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 - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Pole i teoria
względności

Kwanty
Ciągłość i . . .
Elementarne kwanty
Kwanty światła
Widma światła
Fale materii
Fale prawdopodob.
Fizyka i rzeczywistość
Streszczamy
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Elementarne kwanty materii i elektryczności
 
Elementarne kwanty materii
i elektryczności
 
W
obrazie materii, jaki daje teoria kinetyczna, wszystkie pierwiastki zbudowane są z cząsteczek. Weźmy najprostszy przypadek najlżejszego pierwiastka, to znaczy wodoru. Wcześniej widzieliśmy, jak badanie ruchów Browna doprowadziło do wyznaczenia masy cząsteczki wodoru. Wartość jej wynosi:
0,000 000 000 000 000 000 000 0033 grama.
       Znaczy to, że masa jest nieciągła. Masa pewnej ilości wodoru może się zmieniać tylko o całkowitą liczbę małych skoków, z których każdy odpowiada masie jednej cząsteczki wodoru. Procesy chemiczne wskazują jednak, że cząsteczka wodoru może być rozbita na dwie części, czyli innymi słowy, że składa się ona z dwóch atomów. Dzieląc przytoczoną wyżej liczbę przez dwa, znajdujemy masę atomu wodoru. Wynosi ona około 0,000 000 000 000 000 000 000 0017 grama.
       Masa jest wielkością nieciągłą. Oczywiście nie musimy się tym przejmować przy wyznaczaniu ciężaru. Nawet najczulsze wagi dalekie są od precyzji, która byłaby potrzebna do wykrycia nieciągłości w zmianach masy.
       Powróćmy do dobrze znanych faktów. Ze źródłem prądu połączono drut, przez który płynie prąd – od potencjału wyższego do niższego. Pamiętamy, że wiele faktów doświadczalnych można było wytłumaczyć za pomocą prostej teorii płynów elektrycznych przepływających przez drut. Przypominamy sobie również, że decyzja, czy dodatni płyn płynie od potencjału wyższego do niższego, czy ujemny płyn płynie od potencjału niższego do wyższego, była wyłącznie kwestią umowy. Nie będziemy na razie brali pod uwagę dalszego postępu, związanego z pojęciami polowymi. Nawet jeśli rozumować prostymi kategoriami płynów elektrycznych, trzeba jeszcze odpowiedzieć na kilka prostych pytań. Jak to wynika z nazwy „płyn”, elektryczność uważano kiedyś za wielkość ciągłą. Według tych starych poglądów ilość ładunku mogła się zmieniać dowolnie małymi przyrostami. Nie było potrzeby, aby zakładać istnienie elementarnych kwantów elektryczności. Osiągnięcia kinetycznej teorii materii przygotowały nas do nowego pytania: czy prąd jest przepływem płynu dodatniego, czy ujemnego, czy może obu naraz?
       Myśl przewodnia wszystkich doświadczeń, mających odpowiedzieć na te pytania, polega na oderwaniu płynu elektrycznego od drutu, skierowaniu go przez próżnię, pozbawieniu wszelkiej łączności z materią, a następnie zbadaniu jego własności, które w tych warunkach muszą wystąpić najwyraźniej. W końcu dziewiętnastego stulecia wykonano wiele tego rodzaju doświadczeń. Zanim wyjaśnimy główną myśl tych doświadczeń, a właściwie jednego z nich, podamy ich wyniki. Przepływający przez drut płyn elektryczny jest ujemny, a więc porusza się od potencjału niższego do wyższego. Gdybyśmy o tym wiedzieli na samym początku, gdy powstawała teoria płynów elektrycznych, z pewnością zamienilibyśmy nazwy i nazwali elektryczność pręta ebonitowego dodatnią, a pręta szklanego ujemną. Przepływający płyn byłoby wtedy wygodniej uważać za dodatni. Ponieważ jednak nasz pierwszy domysł okazał się fałszywy, musimy się teraz pogodzić z niewygodą. Z kolei nasuwa się pytanie, czy struktura tego ujemnego płynu jest „ziarnista”, czy składa się on z kwantów elektrycznych. I znów wiele niezależnych doświadczeń wykazuje, że nie ma wątpliwości co do istnienia elementarnego kwantu tej ujemnej elektryczności. Ujemny płyn elektryczny składa się z ziarenek, podobnie jak plaża jest utworzona z ziarenek piasku, a dom z cegieł. Wynik ten sformułował bardzo jasno J. J. Thomson około czterdziestu lat temu. Elementarne kwanty elektryczności ujemnej nazywają się elektronami. Każdy ujemny ładunek elektryczny składa się więc z mnóstwa ładunków elementarnych, którymi są elektrony. Ładunek ujemny, podobnie jak masa, może się zmieniać jedynie w sposób nieciągły. Elementarny ładunek elektryczny jest jednak tak mały, że w wielu badaniach można, a czasem nawet wygodniej jest przyjmować, że elektryczność zmienia się w sposób ciągły. Teoria atomowa i elektronowa wprowadza więc do nauki nieciągłe wielkości fizyczne, które mogą się zmieniać tylko skokami.
