Dziesięć najpiękniejszych eksperymentów z fizyki

Z Wikipedii

Logo Światowego Roku Fizyki

10 najpiękniejszych eksperymentów z fizyki – lista eksperymentów ogłoszona w roku 2005 (Światowym Roku Fizyki) przez filozofa, historyka i naukowca Roberta P. Crease (z Uniwersytetu Stanowego w Nowym Jorku). Lista została sporządzona na podstawie ankiety przeprowadzonej wśród fizyków z całego świata. Zawiera najsłynniejsze i najpiękniejsze eksperymenty z fizyki. Oto one ułożone w porządku chronologicznym:

• 1. Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu Ziemi
• 2. Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek swobodny ciał o różnej masie
• 3. Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu ciał staczających się z równi pochyłej
• 4. Eksperyment Newtona (lata 1665-1666) – rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu
• 5. Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą wagi skręceń
• 6. Doświadczenie Younga (rok 1801) – interferencja światła na dwóch szczelinach
• 7. Wahadło Foucaulta (rok 1851) – doświadczalny dowód na ruch obrotowy Ziemi
• 8. Doświadczenie Millikana (rok 1910) – wyznaczenie ładunku elektronu za pomocą spadającej w polu elektrycznym kropli oleju
• 9. Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra atomowego
• 10. Doświadczenie Davissona i Germera (rok 1927) – dyfrakcja elektronów na podwójnej szczelinie

Inne brane pod uwagę doświadczenia to:

• 11. Eksperyment Archimedesa z hydrostatyki – wyporność ciała stałego przez ciecz (III w. p.n.e.) – prawo Archimedesa
• 12. Obserwacje Romera 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, podobieństwo dynamicznego przepływów płynów w przewodach rurowych, rok 1883)
• 15. Eksperymenty Macha i Salchera z akustyczną falą uderzeniową (rok 1886)
• 16. Pomiary Michelsona i Morleya wykazujące brak wpływu ruchu orbitalnego Ziemi na prędkość światła (lata 1881, 1887) – szerszy opis w artykule: Doświadczenie Michelsona-Morleya
• 17. Prace Röntgena nad wykryciem prądu przesuniecia, którego istnienie przewidywał już w roku 1865 Maxwell
• 18. Odkrycie Ørsteda dotyczące elektromagnetyzmu (rok 1820)
• 19. Odkrycie Bragga – dyfrakcja promieni X na kryształkach soli
• 20. Pomiary Eddingtona dotyczące ugięcia światła gwiazd (rok 1919)
• 21. Demonstracja Sterna i Gerlacha dotycząca kwantyzacji przestrzeni (rok 1922)
• 22. Kot Schrödingera (rok 1935) – słynny eksperyment logiczny Erwina Schrödingera
• 23. Eksperyment Trinity (lata 1942-1945) – pierwszy test jądrowej reakcji łańcuchowej
• 24. Pomiary Wu dotyczące pogwałcenia naładowania równorzędnego cząsteczek i antycząsteczek atomowych (lata 1956-1957)
• 25. Badania Goldhabera nad skrętnością neutrino (rok 1957)
• 26. Eksperyment Feynmana z o-ringiem zanurzonym w wodzie – wyjaśniający przyczynę katastrofy promu kosmicznego Challenger (wahadłowiec) (rok 1986)

[edytuj] Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu Ziemi

Wirująca Ziemia widziana z kosmosu

Eratostenes (znany także pod nieskromnym imieniem β (Beta), ponieważ sam sobie i współczesnym udowodnił, że jest drugim pod względem zakresu i różnorodności posiadanej wiedzy i dokonań naukowcem tamtych czasów) dokonał niewiarygodnie (jak na rok 230 p.n.e.) dokładnych pomiarów obwodu Ziemi. Pomiary te przedstawił w dziele "O pomiarach Ziemi", która to księga nie przetrwała niestety do naszych czasów ale na szczęście część tych obliczeń można znaleźć w pracach innych autorów (takich jak: Kleomedes, Teon ze Smyrny i Strabon).

