż dotąd kierunku. Na tym właśnie polega każde sprężyste zderzenie, ot, choćby kuli bilardowej z  bandą. Obrazowe militarne porównanie Rutherforda zrodziło się z  żywionego przez niego i  większość jemu współczesnych przekonania, że atom był kulą ciasta starannie rozłożonego w  wielkiej objętości. W  przypadku atomu złota byłaby to „ogromna” kula o  promieniu 10–9 metra.
           Aby poglądowo przedstawić atom Rutherforda, wyobraźmy sobie jądro wielkości ziarna zielonego groszku (około pół centymetra). Atom jest kulą o  promieniu 100 metrów. Można by w  nim zawrzeć sześć boisk do piłki nożnej ułożonych koło siebie tak, by tworzyły z  grubsza kwadrat.
           Także i  przy tym eksperymencie szczęście dopisało Rutherfordowi. Tak się złożyło, że jego radioaktywne źródło emitowało cząstki a  o  energii sięgającej 5 milionów elektronowoltów (zapisujemy to: 5 MeV), wprost idealnej dla odkrycia jądra. Była to energia dostatecznie mała, by cząstki a  nie zbliżyły się zanadto do jądra, lecz zostały odepchnięte przez jego silny dodatni ładunek. Otaczająca jądro chmura elektronów miała zbyt małą masę, by wywrzeć jakikolwiek wpływ na bombardujące cząstki. Gdyby cząstki a  miały znacznie większą energię, przeniknęłyby do wnętrza jądra i  doznały silnego oddziaływania jądrowego (później pomówimy o  tym szerzej), co w  efekcie dałoby znacznie bardziej skomplikowany obraz ich rozpraszania. (Ogromna większość cząstek a  przenikała przez atom w  tak dużej odległości od jądra, że nie wywierało ono prawie żadnego wpływu na tor ich ruchu). Natomiast w  omawianym wypadku, według pomiarów wykonanych przez Geigera i  Marsdena, a  potem potwierdzonych przez całe rzesze ich europejskich konkurentów, charakter rozpraszania cząstek a  był matematycznie równoważny sytuacji, w  której jądro byłoby punktem. Teraz wiemy, że jądra nie są punktami, ale gdy cząstki a  nie zbliżają się do nich zanadto, można je za takie uważać – obliczenia są takie same.
           Bošković byłby zadowolony. Doświadczenia w  Manchesterze poparły jego teorię. Pola sił otaczające punktowe obiekty determinują wynik zderzenia. Eksperyment Rutherforda miał implikacje wykraczające daleko poza odkrycie jądra. Wykazał, że bardzo duże ugięcie toru wskazuje na obecność bardzo małych „punktowych” obiektów. Tę fundamentalną ideę zastosowano w  końcu przy tropieniu kwarków – prawdziwych punktów. Model Rutherforda niewątpliwie stanowił punkt przełomowy. Przypominał miniaturowy Układ Słoneczny: gęste, dodatnio naładowane jądro, a  wokół niego krąży pewna liczba elektronów, poruszających się po różnych orbitach. Liczba elektronów była taka, że ich całkowity ładunek równoważył dodatni ładunek jądra. Przywołano natychmiast Maxwella i  Newtona. Elektron na orbicie, podobnie jak planety, posłuszny jest newtonowskiemu przykazaniu: F = ma. F  było teraz siłą elektryczną (zgodnie z  prawem Coulomba) występującą między dwiema cząstkami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Skoro w  tym prawie siła oddziaływania maleje z  kwadratem odległości, podobnie jak w  wypadku grawitacji, na pierwszy rzut oka można by przypuszczać, że elektrony poruszają się po określonych, stabilnych orbitach tak samo jak planety. No i  proszę, elegancki planetarny model atomu chemicznego. Wszystko było w  najlepszym porządku.
           Wszystko było w  najlepszym porządku aż do momentu, kiedy pojawił się w  Manchesterze młody duński fizyk wyznania teoretycznego. „Nazywam się Bohr. Niels Henrik David Bohr, profesorze Rutherford. Jestem teoretykiem i  przybyłem tu, by panu pomóc”. Możemy tylko wyobrażać sobie reakcję gruboskórnego, opryskliwego Nowozelandczyka.

    * Ellis nie był w  ścisłym tego słowa znaczeniu odkrywcą rozpadu b. Przyczynił się natomiast do rozwiązania zagadki bilansu energetycznego związanego z  tym zjawiskiem (przyp. red.).
    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