       Wyobraźmy sobie dwie równoległe płytki metalowe, umieszczone w naczyniu, z którego usunięto powietrze. Jedna płytka ma ładunek dodatni, druga ujemny. Wprowadzony między płytki dodatni ładunek próbny będzie odpychany przez płytkę naładowaną dodatnio, a przyciągany przez płytkę naładowaną ujemnie. Linie sił pola elektrycznego będą więc skierowane od płytki naładowanej dodatnio do naładowanej ujemnie. Siła działająca na ujemnie naładowane ciało próbne będzie miała kierunek przeciwny. Jeśli płytki są dostatecznie duże, to linie sił między nimi będą miały wszędzie tę samą gęstość; bez względu na to, gdzie umieścić ciało próbne, siła, a więc i gęstość linii sił, będzie wszędzie taka sama. Wprowadzone pomiędzy płytki elektrony będą się zachowywać jak krople deszczu w polu grawitacyjnym Ziemi, poruszając się równolegle do siebie od płytki naładowanej ujemnie do naładowanej dodatnio. Istnieje wiele sposobów doświadczalnych, pozwalających wprowadzić strumień elektronów w takie pole, które skierowuje je wszystkie jednakowo. Jeden z najprostszych polega na umieszczeniu między naładowanymi płytkami rozżarzonego drutu. Taki rozżarzony drut wysyła elektrony, którym następnie nadają kierunek linie sił pola zewnętrznego. Na tej zasadzie oparte jest na przykład działanie znanych każdemu lamp radiowych.
       Z wiązką elektronów wykonano wiele bardzo pomysłowych doświadczeń. Zbadano zmiany torów elektronów w rozmaitych zewnętrznych polach elektrycznych i magnetycznych. Udało się nawet wyodrębnić pojedynczy elektron i wyznaczyć jego elementarny ładunek i masę, to znaczy opór bezwładny, jaki stawia działaniu siły zewnętrznej. Przytoczymy tu tylko wartość masy elektronu. Okazało się, że jest ona około   d w ó c h   t y s i ę c y   r a z y   m n i e j s z a   od masy atomu wodoru. Tak więc masa atomu wodoru, choć bardzo mała, wydaje się jednak wielka w porównaniu z masą elektronu. Z punktu widzenia teorii konsekwentnie polowej, cała masa, to znaczy cała energia elektronu, jest energią jego pola; pole to jest bardzo silne wewnątrz bardzo małej kulki, zaś słabe z dala od „środka” elektronu.
       Powiedzieliśmy poprzednio, że atom jakiegoś pierwiastka jest jego elementarnym kwantem. Przez długi czas uważano to twierdzenie za słuszne, ale dziś nikt w nie już nie wierzy! Nauka ukształtowała nowe poglądy, w świetle których widoczne są ograniczenia starych. Mało jest w fizyce twierdzeń mających tak silne poparcie w faktach, jak twierdzenie o złożonej budowie atomu. Najpierw zdano sobie sprawę, że elementarny kwant ujemnego płynu elektrycznego, elektron, jest zarazem jednym ze składników atomu, jedną z elementarnych cegiełek, z których zbudowana jest cała materia. Przytoczony uprzednio przykład rozżarzonego drutu, wysyłającego elektrony, jest tylko jednym z wielu przykładów wydobywania tych cząstek z materii. Wynik ten, wiążący ściśle zagadnienie budowy materii z zagadnieniem struktury elektryczności, wynika w sposób niewątpliwy z bardzo wielu niezależnych faktów doświadczalnych.
       Stosunkowo łatwo jest wyrwać z atomu kilka wchodzących w jego skład elektronów. Można do tego użyć ciepła, jak to miało miejsce w naszym przykładzie z rozżarzonym drutem, albo posłużyć się innym sposobem, na przykład bombardowaniem atomów innymi elektronami.
       Przypuśćmy, że do rozrzedzonego wodoru wprowadzono cienki, rozżarzony do czerwoności drucik metalowy. Drucik będzie wysyłał elektrony we wszystkich kierunkach. Pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego nadana im zostanie pewna prędkość, która będzie wzrastać, podobnie jak prędkość kamienia w polu grawitacyjnym. W ten sposób można otrzymać wiązkę elektronów, pędzących z określoną prędkością w określonym kierunku. Poddając elektrony działaniu bardzo silnych pól, potrafimy dziś osiągać prędkości porównywalne z prędkością światła. Cóż więc się dzieje, gdy wiązka elektronów o danej prędkości zderza się z cząsteczkami rozrzedzonego wodoru? Uderzenie dostatecznie szybkiego elektronu nie tylko rozerwie cząsteczkę wodoru na jej dwa atomy, ale również wyrwie elektron z jednego z tych atomów.
       Przyjmijmy fakt, że elektrony są składnikami materii. W takim razie atom, z którego wyrwano elektron, nie może już być elektrycznie obojętny. Jeżeli był obojętny przed wyrwaniem elektronu, to teraz został zubożony o jeden ładunek elementarny. To, co zostanie, musi mieć ładunek dodatni. Dalej, ponieważ masa elektronu jest tak znacznie mniejsza od masy najlżejszego atomu, możemy śmiało wywnioskować, że przeważająca część masy atomu nie jest związana z elektronami, lecz z innymi cząstkami elementarnymi, znacznie cięższymi od elektronów. Tę ciężką część atomu nazywamy jego jądrem.
       Współczesna fizyka doświadczalna opracowała metody rozbijania jądra atomu, zamieniania atomów jednego pierwiastka w atomy innego oraz wydobywania z jądra ciężkich cząstek elementarnych, z których jest ono zbudowane. Ten dział fizyki, zwany „fizyką jądrową”, zawdzięczający tak wiele Rutherfordowi, jest z doświadczalnego punktu widzenia niezwykle ciekawy. Jednakże teorii, opartej na prostych zasadach i wiążącej ze sobą ogromne bogactwo faktów z zakresu fizyki jądrowej, wciąż brak. Ponieważ w tej książce zajmujemy się tylko ogólnymi ideami fizycznymi, opuścimy ten dział, mimo jego wielkiego znaczenia we współczesnej fizyce.
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