Eratostenes porównał długość cieni rzucanych w południe, w czasie letniego przesilenia, pomiędzy Syene (dzisiejszy Asuan w Egipcie nad Nilem) i Aleksandrią. Założył przy tym, że Słońce jest tak odległe, że jego promienie w obu miejscach są praktycznie równoległe. W tym okresie promienie słoneczne w Syene oświetlały dno głębokiej studni, padały więc pionowo (Słońce było w zenicie), podczas gdy w tym samym czasie w Aleksandrii (leżącej według Erastotenesa na tym samym południku, co nie jest tak do końca prawdziwe, ale wnosi tylko niewielki błąd) padały one pod kątem 7,2 stopnia kątowego (co stanowi 7,2/360 część stopnia a więc 1/50 część kąta pełnego).

Pomiar obwodu Ziemi; oznaczenia: Siena – Syene, Alejandria – Aleksandria, Luz solar – promienie słoneczne, Tropico de Cancer – Zwrotnik Raka, Ecuador – równik, Norte – Biegun Północny, Sue – Biegun Południowy

Od podróżników karawan wiedział także, że odległość pomiędzy tymi miastami wynosi ok. 5 000 stadionów (t.j. ok. 800 km, dokładna wartość długości stadionu nie jest znana ale średnio antyczny stadion miał długość ok. 185 m). Obwód Ziemi powinien być więc 50 razy większy, czyli wynosić ok. 40 000 km.

Oczywiście, jak już zostało to wspomniane wyżej, były tu pewne niedokładności (rzeczywista średnia wartość obwodu Ziemi wynosi dokładnie 40 041,455 km, a uważa się, że Erastostenes podał ją w granicach od 39 690 km do 46 620 km), ale do dnia dzisiejszego używa się tej metody do dokładnych pomiarów Ziemi.

[edytuj] Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek swobodny ciał o różnej masie

Turyści obserwujący Galileusza zrzucającego kule z krzywej wieży w Pizie (fotomontaż ilustrujący eksperyment)

Arystoteles twierdził, że ciało spada na ziemię tym szybciej im jest cięższe. Było to bardzo popularne mniemanie aż do późnych lat XVI wieku. Może nam to uzmysłowić jak nisko upadła nauka w Średniowieczu, że nadal opierano się na błędnej w tym wypadku wiedzy starożytnych Greków. Dopiero Galileusz przeciwstawił się temu twierdzeniu, stawiając na szali cały swój autorytet i stanowisko dziekana katedry matematyki na Uniwersytecie w Pizie.

Zrobił to w dość spektakularny sposób: zrzucał mianowicie kule o różnych masach z Krzywej Wieży w Pizie i mierzył czas ich spadania. W tym samym czasie upuścił z wieży 2 kule: ciężką kulę armatnią o wadze 80 kg i znacząco lżejszą kulkę muszkietową o wadze 200 g. Oba ciała miały podobną formę i dosięgły ziemi w tym samym momencie.

Udowodnił więc, że czas ich opadania jest dokładnie taki sam (przy zaniedbaniu nieznacznego w tym przypadku efektu wynikłego z tarcia powietrza). Dowód ten stanowi jedną z podwalin mechaniki klasycznej, a historia ta stanowi jeden z elementów folkloru naukowego. Pokazuje też, że w nauce wyniki eksperymentu są zawsze ważniejsze niż autorytet nawet najbardziej uznawanego i poważanego człowieka.

[edytuj] Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu ciał staczających się z równi pochyłej

Równia pochyła

Jakkolwiek prawdziwość eksperymentu ze spadającymi kulami z Krzywej Wieży w Pizie (o którym wzmianka pojawiła się po raz pierwszy w pracy jego ucznia Vincenzo Viviani) jest obecnie podawana przez niektórych uczonych i historyków w wątpliwość, to nikt nie wątpi w to, że Galileusz wykorzystał kule toczące się w dół na równi pochyłej w celu badania ich prędkości i przyspieszenia.

