Dziesięć najpiękniejszych eksperymentów z fizyki

Dziesięć najpiękniejszych eksperymentów z fizyki

1
Dziesięć najpiękniejszych
kniejszych eksperymentów z fizyki
Ten artykuł naleŜy
Ŝy dopracować
dopracowa zgodnie z zaleceniami edycyjnymi:
edycyjnymi
miejscami nieencyklopedyczny styl.
Dokładniejsze informacje o tym, co naleŜy
nale poprawić, być moŜe znajdują sięę na stronie dyskusji tego
artykułu.
Po wyeliminowaniu niedoskonałości
niedoskonało prosimy usunąć szablon {{Dopracować}}
ć}} z kodu tego
artykułu.
10 najpiękniejszych
kniejszych eksperymentów z fizyki (ang. The Prism and the Pendulum: The Ten
Most Beautiful Experiments in Science)
Sci
– ksiąŜka autorstwa historyka nauki Roberta P.
Crease wydana w 2003 roku. Została sporządzona
sporz dzona na podstawie ankiety przeprowadzonej
wśród fizyków z całego świata
wiata[1]. Prezentuje najsłynniejsze i najpiękniejsze
kniejsze eksperymenty z
fizyki:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1. Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu Ziemi
2. Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek swobodny ciał o róŜnej
róŜ masie
3. Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu ciał staczających
staczaj
się z
równi pochyłej
4. Eksperyment Newtona (lata 1665-1666) – rozszczepienie światła
wiatła za pomocą
pryzmatu
5. Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą
wagi skręceń
6. Doświadczenie
wiadczenie Younga (rok 1801) – interferencja światła
wiatła na dwóch szczelinach
7. Wahadło Foucaulta (rok 1851) – doświadczalne potwierdzenie ruchu obrotowego
Ziemi
8. Doświadczenie Millikana (rok 1909) – wyznaczenie ładunku elektronu za pomocą
spadającej w polu elektrycznym kropli oleju
9. Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra
dra atomowego
10. Doświadczenie Davissona i Germera (rok 1927) – dyfrakcja elektronów na
podwójnej szczelinie
Inne brane pod uwagę doświadczenia
świadczenia to:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
11. Eksperyment Archimedesa z hydrostatyki – wyporność ciała stałego przez ciecz
(III w. p.n.e.) – prawo Archimedesa
12. Obserwacje Rømera dotyczące prędkości światła (rok 1676)
13. Eksperymenty Joule'a z aparatem do pomiaru mechanicznego odpowiednika ciepła
(rok 1843) – zasada zachowania energii
14. Eksperyment Reynoldsa – przepływ cieczy przez rurkę (hydrodynamika
hydrodynamika,
podobieństwo
stwo dynamicznego przepływów płynów w przewodach rurowych, rok 1883)
15. Eksperymenty Macha i Salchera z akustyczną falą uderzeniowąą (rok 1886)
16. Pomiary Michelsona i Morleya wykazujące
ce brak wpływu ruchu orbitalnego Ziemi
na prędkość światła
wiatła (lata 1881, 1887) – szerszy opis w artykule: Doświadczenie
Doś
Michelsona-Morleya
17. Prace Röntgena nad wykryciem prądu przesuniecia,, którego istnienie przewidywał
juŜ w roku 1865 Maxwell
18. Odkrycie Ørsteda dotyczące
dotycz
elektromagnetyzmu (rok 1820)
19. Odkrycie Bragga – dyfrakcja promieni X na kryształkach soli
20. Pomiary Eddingtona dotyczące ugięcia światła gwiazd (rok 1919)
1919
2
•
•
•
•
•
•
21. Doświadczenie
wiadczenie Sterna-Gerlacha
Sterna
dotyczące
ce kwantyzacji momentu pędu
p
(rok 1922)
22. Kot Schrödingera (rok 1935) – słynny eksperyment myślowy Erwina Schrödingera
23. Eksperyment Trinity (lata 1942-1945) – pierwszy test jądrowej
drowej reakcji
łańcuchowej
24. Pomiary Wu dotyczące
dotyczą pogwałcenia naładowania równorzędnego
ędnego cząsteczek i
antycząsteczek
steczek atomowych (lata 1956-1957)
25. Badania Goldhabera nad skrętnością neutrino (rok 1957)
26. Eksperyment Feynmana z o-ringiem zanurzonym w wodzie – wyjaśniający
wyja
przyczynę katastrofy promu kosmicznego Challenger (rok 1986)
Spis treści
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1 Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu Ziemi
2 Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek
padek swobodny ciał o róŜnej masie
3 Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu ciał staczających
staczaj
się z równi
pochyłej
4 Eksperyment Newtona (lata 1665-1666)
1665
– rozszczepienie światła
wiatła za pomocą
pomoc
pryzmatu
5 Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą
pomoc
wagi skręceń
6 Doświadczenie
wiadczenie Younga (rok 1801) – interferencja światła
wiatła na dwóch szczelinach
7 Wahadło Foucaulta (rok 1851) – doświadczalne
wiadczalne potwierdzenie ruchu obrotowego
Ziemi
8 Doświadczenie
wiadczenie Millikana (rok 1909) – wyznaczenie ładunku elektronu za pomocą
pomoc
spadającej
cej w polu elektrycznym kropli oleju
9 Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra
dra atomowego
10 Doświadczenie
wiadczenie Davissona i Germera (rok 1927)
192 – dyfrakcja elektronów na
podwójnej szczelinie
11 Przypisy
12 Linki zewnętrzne
Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar
obwodu Ziemi
Wirująca Ziemia widziana z kosmosu
3
Eratostenes (znany takŜee pod nieskromnym imieniem β (Beta), poniewaŜ
poniewa sam sobie i
współczesnym udowodnił, Ŝe jest drugim pod względem
wzgl
zakresu i róŜnorodno
Ŝnorodności posiadanej
wiedzy i dokonań naukowcem tamtych czasów) dokonał niewiarygodnie (jak na rok 230
p.n.e.) dokładnych
okładnych pomiarów obwodu Ziemi. Ich wyniki przedstawił w dziele "O pomiarach
Ziemi", które nie przetrwało do naszych czasów. Część
Cz
obliczeńń dokonanych przez
Eratostenesa moŜna znaleźć
źć w pracach innych autorów (takich jak: Kleomedes,
Kleomedes Teon ze
Smyrny i Strabon).
