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


  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 E1, E2, E3, E4 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  E1 na E2 albo może na E3. 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 E4 – E2. Możliwych jest wiele przeskoków, na przykład E2  E1, E3  E1, E4  E1. Dozwolone są także wielostopniowe skoki, takie jak E4  E2, a  potem E2  E1. 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 2pe2/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.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