Strona z pracy Galileusza "O prawach spadania ciał"

Jego równia składała się z blatu (o długość 20 kubitów i szerokość połowy kubita, czyli ok. 6 m na 15 cm), który pośrodku miał precyzyjnie nacięty rowek. Był on tak gładki, jak to tylko było możliwe do wykonania. Galileusz pochylił blat (tak, że utworzył on równię pochyłą) i spuszczał z niego mosiężne kule. Jednocześnie mierzył czas ich toczenia za pomocą zegara wodnego, dużego naczynia z wodą, która wypływała przez cienką rurkę. Za każdym razem ważył on wodę, która wypłynęła z naczynia i porównywał wyniki z przebytym przez kulę dystansem.

Arystoteles błędnie przypuszczał, że prędkość toczącej się kuli powinna być stała. Jeśli podwoimy czas toczenia się to kula powinna przebyć dwa razy dłuższą drogę. Galileusz, za pomocą tego eksperymentu, obalił to twierdzenie. W rzeczywistości przy podwojeniu czasu toczenia kula przebyła drogę cztery razy dłuższą. Droga ta jest wprost proporcjonalna do kwadratu czasu. A powodem tego wszystkiego jest przyspieszenie wnoszone przez grawitację.

Oba eksperymenty (ze zrzucaniem kul z wieży i z toczeniem ich na równi pochyłej) dowodziły tej samej w istocie rzeczy: spadające lub toczące się obiekty (toczenie się jest wolniejszą wersją spadania, tak długo jak rozłożenie masy w obiekcie jest takie same) zwiększają prędkość niezależnie od ich masy. Było to rewolucyjne (jak na wiek XVII) stwierdzenie.

[edytuj] Eksperyment Newtona (lata 1665-1666) – rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu

Światło białe rozszczepione w pryzmacie w spektrum optyczne.

Spektrum światła białego

Światło białe, które po przejściu przez pryzmat rozszczepia się na różne kolory, można z powrotem złożyć (np. za pomocą luster) w światło białe. Na ten fakt zwrócił uwagę po raz pierwszy Isaac Newton w swoich opublikowanych notatkach pt. On Colour (O kolorach), które później rozwinął w większe dzieło pt. Optics (Optyka). Praca ta była zarzewiem gorących dyskusji (a nawet personalnych kłótni i niesnasek), w świecie naukowym tamtych czasów, dotyczących natury światła. Tym niemniej każdy kto widział na własne oczy rozszczepienie światła (czy to na pryzmacie, czy też w naturze, np. tęczę) musi przyznać, że jest to zjawisko nad wyraz piękne i malownicze.

[edytuj] Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą wagi skręceń

Henry Cavendish i jego waga skręceń

Stara waga skręceń w kształcie słoja

Może to być pewnym zaskoczeniem dla przeciętnego człowieka, ale wartość jednej z fundamentalnych stałych naszego świata stała grawitacji G jest jedną z najgorzej poznanych wartości fizycznych. Z najnowszych badań przeprowadzonych w roku 2000 przez H. Gundlacha i Stephena M. Merkowitza z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle wynika, że wynosi ona 6,6742(15) przy maksymalnej niepewności pomiaru szacowanej na 0,0014 % tej wartości ("Physical Review Letters", t. 85, nr 14, 2000). Pomiary te zwiększyły dokładność znajomości stałej G o jeden rząd wielkości, czyli o jedną cyfrę znaczącą na końcu wyniku. Do tej pory opieraliśmy się na wartości wielkości stałej G zmierzonej w roku 1798 przez angielskiego uczonego Henry'ego Cavendisha. Tym większy musi być nasz podziw dla naukowca, który podał ją 200 lat temu tylko z dziesięciokrotnie mniejszą precyzją...

Jak wszyscy powinniśmy pamiętać ze szkoły podstawowej trzy uniwersalne prawa ruchu, prawo powszechnego ciążenia i zjawisko grawitacji sformułował inny angielski uczony Sir Isaac Newton w dziele Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematyczne podstawy filozofii naturalnej, bardziej znane dzisiaj jako Principia). Jako pierwszy oszacował on także stałą G.