Pomiar obwodu Ziemi;; oznaczenia: Siena – Syene, Alejandría – Aleksandria,
Aleksandria Luz solar –
promienie słoneczne, Trópico de Cáncer – Zwrotnik Raka, Ecuador – równik,
równik Norte – Biegun
Północny, Sur – Biegun Południowy.
Południowy
Eratostenes porównał długość cieni rzucanych w południe,, w czasie letniego przesilenia,
pomiędzy Syene (dzisiejszy Asuan w Egipcie nad Nilem) i Aleksandrią.. ZałoŜył
Zało przy tym, Ŝe
Słońce jest tak odległe, Ŝee promienie światła w obu miejscach są praktycznie równoległe. W
tym okresie promienie słoneczne w Syene oświetlały
o
dno głębokiej studni,
studni padały więc
pionowo (Słońce
ce było w zenicie), podczas gdy w tym samym czasie w Aleksandrii, leŜącej
le
według Erastotenesa na tym samym południku (co nie jest prawdą,, ale popełniany błąd
bł jest
niewielki), padały one pod kątem
kątem 7,2 stopnia (co stanowi 7,2/360 czyli 1/50 część
cz
kąta
pełnego).
Od podróŜników karawan wiedział takŜe,
tak Ŝe odległość pomiędzy
dzy tymi miastami wynosi ok.
5000 stadionów (tj. ok. 800 km, dokładna wartość długości
ci stadionu nie jest znana, ale
średnio
rednio antyczny stadion miał długość
długo ok. 185 m).
). Obwód Ziemi powinien być
by więc 50 razy
większy, czyli wynosić ok. 40 000 km.
Oczywiście, jak juŜ zostało to wspomniane wyŜej,
wy ej, były tu pewne niedokładności
niedokładno (rzeczywista
średnia wartość obwodu Ziemi wynosi dokładnie 40 041,455 km, a uwaŜa
uwaŜa się,
si Ŝe Erastostenes
podał ją w granicach od 39 690 km do 46 620 km), ale do dnia dzisiejszego uŜywa
u
się tej
metody do dokładnych pomiarów Ziemi.
4
Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek swobodny
ciał o róŜnej masie
Turyści obserwujący Galileusza zrzucającego kule z Krzywej WieŜyy w Pizie (fotomontaŜ
ilustrujący eksperyment)
Arystoteles twierdził, Ŝee ciało spada na ziemię
ziemi tym szybciej, im jest cięŜs
ęŜsze. AŜ do późnych
lat XVI wieku było to bardzo popularne mniemanie. MoŜe
Mo e nam to uzmysłowić,
uzmysłowi jak bardzo
zaniedbywano w okresie średniowiecza fizykę doświadczalną,, skoro nadal opierano
o
się na
błędnej
dnej w tym wypadku wiedzy staroŜytnych
staro
Greków (klasycyzm – powtarzana była teoria,
lecz bez empirycznej weryfikacji). Dopiero Galileusz przeciwstawił się temu twierdzeniu,
stawiającc na szali cały swój autorytet i stanowisko dziekana katedry matematyki na
Uniwersytecie w Pizie.
Animacja upuszczanych przez Galileusza kul.
5
Zrobił to w dość spektakularny sposób: zrzucał mianowicie kule o róŜnych
nych masach z Krzywej
WieŜy w Pizie i mierzył czas ich spadania. W tym samym czasie upuścił z wieŜy
wie 2 kule:
cięŜką kulę armatnią o wadze 80 kg i znacząco lŜejszą kulkę muszkietową
muszkietow o wadze 200 g.
Oba ciała (które miały podobną formę) dosięgnęły
ły ziemi w tym samym momencie.
Udowodnił więc, Ŝee czas ich opadania jest dokładnie taki sam (przy zaniedbaniu
nieznacznego w tym przypadku efektu wynikłego z oporu powietrza).
). Dowód ten stanowi
jedną z podwalin mechaniki klasycznej,
klasycznej, a historia ta stanowi jeden z elementów folkloru
naukowego. Pokazuje teŜ,
Ŝ, Ŝe w nauce wyniki eksperymentu są
s zawsze waŜniejsze
wa
niŜ
autorytet
nawet
najbardziej
uznawanego
i
powaŜanego
powaŜanego
człowieka.
