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


  Widma światła
 
Widma światła
 
W
iemy już, że cała materia jest zbudowana z niewielu tylko rodzajów cząstek. Pierwszymi elementarnymi cząstkami materii, które odkryto, były elektrony. Jednakże elektrony są zarazem elementarnymi kwantami ujemnej elektryczności. Dowiedzieliśmy się również, że niektóre zjawiska każą nam przypuszczać, iż światło składa się z elementarnych kwantów świetlnych, różnych dla różnych długości fali. Zanim pójdziemy dalej, musimy rozpatrzeć pewne zjawiska fizyczne, w których zasadniczą rolę odgrywają zarówno materia, jak i promieniowanie.
       Słońce wysyła promieniowanie, które można za pomocą pryzmatu rozłożyć na składowe. W ten sposób otrzymujemy ciągłe widmo Słońca. Zawiera ono wszystkie długości fali leżące między obu krańcami widma widzialnego. Weźmy inny przykład. Wspominaliśmy już uprzednio, że rozżarzony sód wysyła jednorodne światło, światło jednej barwy, czyli jednej długości fali. Jeżeli rozżarzony sód umieścić przed pryzmatem, ujrzymy tylko jedną, żółtą linię. Jeżeli w ogólnym przypadku umieścić przed pryzmatem ciało promieniujące, to wysyłane przez nie światło ulega rozszczepieniu na składowe, dając widmo charakterystyczne dla danego ciała promieniującego.
       Wyładowanie elektryczne w rurce z gazem stanowi źródło światła często spotykane w rurkach neonowych używanych do reklam świetlnych. Przypuśćmy, że umieściliśmy taką rurkę przed spektroskopem. Spektroskop jest to przyrząd działający podobnie jak pryzmat, ale o wiele dokładniejszy i czulszy; rozkłada on światło na składowe, czyli analizuje je. Oglądane przez spektroskop światło słoneczne daje widmo ciągłe; zawarte są w nim wszystkie długości fali. Jeśli jednak źródłem światła jest gaz, przez który przepływa prąd elektryczny, widmo ma inny charakter. Zamiast ciągłego, wielobarwnego obrazu widma słonecznego pojawiają się na ciemnym tle jasne, pojedyncze prążki. Jeżeli prążki te są bardzo wąskie, to każdy z nich odpowiada określonej barwie, czyli – w języku teorii falowej – określonej długości fali. Jeśli na przykład widać w widmie dwadzieścia linii, każdą z nich można oznaczyć jedną z dwudziestu liczb wyrażających odpowiednie długości fali. Pary rozmaitych pierwiastków mają różne układy linii, a więc i różne kombinacje liczb oznaczających długości fal, z których składa się wysyłane widmo świetlne. Nie ma dwóch pierwiastków, które by w swym widmie charakterystycznym miały identyczny układ prążków, podobnie jak nie ma dwóch osób, które by miały dokładnie takie same odciski palców. W miarę wypełniania przez fizyków katalogu tych linii ujawniło się stopniowo istnienie pewnych praw, co pozwoliło zastąpić niektóre kolumny nie związanych z sobą na pozór liczb jednym prostym wzorem matematycznym.
       Wszystko, cośmy przed chwilą powiedzieli, można teraz przełożyć na język fotonów. Prążki odpowiadają pewnym określonym długościom fali, czyli innymi słowy fotonom o określonej energii. A więc świecące gazy nie wysyłają fotonów o wszelkich możliwych energiach, lecz tylko takie, które są charakterystyczne dla danej substancji. Znów rzeczywistość ogranicza bogactwo różnych możliwości.
       Atomy poszczególnych pierwiastków, na przykład wodoru, mogą wysyłać tylko fotony o określonych energiach. Dozwolone jest wysyłanie jedynie określonych kwantów energii, wszystkie inne są wzbronione. Wyobraźmy sobie dla uproszczenia, że pewien pierwiastek wysyła tylko jedną linię, to znaczy fotony o ściśle określonej energii. Przed wysłaniem kwantu atom jest bogatszy w energię, po wysłaniu – uboższy. Z zasady zachowania energii wynika, że poziom energetyczny atomu jest przed emisją wyższy, zaś po emisji niższy, oraz że różnica między obydwoma poziomami musi być równa energii wysłanego fotonu. Tak więc fakt, że atom pewnego pierwiastka wysyła promieniowanie o jednej tylko długości fali, to znaczy tylko fotony o określonej energii, można wyrazić inaczej: w atomie tego pierwiastka są dozwolone tylko dwa poziomy energetyczne, a wysłanie fotonu odpowiada przejściu atomu z wyższego poziomu energetycznego na niższy.