Cavendish sądził, że jest w stanie podać ją z większą dokładnością niż Newton. Brakowało mu "jedynie" odpowiedniego przyrządu, który mógłby dowieść, że wszystkie ciała przyciągają się wzajemnie niezależnie od grawitacji Ziemi.

Poglądowy model wagi skręceń

Eksperymenty, które doprowadziły do wyznaczenia stałej G, a jednocześnie do zmierzenia wagi Ziemi, przeprowadzał on w latach 1797-98. Użył przyrządu i oparł się na metodzie opisanej przez swego rodaka geologa Johna Michella, który niestety zmarł przed ukończeniem swoich badań. Aparat zwany wagą skręceń został wysłany do Cavendisha w skrzyniach. Składał się on z cieńkiej nici kwarcowej na której zawieszony był lekki pręt. Na końcach pręta zawieszony były małe kule. Do nici było przymocowane lusterko. Aparat wykorzystywał fakt, że siła potrzebna do skręcenia nici jest bardzo mała, a wiązka światła padająca i odbijająca się od lusterka i padająca następnie na skalę mogła precyzyjnie wyznaczyć kąt skrętu.

Cavendish umieścił następnie w pobliżu małych kulek (na pręcie) symetrycznie dwie duże kule ołowiane (o znanych masach, dokładnie po 350 funtów każda) i zmierzył kąt skrętu o jaki obrócił się pręt. Na podstawie tych pomiarów wyliczył wartość stałej G.

Potem eksperyment ten był znany także pod nazwą "ważenie Ziemi" ponieważ znając precyzyjnie stałą grawitacji G można z prostego wzoru wyznaczyć z równą dokładnością masę Ziemi:

, gdzie g to przyspieszenie ziemskie, a R_z to długość promienia Ziemi.

Cavendish oczywiście podał także wartość tej masy, a niejako "z rozpędu" obliczył masy Słońca, Jowisza i innych planet, których satelity były znane w tamtych czasach. Można je wyliczyć ze wzoru, np. dla masy Słońca:

, gdzie R to odległość Ziemi od Słońca.

Jako ciekawostkę można podać, że (korzystając z najnowszych wyliczeń stałej G) masa Ziemi wynosi 5,9722450,000082 × 10²⁴ kg (która to wartość jest tylko o 1 % dokładniejsza niż wartość obliczona przez Cavendisha), zaś Słońca 1,9884350,000027 × 10³⁰ kg.

Waga skręceń, zwana także wagą Cavendisha, mimo upływu lat nie zmieniła znacząco swojego wyglądu i budowy i nadal chętnie jest wykorzystywana w laboratoriach i uczelniach całego świata do wyznaczania stałej grawitacji G.

[edytuj] Doświadczenie Younga (rok 1801) – interferencja światła na dwóch szczelinach

Zobacz więcej w osobnym artykule: doświadczenie Younga.

Gdy przepuścimy światło poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzucimy na ekran możemy na nim zaobserwować charakterystyczne prążki. Eksperyment ten potwierdza falową naturę światła. Poniższy rysunek w poglądowy sposób wyjaśnia zaobserwowane zjawiska.

Doświadczenie Younga; oznaczenia:lewy rysunek: Sunlight – promienie słoneczne, Narrow slits – wąskie szczeliny, Observing screen – ekran do obserwacji, Pattern observed on screen – wzory obserwowane na ekranie; rysunki po prawej: Right/Left/Both slit(s) open – otwarta prawa/lewa/obie szczelina(y), observed – zaobserwowane zjawisko, wave theory – wg teorii falowej, particle theory – wg teorii cząsteczkowej

[edytuj] Wahadło Foucaulta (rok 1851) – doświadczalny dowód na ruch obrotowy Ziemi