PoniŜej na kolorowych tłach dopiski W. Salejdy, 2 XI 2011
Niektórzy mają i wyraŜają wątpliwości, co do tego, czy Galileusz udowodnił cokolwiek
zrzucając kule z wieŜy w Pizie. Zwróciła mi na to uwagę dr E. Pawelec z Uniwersytetu
Opolskiego, twierdząc, Ŝe je
est to rozpowszechnianie mitu.. Odbiciem tego jest równieŜ
głos
łos zaczerpnięty ze strony dyskusyjnej do tego wpisu w Wikipedii: Zgodnie z biografią
Galileusza: James Reston Jr. "Galileusz" wyd. Prószyński i S-ka.
S ka. Galileusz nigdy nie przeprowadził
eksperymentu z zrzucaniem kul z krzywej wieży. Rozważał tylko taką możliwość sam fakt nigdy nie
zaszedł.
Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu
ciał staczających
cych się z równi pochyłej
Strona z pracy Galileusza "O prawach spadania ciał".
Jakkolwiek prawdziwość eksperymentu ze spadającymi
spadaj cymi kulami z Krzywej WieŜy
Wie w Pizie (o
którym wzmianka pojawiła się po raz pierwszy w pracy jego ucznia Vincenzo Viviani)
Viviani jest
obecnie
becnie podawana przez niektórych uczonych i historyków w wątpliwość,
w
ść, to nikt nie wątpi
w
w
6
to, Ŝe Galileusz wykorzystał kule toczące
tocz
się w dół na równi pochyłej w celu badania ich
prędkości i przyspieszenia.
Jego równia składała się z blatu (o długość
długo 20 kubitów i szerokość połowy kubita, czyli ok. 6
m na 15 cm), który pośrodku
rodku miał precyzyjnie nacięty
naci ty rowek. Był on tak gładki, jak to tylko
było moŜliwe
liwe do wykonania. Galileusz pochylił blat tak, Ŝe utworzył
worzył on równię
równi pochyłą i
spuszczał z niego mosięŜne kule. Jednocześnie
Jednocze nie mierzył czas ich toczenia za pomocą
pomoc zegara
wodnego – duŜego
ego naczynia z wodą,
wod która wypływała przez cienką rurkę. Za kaŜdym
ka
razem
waŜył wodę, która wypłynęła
ęła
ła z naczynia i porównywał wyniki z przebytym przez
prze kulę
dystansem.
Równia pochyła
Arystoteles błędnie
dnie przypuszczał, Ŝe prędkość toczącej się kuli powinna być
by stała. Jeśli
podwoimy czas toczenia się,
ę, to kula powinna
powinn przebyć dwa razy dłuŜsząą drogę.
drog Galileusz za
pomocą tego eksperymentu obalił to twierdzenie. W rzeczywistości
rzeczywisto ci przy podwojeniu czasu
toczenia kula przebyła drogę cztery razy dłuŜszą.
dłu
. Droga ta jest wprost proporcjonalna do
kwadratu czasu. A powodem tego wszystkiego
wszystkiego jest przyspieszenie wnoszone przez
grawitację.
Oba eksperymenty (ze zrzucaniem kul z wieŜy
wie y i z toczeniem ich na równi pochyłej)
dowodziły tej samej w istocie rzeczy: spadające
spadaj
lub toczące się obiekty (toczenie się
si jest
wolniejszą wersją spadania tak długo, jak rozłoŜenie
rozło enie masy w obiekcie jest takie samo)
zwiększają prędkość niezaleŜnie
niezaleŜnie od ich masy. Było to jak na wiek XVII rewolucyjne
stwierdzenie.
7
Eksperyment Newtona (lata 1665-1666) – rozszczepienie
światła za pomocąą pryzmatu
Światło białe rozszczepione w pryzmacie w spektrum optyczne.
Spektrum światła białego
Światło białe,, które po przejściu
przejś
przez pryzmat rozszczepia się na róŜne
Ŝne kolory, moŜna z
powrotem złoŜyć (np. za pomocą
pomoc pryzmatu lub luster) w światło
wiatło białe. Na ten fakt zwrócił
uwagę po raz pierwszy Isaac Newton w swoich opublikowanych notatkach pt. On Colour (O
kolorach), które później
niej rozwinął
rozwin w większe dzieło pt. Optics (Optyka
Optyka). Praca ta była
zarzewiem gorących
cych dyskusji dotyczących
dotycz
natury światła,
wiatła, a nawet personalnych kłótni
kłótn i
niesnasek w świecie
wiecie naukowym tamtych czasów. Tym niemniej większo
większość z tych, którzy
widzieli na własne oczy rozszczepienie światła
wiatła (czy to na pryzmacie, czy teŜ
te w naturze, np.
tęczę) przyznaje, Ŝee jest to zjawisko nad wyraz piękne i malownicze.
Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej
grawitacji G za pomocą
pomoc wagi skręceń]
wag skręceńń zbudowaną
zbudowan
Rysunek sporządzony przez Cavendisha; przedstawia jego wagę
wewnątrz budynku.
8
Jedno z ramion (m) wagi, duŜa
Ŝa kula (W),
(
mała kulka (x)) oraz obudowanie izolujące
izoluj
(ABCDE).
