| Gdy tęcza już nie wystarcza |
|
|
| Gdy tęcza już nie wystarcza
|
|
|
| izycy zaczynali także zwracać uwagę na światło i jego własności. Za pomocą szklanego pryzmatu Newton wykazał, że rozszczepiając białe światło słoneczne na składniki jego widma, można odtworzyć tęczę. W otrzymanej tęczy każdy kolor począwszy od czerwonego płynnie przechodzi w następny, aż po intensywny fiolet. W roku 1815 Joseph von Fraunhofer znacznie udoskonalił układ optyczny stosowany do obserwacji kolorów wyłaniających się z pryzmatu. Teraz, kiedy się popatrzyło przez mały teleskop, rozdzielone kolory było widać niezwykle ostro. Za pomocą tego przyrządu – no proszę! – Fraunhofer dokonał odkrycia: na wspaniałe kolory słonecznego widma nakładała się seria cienkich, nieregularnie, jak się zdawało, rozmieszczonych ciemnych linii. Ostatecznie Fraunhofer zarejestrował 576 takich linii. Co to oznaczało? Za jego czasów uważano, że światło jest zjawiskiem falowym. Później James Clerk Maxwell miał wykazać, że fale światła są polami elektrycznymi i magnetycznymi i że kluczowym parametrem umożliwiającym opis światła jest odległość między kolejnymi grzbietami fali, czyli długość, która determinuje jej barwę.
|
| Znając długości fal, można gamie kolorów przypisać skalę liczbową. Światło widzialne należy do przedziału od 8000 angstremów (0,00008 cm), co odpowiada głębokiej czerwieni, do 4000 angstremów (0,00004 cm) – ciemny fiolet. Dysponując taką skalą, Fraunhofer mógł dokładnie określić położenie każdej z dostrzeżonych ciemnych kreseczek. Na przykład jedna taka słynna linia, znana jako Ha, czy też „ha-alfa” (jeśli nie podoba ci się, drogi Czytelniku, „ha-alfa”, to możesz ją nazwać „Zenio”), odpowiada długości 6562,8 angstrema, a zatem leży sobie wśród zieleni, mniej więcej w środku widma.
|
| Co nas obchodzą te linie? Otóż obchodzą, bo w roku 1859 niemiecki fizyk Gustav Robert Kirchhoff odkrył istotny związek łączący te linie z pierwiastkami chemicznymi. Podgrzewał rozmaite pierwiastki – miedź, węgiel, sód itd. – umieszczając je w płomieniu palnika, aż zaczynały się żarzyć. Podgrzewał też rozmaite gazy uwięzione w rurkach i używał jeszcze dokładniejszej aparatury optycznej do obserwacji widm emitowanych przez rozżarzone gazy. Odkrył, że każdy pierwiastek emituje typową dla siebie serię bardzo ostrych, jaskrawo zabarwionych linii nałożonych na ciemniejsze tło barw płynnie przechodzących jedna w drugą. Wewnątrz teleskopu Kirchhoff miał wygrawerowaną skalę z zaznaczonymi jednostkami długości fali, dzięki czemu mógł dokładnie określić położenie każdej jasnej linii. Ponieważ z każdym pierwiastkiem związany jest inny układ linii, Kirchhoff i jego współpracownik Robert Bunsen uzyskali „odciski palców” pierwiastków w postaci linii widmowych. (Kirchhoff potrzebował pomocy przy podgrzewaniu próbek; któż lepiej mógłby się do tego nadawać od człowieka, który wynalazł palnik Bunsena?) Dość szybko uczeni ci nauczyli się identyfikować niewielkie domieszki jednej substancji ukryte w drugiej – wykrywać zanieczyszczenia.
|
| Nauka zyskała teraz narzędzie pozwalające badać skład chemiczny dowolnej substancji, która wysyła światło – na przykład Słońca, a potem, z biegiem czasu, także i odległych gwiazd. Uczeni odkryli mnóstwo nowych pierwiastków w ten sposób, że znajdowali nie zarejestrowane wcześniej linie widmowe. Pierwiastek zwany helem znaleziono najpierw na Słońcu w 1878 roku. Dopiero siedemnaście lat później odkryto go na Ziemi.