Wahadło Foucaulta w Instytucie Franklina w Filadelfii

Hipotetyczne wahadło Foucaulta umieszczone na Biegunie Północnym

Ruch wahadła Foucaulta (dzięki ogromnym rozmiarom, dużej masie obciążnika i specjalnemu zawieszeniu tylko w jednym punkcie) jest długotrwały i praktycznie niezależny od ruchu obrotowego Ziemi. Dla wahadła zawieszonego nad biegunem, Ziemia niejako "ucieka" spod niego i przy każdym następnym wahnięciu wahadło nie powraca do tego samego punktu, ale nieco dalej. Ponieważ w ciągu ok. 24 godzin punkty te zakreślają okrąg a ruch odbywa się zawsze tylko w jednym kierunku dowodzi to, że Ziemia się obraca. Poza biegunami jest podobnie ale okres "obrotu" wahadła jest dłuższy (w szczególności na równiku płaszczyzna drgań nie zmienia położenia względem powierzchni Ziemi). Wynalazca Jean Bernard Léon Foucault, zademonstrował je po raz pierwszy w 1851 w Panteonie w Paryżu, gdzie do dzisiaj możemy je podziwiać.

O tym, że Ziemia cały czas się obraca możemy przekonać także w Polsce. Wahadło Foucaulta posiadają m.in. Instytut Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu (długość ramienia: 16 m, masa obciążnika: 29 kg) oraz Wydział Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Od września 2005 doświadczenie to można obserwować także w wieży Zamku Książąt Pomorskich w Szczecinie, gdzie znajduje się najcięższy w Polsce obciążnik ważący 76 kg (długość ramienia: 28,5 m). Od 25 stycznia 2005 roku wahadło takie znajduje się również na Dziedzińcu Południowym Gmachu Głównego Politechniki Gdańskiej (ramię o długości 26 metrów, masa 64 kilogramów). Również Frombork ma swoje wahadło – w Wieży Radziejowskiego, będącej częścią zespołu katedralnego, gdzie Mikołaj Kopernik napisał "De revolutionibus..." Nieco mniejsze ale również efektowne wahadło posiada Politechnika Częstochowska.

[edytuj] Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra atomowego

W roku 1897 fizyk angielski, profesor Uniwersytetu Cambridge, noblista sir Joseph John Thomson odkrywa elektron. Odkrycie ujemnie naładowanego elektronu, który można oderwać od atomu, zachwiało poglądami na temat budowy atomu, wcześniej uważano, że atomy to niepodzielne, kulki bez struktury wewnętrznej. Skoro elektron, ma ładunek ujemny, to reszta musi mieć ładunek dodatni. Ilości tych ładunków równoważą się tak, że atom w całości ma ładunek obojętny. Kwestią sporną było jak to jest rozłożone w przestrzeni atomu. Koncepcji, jak zawsze w takim przypadku, pojawiło się sporo, ale w końcu przeważyła hipoteza samego Thomsona, zwana modelem ciasta z rodzynkami. Głosiła ona, że dodatnio naładowany ładunek rozłożony jest w całej objętości atomu a elektrony tkwią w nim punktowo, tak jak rodzynki w cieście. Teoria ta wydawała się najbardziej mechanicznie stabilnym i wiarygodnym opisem materii. A po za tym najbardziej przystawała do "zdroworozsądkowej" obserwacji tzw. zwykłego człowieka, że materia jest w gruncie rzeczy ciągła i spoista. Odkrycie promieniowania znanego obecnie jako promieniowanie jądrowe, a w nim promieniowania alfa, wprowadziło kolejną nierozwiązaną kwestię, niektóre atomy wysyłają z siebie inne atomy. W maju roku 1909 miało się jednak okazać, że nie wszystko co na pierwszy rzut oka uważamy za oczywistość jest nią w istocie.