MoŜe to być pewnym zaskoczeniem dla przeciętnego
przeci tnego człowieka, ale wartość
warto jednej z
fundamentalnych stałych naszego świata – stałej grawitacji G jest jedną
jedn z najgorzej
poznanych wartości
ci fizycznych. Z najnowszych badań
bada przeprowadzonych w roku 2000 przez
H. Gundlacha i Stephena M. Merkowitza z Uniwersytetu Waszyngtońskiego
Waszyngto
Waszyngtoń
w Seattle
-11
wynika, Ŝee wynosi ona 6,6742x10 Nm²/kg²(15) przy maksymalnym błędzie pomiaru
szacowanym na 0,0014% tej wartości
warto ("Physical Review Letters", t. 85, nr 14, 2000). Pomiary
te zwiększyły dokładność
ść znajomości
znajomo
stałej G o jeden rząd wielkości,
ści, czyli o jedną
jedn cyfrę
znaczącą na końcu
cu wyniku. Do tej pory opieraliśmy
opierali
się na wartości
ści wielkości
wielko
stałej G
zmierzonej w roku 1798 przez angielskiego uczonego Henry'ego Cavendisha.
Cavendisha Tym większy
musi być nasz podziw dla naukowca, który podał ją
j 200 lat temu tylko z dziesięciokrotnie
dziesi
mniejszą precyzją.
Trzy uniwersalne prawa ruchu i prawo powszechnego ciąŜenia sformułował inny angielski
uczony, Sir Isaac Newton w dziele Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
(Matematyczne
Matematyczne podstawy filozofii naturalnej,
naturalnej, bardziej znane dzisiaj jako Principia). Jako
pierwszy oszacował on takŜe
Ŝe stałą
stał G.
Cavendish sądził, Ŝee jest w stanie podać
poda ją z większą dokładnością niŜŜ Newton. Brakowało
mu "jedynie" odpowiedniego przyrządu,
przyrz
który mógłby dowieść,
ść Ŝe wszystkie ciała
przyciągają się wzajemnie niezaleŜnie
niezale
od grawitacji Ziemi.
Eksperymenty, które doprowadziły do wyznaczenia stałej G, a jednocześnie
jednocze
jednocześ
do zmierzenia
masy Ziemi, przeprowadzał on w latach 1797-98.
1797
UŜył przyrządu
du i oparł się
si na metodzie
opisanej przez swego rodaka, Johna Michella,
Michella, który niestety zmarł przed ukończeniem
uko
swoich
badań. Aparat zwany wagąą skręceń
skr
składał się on z cienkiej nici kwarcowej,
kwarcowej na której
zawieszony był lekki pręt.
ęt. Na końcach
ko
pręta zawieszone były małe kule.
kule Do nici było
przymocowane lusterko.. Aparat wykorzystywał fakt, Ŝee siła potrzebna do skręcenia
skr
nici jest
bardzo mała, a wiązka światła
wiatła padająca
padaj
i odbijająca się od lusterka i padająca
padaj
następnie na
skalę mogła precyzyjnie wyznaczyć
wyznaczy kąt skrętu.
9
Waga skręceń w kształcie słoja.
Cavendish umieścił następnie
pnie w pobliŜu
pobli małych kulek (na pręcie)
cie) symetrycznie dwie duŜe
du
kule ołowiane (o znanych masach, dokładnie po 350 funtów kaŜda)
da) i zmierzył kąt
k skrętu, o
jaki obrócił się pręt. Na podstawie
tawie tych pomiarów obliczył wartość
warto stałej G.
Potem eksperyment ten był znany takŜe
tak pod nazwą "waŜenie
enie Ziemi", poniewaŜ
poniewa znając
precyzyjnie stałą grawitacji G moŜna
mo
z prawa powszechnego ciąŜenia wyznaczyć
wyznaczy z równą
dokładnością masę Ziemi:
,
gdzie: g to przyspieszenie ziemskie,
ziemskie a Rz to długość promienia Ziemi.
Cavendish podał takŜe tę masę,
masę a niejako "z rozpędu" obliczył masy Słońca
ńca, Jowisza i innych
planet, których satelity były znane
zna w tamtych czasach. MoŜna
na je obliczyć ze wzoru, np. dla
masy Słońca:
,
gdzie: R to odległość Ziemi od Słońca,
Sło
F to działająca siła między
dzy tymi ciałami.
Jako ciekawostkę moŜna
na podać,
podać Ŝe (korzystając z najnowszych obliczeńń stałej G) masa Ziemi
24
wynosi 5,9722450 × 10 kg (która to wartość
warto róŜni się tylko o 1 % od wartości
warto obliczonej
przez Cavendisha), zaś Słońca
ńca 1,9884350 × 1030 kg.
Waga skręceń, zwana takŜe
Ŝe wagą
wag Cavendisha, mimo upływu lat nie zmieniła znacząco
znacz
swojego wyglądu
du i budowy i nadal chętnie
ch tnie jest wykorzystywana w laboratoriach i uczelniach
10
całego świata
wiata do wyznaczania stałej grawitacji G.
Doświadczenie
wiadczenie Younga (rok 1801) – interferencja
ferencja światła
na dwóch szczelinach
Osobny artykuł: doświadczenie
doś
Younga.
Thomas Young wykonał eksperyment, który miał rozstrzygnąć
rozstrzygn trwający
ący od niemal 200 lat
spór o to, czy światło
wiatło jest strumieniem cząstek,
cz stek, tak jak twierdził to Newton, czy falą.
fal Young
rozumował w następujący
cy sposób: zjawiskiem które zachodzi dla fali, a nie zachodzi dla
d
strumienia cząstek
stek jest interferencja. Gdy przepuścimy
przepu
światło poprzez dwa pobliskie otwory
w przesłonie i rzucimy na ekran moŜemy
mo
na nim zaobserwować charakterystyczne prąŜki,
pr
które nie wystąpiłyby,
piłyby, gdyby światło
ś
nie było falą.. Eksperyment ten potwierdza więc
wi falową
naturę światła. PoniŜszy
szy rysunek w poglądowy
pogl
sposób wyjaśnia
nia zaobserwowane zjawiska.