       W widmach pierwiastków występuje jednak z reguły więcej niż jedna linia. Wysłane fotony odpowiadają wielu energiom, a nie tylko jednej. Innymi słowy, musimy przyjąć, że w atomie istnieje wiele dozwolonych poziomów energetycznych i że wysłanie fotonu odpowiada przejściu atomu z wyższego poziomu energetycznego na niższy. Ważne jest jednak to, że nie można dopuścić wszelkich poziomów energetycznych, gdyż w widmie pierwiastka występują nie wszystkie długości fali, nie wszystkie energie fotonów. Zamiast mówić, że w skład widma pierwiastka wchodzą pewne określone linie, pewne określone długości fal, możemy powiedzieć, że każdy atom ma pewne określone poziomy energetyczne i że wysyłanie kwantów światła wiąże się z przejściem atomu z jednego poziomu energetycznego na drugi. Poziomy energetyczne z reguły nie są ciągłe, lecz nieciągłe. Widzimy znów, iż rzeczywistość nakłada ograniczenia na możliwości.
       Pierwszym, który wyjaśnił, dlaczego w widmach występują właśnie te, a nie inne linie, był Bohr. Jego teoria, sformułowana dwadzieścia pięć lat temu, kreśli obraz atomu, na podstawie którego można – przynajmniej w prostych przypadkach – wyliczyć widma pierwiastków, a nic na pozór nie mówiące i nie związane z sobą liczby stają się nagle w jej świetle uporządkowane i powiązane.
       Teoria Bohra stanowi krok pośredni ku głębszej i ogólniejszej teorii, zwanej mechaniką falową albo kwantową. Chcemy na zakończenie tej książki scharakteryzować zasadnicze idee tej teorii. Najpierw jednak musimy wspomnieć o jeszcze jednym wyniku teoretycznym i doświadczalnym o charakterze bardziej szczególnym.
       Nasze widmo widzialne zaczyna się od pewnej długości fali dla barwy fioletowej i kończy pewną długością fali dla barwy czerwonej. Innymi słowy, energie fotonów odpowiadających widmu widzialnemu zawarte są zawsze w granicach określonych przez energie fotonów dla światła fioletowego i czerwonego. Ograniczenie to jest oczywiście tylko właściwością oka ludzkiego. Jeśli różnica energii pewnych dwóch poziomów energetycznych jest dostatecznie duża, to wysłany zostanie foton ultrafioletowy, dając linię poza obrębem widma widzialnego. Linii tej nie można wykryć gołym okiem, trzeba się posłużyć kliszą fotograficzną.
       Również promienie Roentgena składają się z fotonów o energii znacznie większej niż dla światła widzialnego, czyli – innymi słowy – ich długości fal są znacznie mniejsze, tysiące razy mniejsze niż długości fal światła widzialnego.
       Ale czy tak małe długości fal można wyznaczyć doświadczalnie? Było to dość trudne już przy zwykłym świetle. Musieliśmy mieć maleńkie przeszkody lub maleńkie otworki. Dwa leżące bardzo blisko siebie małe otworki, wykazujące dyfrakcję zwykłego światła, musiałyby być wiele tysięcy razy mniejsze i bliższe siebie, aby wykazać dyfrakcję promieni Roentgena.
       W jaki sposób możemy więc mierzyć długości fali tych promieni? Z pomocą przychodzi nam sama przyroda.
       Kryształ jest to zbiorowisko atomów rozmieszczonych w bardzo małych odległościach od siebie, w doskonale prawidłowy sposób. Nasz rysunek przedstawia prosty model budowy kryształu.
Zamiast maleńkich otworków, mamy niezmiernie małe przeszkody utworzone przez atomy pierwiastka, ułożone bardzo blisko siebie w absolutnie doskonałym porządku. Odległości między atomami, obliczone z teorii budowy kryształów, są tak małe, że można się spodziewać, iż wykażą one dyfrakcję promieni Roentgena. Doświadczenie potwierdziło, że za pomocą tych gęsto stłoczonych przeszkód, rozmieszczonych regularnie w trójwymiarowej strukturze kryształu, można rzeczywiście wywoływać dyfrakcję promieni Roentgena.
       Przypuśćmy, że na kryształ pada wiązka promieni Roentgena, która po przejściu przez kryształ zostaje zarejestrowana na kliszy fotograficznej. Klisza wykaże wówczas obraz dyfrakcyjny. Do badania widm rentgenowskich, do określania długości fali na podstawie obrazu dyfrakcyjnego, stosowano różne metody.
       Gdybyśmy chcieli przytoczyć wszystkie szczegóły teoretyczne i doświadczalne, wówczas to, co powiedzieliśmy tu w kilku słowach, musiałoby wypełnić całe tomy. Na tablicy III podajemy tylko obraz dyfrakcyjny otrzymany jedną z wielu metod. Znów widzimy ciemne i jasne pierścienie, tak charakterystyczne dla teorii falowej. W środku widać promień, który nie uległ dyfrakcji. Gdyby między źródłem promieni Roentgena a kliszą nie było kryształu, widać by było tylko jasną plamę w środku. Z takich fotografii można obliczać długości fal rentgenowskich lub, jeśli znana jest długość fali, można wyciągać wnioski co do budowy kryształu.
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