Model atomu wg koncepcji Thomsona: model ciasta z rodzynkami – ładunki ujemne (elektrony) porozrzucane równomiernie w dużej strukturze ładunku dodatniego

A miał ją podważyć nie kto inny, ale jego dawny zdolny uczeń i następca na katedrze fizyki sir Ernest Rutherford. Gburowaty, porywczy (miał silne przekonanie, "poparte" praktyką, że nic tak nie wspomaga eksperymentów fizycznych jak częste obrzucanie ich wiązką przekleństw) z wielkim sumiastym wąsem Nowozelandczyk był pierwszym cudzoziemskim studentem na katedrze im. Cavendisha i pierwszym cudzoziemcem, który objął tę katedrę. Jednak to nie on sam przeprowadzał eksperyment znany teraz pod jego imieniem lecz jego stażysta Hans Geiger (tak to ten sam Geiger, który teraz kojarzy się nam od razu z licznikiem Geigera) i student Ernest Marsden (późniejszy znany fizyk nowozelandzki).

Eksperyment polegał na bombardowaniu bardzo cienkiej złotej folii promieniowaniem alfa i obserwacji charakteru rozkładu kątowego przechodzących przez nią cząstek alfa co pozwoliłoby określić strukturę budowy atomu. Już wówczas wiedziano, że promieniowanie alfa to po prostu atomy helu pozbawione elektronów, w tym eksperymencie uzyskiwane z radioaktywnego radonu. Przyrząd do badania zjawiska zawierał źródło tych cząstek, ołowiany pojemnik z niewielkim otworem skierowanym na złotą folię. Podczas eksperymentu umieszczano pod różnymi kątami do biegu promieni alfa przed zderzeniem detektor scyntylacyjny. Ekran pokryty siarczkiem cynku obserwowany był przez lupę, na którym pojawiają się błyski, gdy trafi w niego cząstka alfa.

Idea była prosta: cząstka alfa leci w kierunku złotej folii, przechodząc przez atom, oddziałuje z elektronami które nieznacznie zmieniają kierunek jej biegu, następnie uderza ona w ekran, który w tym miejscu na moment rozbłyska. Eksperymentatorzy wyznaczają zależność liczby cząstek od kąta rozpraszania, uzyskując w ten sposób informację o nierównomierności rozkładu ładunku w atomie, w tym i o liczbie elektronów w atomie.

Eksperyment Rutherforda.
Górny rysunek: według teorii Thomsona cząstki alfa swobodnie pokonują wnętrze atomu.
Dolny rysunek: obserwowany rezultat eksperymentu: niewielka część cząstek jest odbijana ukazując mały skoncentrowany w niewielkiej przestrzeni ładunek dodatni

Według teorii Thomsona cząstki te powinny przejść przez złotą folię jak "przez masło". Ku zaskoczeniu eksperymentatorów okazało się jednak, że 1 cząstka na około 8000 wystrzelonych odbija się od złotej folii. Rutherford zareagował na tę wiadomość słynnym zdaniem: "To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. To tak, jakby pocisk artyleryjski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się od niej i powrócił do strzelającego”.

Rutherford, pomysłodawca tego eksperymentu, przystąpił teraz do rozwiązania zagadki. A zajęło mu to aż 18 miesięcy ponieważ chciał by zaproponowana hipoteza była możliwie kompletna i wiarygodna. Dopiero na początku 1911 roku opublikował rozwiązanie problemu. Atom w ogromnej większości jest pusty. W środku atomu jest duże (w proporcji do rozmiarów elektronów) jądro, a w ogromnej odległości (w stosunku do wielkości jądra), po ściśle określonych orbitach, krążą niewielkie elektrony. Tylko w ten sposób można wytłumaczyć występujące te rzadkie odbicia masywnej cząstki alfa: odbijała się ona tylko w przypadku trafienia w jądro atomu złota.

Od razu nasuwała się analogia pomiędzy budową atomu i budową Układu Słonecznego. Inna jest tylko skala zjawiska. Stąd pochodzi nazwa koncepcji Rutherforda: budowa planetarna atomu.

Ciągłość materii to złuda. Jądro zajmuje mniej niż jedną bilionową część objętości atomu. To siły elektryczne działające między atomami utrzymują względną spoistość materii.

Tak skończyła się epoka fizyki klasycznej, a zaczęła się era fizyki jądrowej...