Doświadczenie
wiadczenie Younga; oznaczenia:lewy rysunek: Sunlight – promienie słoneczne, Narrow
slits – wąskie
skie szczeliny, Observing screen – ekran do obserwacji, Pattern observed on screen
– wzory obserwowane na ekranie; rysunki po prawej: Right/Left/Both slit(s) open
op – otwarta
prawa/lewa/obie szczelina(y), observed – zaobserwowane zjawisko, wave theory – wg teorii
falowej, particle theory – wg teorii cząsteczkowej
cz
11
Wahadło Foucaulta (rok 1851) –
potwierdzenie ruchu obrotowego Ziemi
Osobny artykuł: Wahadło Foucaulta.
Foucaulta
Wahadło Foucaulta w Instytucie Franklina w Filadelfii
Hipotetyczne wahadło Foucaulta umieszczone na Biegunie Północnym
Animacja ruchu wahadła na półkuli południowej
doś
doświadczalne
12
Ruch wahadła Foucaulta (dzięki ogromnym rozmiarom, duŜej
du ej masie obciąŜnika
obciąŜ
i specjalnemu
zawieszeniu tylko w jednym punkcie) jest długotrwały i praktycznie niezaleŜny
niezale
od ruchu
obrotowego Ziemi.. Dla wahadła zawieszonego
za
nad biegunem,, Ziemia niejako "ucieka" spod
niego i przy kaŜdym następnym
ępnym wahnięciu
wahni
wahadło nie powraca do tego samego punktu, ale
nieco dalej. PoniewaŜ w ciągu
ągu ok. 24 godzin punkty te zakreślają
zakre
okrąg,
ąg, a ruch odbywa się
si
zawsze tylko w jednym kierunku, jest to dowodem na obrót Ziemi wokół własnej osi. Poza
biegunami jest podobnie, ale okres "obrotu"
"o
wahadła jest dłuŜszy
szy (w szczególności
szczególno
na
równiku płaszczyzna drgańń nie zmienia połoŜenia
poło
względem
dem powierzchni Ziemi). Wynalazca
Jean Bernard Léon Foucault,, zademonstrował je po raz pierwszy w 1851 w Panteonie w
ParyŜu, gdzie do dzisiaj moŜemy
Ŝemy je podziwiać.
podziwia
O tym, Ŝee Ziemia cały czas się
si obraca moŜemy przekonać się takŜe
Ŝe w Polsce. Wahadło
Foucaulta posiadają m.in. Instytut
Inst
Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu
(długość ramienia: 16 m,, masa obciąŜnika: 29 kg)) oraz Wydział Fizyki Uniwersytetu im.
Adama Mickiewicza w Poznaniu.
Poznaniu Od września 2005 doświadczenie
wiadczenie to moŜna
mo
obserwować
takŜe w wieŜy Zamku KsiąŜą
ąŜąt Pomorskich w Szczecinie,, gdzie znajduje się
si najcięŜszy w
Polsce obciąŜnik waŜący
cy 76 kg (długość
(długo ramienia: 28,5 m). Od 25 stycznia 2005 roku
wahadło takie znajduje się równieŜ
równie na Dziedzińcu
cu Południowym Gmachu Głównego
Politechniki Gdańskiej (ramię o długości
ci 26 metrów, masa 64 kilogramów). RównieŜ
Równie
Frombork ma swoje wahadło – w WieŜy Radziejowskiego, będącej
ącej częścią
cz
zespołu
katedralnego, gdzie Mikołaj Kopernik napisał "De revolutionibus..."" Nieco mniejsze, ale
równieŜ efektowne wahadło posiada Politechnika Częstochowska.
Cz stochowska. Wahadło o najdłuŜszym
najdłu
ramieniu w Polsce
olsce znajduje się w Krakowie, w Kościele pw. Świętych
tych Apostołów
Apostoł
Piotra i
Pawła (długość: 46,5 m; masa:
masa 25 kg; 15-minutowe pokazy odbywają sięę w kaŜdy
ka
czwartek o
godzinie
1000,
1100
i
1200).
Doświadczenie
wiadczenie Millikana (rok 1909) – wyznaczenie
wyznaczen
ładunku elektronu za pomocą
pomoc
spadającej
ącej w polu
elektrycznym kropli oleju
Stanowisko Millikana słuŜące
Ŝące do wyznaczania ładunku elektronu.
Osobny artykuł: Eksperyment Millikana.
Millikana
Fizyk amerykański Robert Millikan w roku 1910 przeprowadził doświadczenie,
wiadczenie, w którym
wykazał stałość ładunku elektronu i wyznaczył jego wartość. UŜył
ył do tego rozpylonych
kropel oleju,, które spadały swobodnie w polu elektrycznym. Dokonującc wielu powtórzeń
powtórze
13
swojego eksperymentu stwierdził, Ŝe ładunek elektryczny elektronu moŜe
Ŝe osiągnąć
osi
tylko
ustalone stałe wartości.
ci. Opracowując
Opracowuj wyniki otrzymane z własnego doświadczenia
świadczenia stwierdził
więc kwantyzację ładunku kropli. Ładunki te były wielokrotnościami
wielokrotno ciami podstawowej wartości
w
pojedynczego ładunku elektrycznego elektronu:
elektronu
q = ne
gdzie n = 1,2,3,..., q – całkowity ładunek, e – wartość bezwzględna
dna ładunku elektronu
el
równa
1,6·10-19C.
Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra
j
atomowego
Model atomu wg koncepcji Thomsona: model ciasta z rodzynkami – ładunki ujemne
(elektrony) porozrzucane równomiernie w duŜej
du ej strukturze ładunku dodatniego.
W roku 1897 fizyk angielski, profesor Uniwersytetu Cambridge, noblista sir Joseph John
Thomson odkrył elektron.. Odkrycie ujemnie naładowanego elektronu, który moŜna
mo
oderwać
od atomu, zachwiało poglądami
ądami na temat budowy atomu – wcześniej
niej uwaŜano,
uwaŜ
Ŝe atomy to
niepodzielne kulki bez struktury wewnętrznej.
wewn trznej. Skoro elektron ma ładunek ujemny, to reszta
musi mieć ładunek dodatni. Ilości
Ilo tych ładunków równowaŜą się tak, Ŝe atom
a
w całości ma
ładunek obojętny. Kwestiąą sporną
sporn było jak to jest rozłoŜone
one w przestrzeni atomu. Koncepcji,
jak zawsze w takim przypadku, pojawiło się
si sporo, ale w końcu przewaŜyła
Ŝyła hipoteza samego
Thomsona, zwana modelem ciasta z rodzynkami.
rodzynkami Głosiła ona, Ŝee dodatnio naładowany
ładunek rozłoŜony
ony jest w całej objętości
obj
atomu a elektrony tkwią w nim punktowo tak, jak
rodzynki w cieście.
cie. Teoria ta wydawała się
si najbardziej mechanicznie stabilnym i
wiarygodnym opisem materii. A poza tym najbardziej przystawała do "zdroworozsądkowej"
"zdroworozs
obserwacji tzw. zwykłego człowieka, Ŝee materia jest w gruncie rzeczy ciągła
ci
i spoista.
Odkrycie promieniowania znanego obecnie jako promieniowanie jądrowe,
j
m.in.
promieniowania alfa,, wprowadziło kolejną
kolejn nierozwiązaną kwestię:: jak to się
si dzieje, Ŝe
niektóre atomy emitują inne atomy. W maju roku 1909 miało się
si jednak okazać,
okaza Ŝe nie
wszystko, co na pierwszy rzut oka uwaŜamy
uwa
za oczywistość, jest nią w istocie.
Hipotezę Thomsona miał podwaŜyć
podwa
nie kto inny, ale jego dawny zdolny uczeń
ucze i następca na
katedrze fizyki, sir Ernest Rutherford.
Rutherford. Gburowaty, porywczy (miał silne przekonanie,
"poparte" praktyką, Ŝee nic tak nie wspomaga eksperymentów fizycznych jak częste
cz
14
obrzucanie ich wiązką przekleństw)
przekle
z wielkim sumiastym wąsem
sem Nowozelandczyk był
pierwszym cudzoziemskim studentem na katedrze im. Cavendisha i pierwszym
cudzoziemcem, który objął
ął tę katedrę.. Jednak to nie on sam przeprowadzał eksperyment
zwany teraz jego imieniem,
eniem, lecz jego staŜysta
sta
Hans Geiger (ten sam, którego nazwisko
znalazło się w nazwie licznika Geigera)
Geigera i student Ernest Marsden (późniejszy
źniejszy znany fizyk
nowozelandzki).
Eksperyment
Rutherforda.
Górny rysunek: według teorii Thomsona cząstki
cz stki alfa swobodnie pokonują
pokonuj wnętrze atomu.
Dolny rysunek: obserwowany rezultat eksperymentu: niewielka część
część cząstek
czą
jest odbijana
ukazującc mały skoncentrowany w niewielkiej przestrzeni ładunek dodatni
Eksperyment polegał na bombardowaniu
bardowaniu bardzo cienkiej złotej folii promieniowaniem alfa i
obserwacji charakteru rozkładu kątowego
k
przechodzących
cych przez nią cząstek
cz
alfa, co
pozwoliłoby określić strukturę budowy atomu. JuŜ wówczas wiedziano, Ŝe
Ŝ promieniowanie
alfa to po prostu atomy helu pozbawione elektronów, w tym eksperymencie uzyskiwane z
radioaktywnego radonu.. Przyrząd
Przyrz
do badania zjawiska zawierał źródło
ódło tych cząstek
cz
w
ołowianym pojemniku z niewielkim otworem skierowanym na złotą
złot folię. Podczas
eksperymentu detektor scyntylacyjny umieszczano pod róŜnymi
ró
kątami
ątami do pierwotnego
kierunku promieni alfa. Detektorem tym był ekran pokryty siarczkiem cynku. Obserwacja
ekranu przez lupę umoŜliwiała
liwiała zobaczenie błysków, gdy cząstka
cz stka alfa trafiała w scyntylator.
Idea była prosta: cząstka
stka alfa leci w kierunku złotej folii, przechodzącc przez atom, oddziałuje
z elektronami które nieznacznie zmieniają
zmieniaj kierunek jej biegu, następnie
pnie uderza ona w ekran,
który w tym miejscu na moment rozbłyska. Eksperymentatorzy wyznaczają
wyznaczaj zaleŜność liczby
cząstek od kąta
ta rozpraszania, uzyskując
uzyskuj w ten sposób informacjęę o nierównomierności
nierównomierno
rozkładu ładunku w atomie, w tym i o liczbie elektronów w atomie.