|
| Pomyśl tylko, drogi Czytelniku, o tej wzruszającej chwili, gdy przeanalizowano po raz pierwszy światło odległej gwiazdy... i okazało się, że składa się z tego samego tworzywa, jakie mamy tu, na Ziemi! Ponieważ docierające do nas światło gwiazd jest bardzo słabe, trzeba było wielkich umiejętności i wysoko rozwiniętej techniki, aby zbadać układy kolorów i linii. Wniosek narzucał się jednak nieodparcie: Ziemia zbudowana jest z tego samego tworzywa co Słońce i gwiazdy. I nie znaleźliśmy jeszcze w przestrzeni takiego pierwiastka, którego nie mielibyśmy tu, u siebie. Wszyscy jesteśmy zbudowani z gwiezdnego pyłu. Odkrycie to ma niesłychane znaczenie dla wszelkich prób formowania ogólnych teorii na temat świata, w którym żyjemy. Wspiera ono poglądy Kopernika: nie jesteśmy wyjątkowi.
|
| No tak, ale dlaczego Fraunhofer, który to wszystko zapoczątkował, znajdował ciemne linie w widmie Słońca? Wkrótce i to wyjaśniono. Gorące jądro Słońca (bardzo gorące, rozgrzane do białości) emituje światło o wszystkich długościach fal, ale przechodząc przez stosunkowo chłodne gazy na powierzchni Słońca, ulega ono przefiltrowaniu. Gazy absorbują światło o tej właśnie długości, które same „lubią” wysyłać. Dlatego też ciemne linie Fraunhofera reprezentują absorpcję. Jasne linie Kirchhoffa pochodzą z emisji.
|
| Oto znajdujemy się u schyłku XIX wieku. Co sądzić o tym wszystkim? Atomy chemiczne miały być twardymi, masywnymi, pozbawionymi struktury, niepodzielnymi a-tomami, a jednak każdy z nich potrafi emitować i absorbować energię elektromagnetyczną w postaci wyraźnych i charakterystycznych linii. Niektórzy uczeni rozpoznali w tym głośne wołanie: struktura! Wiedziano, że obiekty mechaniczne o pewnej strukturze wpadają w rezonans w odpowiedzi na regularne impulsy: struny w fortepianie czy skrzypcach drgają, aby wydawać dźwięki, kieliszki pękają, gdy zwalisty tenor zaśpiewa doskonałą nutę. Żołnierze maszerujący rytmicznie noga w nogę mogą wprawić most w drgania o wielkiej amplitudzie. I tym też właśnie jest światło – rytmicznymi impulsami, których częstość równa się prędkości podzielonej przez długość fali. Podobne mechaniczne przykłady doprowadziły do postawienia pytania: jeśli atomy nie mają żadnej struktury wewnętrznej, to jak mogą wykazywać własności rezonansowe, których przykładem są linie widmowe?
|
| A jeśli atomy mają wewnętrzną strukturę, to co w tej sprawie mówią teorie Newtona i Maxwella? Promieniowanie rentgenowskie, radioaktywność, elektron i linie widmowe miały jedną cechę wspólną. Zjawisk tych nie można było wytłumaczyć na gruncie klasycznych teorii (choć wielu próbowało). Z drugiej jednak strony, żadne z tych zjawisk nie pozostawało w wyraźnej sprzeczności z klasyczną teorią Newtona/Maxwella. Po prostu nie można ich było wyjaśnić, ale dopóki brakowało dowodów rzeczowych, zawsze istniała nadzieja, że jakiś młody mądrala w końcu znajdzie sposób, by uratować fizykę klasyczną. Nigdy do tego nie doszło, pojawił się natomiast dowód rzeczowy, a właściwie co najmniej trzy takie dowody.
|
|