15
Według teorii Thomsona cząstki
ąstki te powinny przejść
przej przez złotą folię jak "przez masło". Ku
zaskoczeniu eksperymentatorów okazało się
si jednak, Ŝe 1 cząstka
ąstka na około 8000
wystrzelonych odbija się od złotej folii. Rutherford zareagował na tę
tę wiadomość
wiadomo słynnym
zdaniem: "To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim Ŝyciu. To tak, jakby
pocisk artyleryjski
jski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się
si od niej i
powrócił do strzelającego”.
Rutherford, pomysłodawca tego eksperymentu, przystąpił
przyst pił teraz do rozwiązania
rozwią
zagadki. A
zajęło mu to aŜ 18 miesięcy,
ęcy, poniewaŜ
poniewa chciał, by zaproponowana hipoteza
ipoteza była moŜliwie
mo
kompletna i wiarygodna. Dopiero na początku
pocz
1911 roku opublikował rozwiązanie
rozwi
problemu.
Atom w ogromnej większoś
kszości jest pusty. W środku
rodku atomu jest duŜe (w proporcji do
rozmiarów elektronów) jądro,
ądro, a w ogromnej odległości
odległo ci (w stosunku do wielkości
wielko jądra), po
ściśle określonych
lonych orbitach, krąŜą
kr
niewielkie elektrony. Tylko w ten sposób moŜna
mo
wytłumaczyć występujące
ce te rzadkie odbicia masywnej cząstki
cz stki alfa: odbijała się
si ona tylko w
przypadku trafienia w jądro
dro atomu złota.
Od razu nasuwała się analogia pomiędzy
pomi
budową atomu i budową Układu Słonecznego.
Słonecznego Inna
jest tylko skala zjawiska. Stąd
Stą pochodzi nazwa koncepcji Rutherforda: budowa planetarna
atomu.
Ciągłość materii to złuda. Jądro
ądro zajmuje mniej niŜ
ni jedną bilionową część
ęść objętości
obj
atomu. To
siły elektryczne działające
ce między
mię
atomami utrzymują względną spoistość
ść materii.
Tak skończyła się epoka fizyki
fizy klasycznej, a zaczęła się era fizyki jądrowej.
ądrowej. Model atomu
zaproponowany przez Rutherforda stanowił waŜny
wa ny krok w poznaniu budowy atomu i stanowił
punkt wyjścia
cia do skonstruowania współczesnego modelu atomu (zobacz: atom, mechanika
kwantowa).
Doświadczenie
wiadczenie Davissona i Germera (rok 1927) –
dyfrakcja elektronów na podwójnej szczelinie
Budowa współczesnego przyrządu
przyrządu do badania dyfrakcji elektronów posiadających
posiadaj
małą
energię (oznaczenia: Cathode – katoda, Grid – siatka, Sample – badana próbka, Phosphor
Screen – ekran pokryty fosforem
sforem, Concentric Grids – koncentryczne siatki)
16
W 1909 r. Albert Einstein w jednym ze swoich artykułów snuł rozwaŜania nad kwantową
teorią światła. Wielki fizyk zastanawiał się dlaczego światło składające się przecieŜ z cząstek
zachowuje się jednocześnie jak typowa fala ze wszystkimi charakterystycznymi dla niej
cechami (takimi jak interferencja, dyfrakcja i inne).
Dociekania te "natchnęły" młodego francuskiego arystokratę, księcia Louisa Victora de
Broglie'a, który w roku 1924 w swojej pracy doktorskiej zaproponował, aby ten dziwny
podwójny charakter światła uznać za fundamentalną własność przyrody. Teorię tę moŜna
więc wykorzystać takŜe do rozwaŜań nad zachowaniem innych cząstek, takich jak np.
elektron. Jeśli fale mogą być jednocześnie cząstkami, to symetrycznie rzecz biorąc, cząstki
mogą być falami. De Broglie poszedł dalej i przedstawił takŜe równanie opisujące zaleŜność
między energią cząstek a długością ich fali.
Były to jednak tylko dociekania teoretyczne. Brakowało doświadczenia, które potwierdziłoby
te hipotezy w praktyce.
Takie doświadczenie wykonali dopiero w 1927 dwaj amerykańscy naukowcy, Clinton
Davisson i Lester Germer, którzy w owym czasie pracowali w słynnym Laboratorium Bella i
zajmowali się badaniem lamp próŜniowych. Praca ich polegała m.in. na badaniu zachowania
się powierzchni metalowych pokrytych róŜnymi tlenkami poddanych bombardowaniu
strumieniem wolno poruszających się elektronów.
W jednym z tych eksperymentów naukowcy kierowali wiązkę elektronów w kierunku
kryształu niklu (próbka miała formę małej tarczy) w wyniku czego następowała wtórna
emisja elektronów z tego kryształu. Tarcza umieszczona była w specjalnie skonstruowanym
urządzeniu do badania emisji, które otoczone było ekranem. Kolektor ten zbudowany był z
płytki metalowej, której zadaniem było zbieranie padających na nią elektronów i pozwalał na
ocenę charakteru ich rozkładu. Ekran był ruchomy i moŜna nim było obracać wokół próbki.
Czasami w eksperymentach naukowych duŜą rolę odgrywa przypadek. Tak było i tym razem.
PoniewaŜ w czasie doświadczeń doszło do utlenienia jednej z tarczek niklu naukowcy
podgrzali ją ,aby usunąć powstały na jej powierzchni tlenek. Po wznowieniu eksperymentów
okazało się jednak, Ŝe ich wyniki są róŜne od poprzednich. Podgrzanie tarczy zmieniło
właściwości materiału. Powstał jeden duŜy monokryształ niklu. Doświadczenie wykazało, Ŝe
chociaŜ tak, jak przedtem elektrony dalej były emitowane w róŜnych kierunkach i pod
róŜnymi kątami, to jednak dla niektórych z tych kątów emisja była wyraźnie większa.
Germera, pracującego pod kierunkiem Davissona, zastanowił rozkład elektronów powstały
przy odbiciu od kryształów niklu. Uzyskany obraz zdawał się dziwnie podobny do wzorów
interferencyjnych. Davisson o koncepcji de Broglie'a usłyszał w 1926 będąc na sympozjum w
Anglii. Natychmiast skojarzył oba te fakty i po powrocie do USA gorączkowo zabrał się za
analizowanie zgromadzonych do tej pory danych z badań. Po uwaŜnej analizie doszedł on do
wniosku, Ŝe wiązka elektronów była rozpraszana na powierzchni atomów niklu pod dokładnie
takim samym kątem, który był przewidziany dla dyfrakcji promieni X zgodnie z równaniem
Bragga, dla długości fali otrzymywanej z równania de Broglie'a.
17
Rozpraszanie elektronów na siatce krystalicznej (screen – ekran).
Okazało się więc, Ŝee wyniki badań
bada doskonale potwierdzają teorię
teori de Broglie'a.
Zaobserwowany przez Germera rozkład odbić
odbi elektronów to obraz interferencyjny powstały
na skutek dyfrakcji fal płaskich. Elektrony zachowują się więcc tak jak fale, a ich długość
długo
zaleŜy od energii. Był to więc
ęc pierwszy "namacalny" dowód na falową
falow naturę
natur cząstek.
Dla celów dydaktycznych fizycy
fizy często wykorzystują eksperyment myślowy,
myś
w którym
doświadczenie Younga z dyfrakcją
dyfrakcj fali na podwójnej szczelinie przenoszą w mikroświat na
poziomie kwantowym, w którym wiązkę
wi
światła zastępujemy wiązką elektronów. Zgodnie z
prawami mechaniki kwantowej,
kwantowej strumień cząstek
stek powinien ulec podziałowi na dwie wiązki
wi
i
słabsze strumieniee powinny interferować
interferowa kaŜdy z kaŜdym, tworzącc taki sam wzór (złoŜony
(zło
z
jasnych i ciemnych kręgów)
gów) jaki byłby utworzony przez światło
wiatło w makroświecie.
makro
Cząstki
powinny zachowywać się jak fale.
Pośpiesznie
piesznie przygotowany i opublikowany artykuł wyprzedził wyniki podobnych badań,
przeprowadzane w tym samym czasie w Laboratorium im. Cavendisha w Szkocji (Wielka
(
Brytania) przez George'a Pageta Thomsona (syna sławnego Josepha Johna Thomsona),
Thomsona
podczas których moŜna
na było zaobserwować
zaobserwowa zjawisko dyfrakcji przy bombardowaniu cienkiej
cienkie
folii strumieniem posiadających
ących duŜą
du energię elektronów. Po przejściu
ściu przez folię
foli wiązka
elektronów tworzyła na ekranie koncentryczne kręgi,
kr gi, przypominające
przypominają
bardzo wzory
powstające przy naświetlaniu
wietlaniu promieniami X powierzchni pokrytej proszkiem drobno
zmielonych
lonych polikryształów (wynikiem tego typu dyfrakcji, powodowanym przez wiele
przypadkowo skierowanych ziaren kryształu, są
s koncentrycznie połoŜone
połoŜ
okręgi). Przy
zmianie długości
ci fali (przez zmianę
zmian energii elektronów), Thomson obserwował
proporcjonalną zmianę średnicy pierścieni.
pier cieni. Podobnie jak dla obrazów dyfrakcyjnych
powstających
cych w sieciach krystalicznych, długość
długo fali moŜna obliczyćć z równania Bragga
znając odległość między
dzy warstwami kryształu.
Eksperymenty te dowiodły, Ŝe fale de Broglie'a nie są tylko teoretycznymi koncepcjami, ale
moŜna je takŜee zaobserwować w praktyce. Wkład Thomsona w empiryczne badania fali
elektronów został równieŜŜ doceniony i w 1937 roku wspólnie Davissonem otrzymał
ot
Nagrodę
Nobla.
18
Koncepcja ogólna na podstawie artykułów Marcina Górki: Cuda fizyki tylko u nas i Dziesięć najpiękniejszych
eksperymentów z fizyki (Gazeta Wyborcza Szczecin z dn. 2.1.2006)
Przypisy
1. ↑ Robert P. Crease "The most beautiful experiment", 1 września 2002 – artykuł w
języku angielskim
Linki zewnętrzne
•
•
Science's 10 Most Beautiful Experiments – artykuły (w języku angielskim i rosyjskim)
i animacje komputerowe w obrazowy sposób przedstawiające doświadczenia fizyczne
Robert P. Crease "The most beautiful experiment" – artykuł w języku angielskim
Kategoria:
•
Eksperymenty fizyczne