[edytuj] Doświadczenie Davissona i Germera (rok 1927) – dyfrakcja elektronów na podwójnej szczelinie

Budowa współczesnego przyrządu do badania dyfrakcji elektronów posiadających małą energię (oznaczenia: Cathode - katoda, Grid - siatka, Sample - badana próbka, Phosphor Screen - ekran pokryty fosforem, Concentric Grids - koncentryczne siatki)

W 1909 r. Albert Einstein w jednym ze swoich artykułów snuł rozważania nad kwantową teorią światła. Wielki fizyk zastanawiał się dlaczego światło składające się przecież z cząstek zachowuje się jednocześnie jak typowa fala ze wszystkimi charakterystycznymi dla niej cechami (takimi jak interferencja, dyfrakcja i inne a wystąpienie ich uwarunkowane jest od jej długości).

Dociekania te "natchnęły" młodego francuskiego arystokratę, ksiącia Louisa Victora de Broglie, który w roku 1924 w swojej pracy doktorskiej zaproponował aby ten dziwny, podwójny charakter światła uznać za fundamentalną własność przyrody. Teorię tę można więc wykorzystać także do rozważań 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 także równanie opisujące zależność między energią cząstek a długością fali.

Były to jednak tylko dociekania teoretyczne. Brakowało doświadczenia, które potwierdziło by 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 próżniowych. Praca ich polegała m.in. na badaniu zachowania się powierzchni metalowych pokrytych różnymi 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 tarczki) w wyniku czego następowała wtórna emisja elektronów z tego kryształu. Kryształ niklu umieszczony był w specjalnie skonstruowanym urządzeniu do badania emisji, które posiadało dookólny ekran. 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 można nim było obracać wokół próbki.

Czasami w eksperymentach naukowych dużą rolę odgrywa przypadek. Tak było i tym razem. Ponieważ w czasie doświadczeń doszło do utlenienia jednej z tarczek niklu naukowcy ją podgrzali aby usunąć powstały na jej powierzchni tlenek. Po wznowieniu eksperymentów okazało się jednak, że ich wyniki są różne od poprzednich. Podgrzanie tarczy zmieniło właściwości materiału. Powstał jeden duży monokryształ niklu. Doświadczenie wykazało, że chociaż tak jak przedtem elektrony dalej były emitowane w różnych kierunkach i pod różnymi 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 podobnie 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 uważnej analizie doszedł on do wniosku, że 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.

Rozpraszanie elektronów na siatce krystalicznej (screen - ekran)

Okazało się więc, że wyniki badań doskonale potwierdzają teorię de Broglie. Zaobserwowany przez Germera rozład odbić elektronów to obraz interferencyjny powstały na skutek dyfrakcji fal płaskich. Elektrony zachowują się więc tak jak fale a ich długość zależy od energii bombardujących cząsteczek. Był to więc pierwszy "namacalny" dowód na falową naturę cząstek.

Dla celów dydaktycznych fizycy często wykorzystują eksperyment myślowy, w którym doświadczenie Younga z dyfrakcją fali na podwójnej szczelinie, przenoszą w mikroświat na poziomie kwantowym, w którym wiązkę światła zastępujemy wiązką elektronów. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, strumień cząstek powinien ulec podziałowi na dwie wiązki i słabsze strumienie powinny interferować każdy z każdym, tworząc taki sam wzór (złożony z jasnych i ciemnych kręgów) jaki byłby utworzony przez światło w makroświecie. Cząstki powinny zachowywać się jak fale.

Pośpiesznie 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) podczas których można było zaobserwować zjawisko dyfrakcji przy bombardowaniu cienkiej folii strumieniem posiadających dużą energię elektronów. Po przejściu przez folię wiązka elektronów tworzyła na ekranie centryczne kręgi, przypominające bardzo wzory powstające przy naświetlaniu promieniami X powierzchni pokrytej proszkiem drobno zmielonych polikryształków (wynikiem tego typu dyfrakcji, powodowanym przez wiele przypadkowo skierowanych ziaren kryształu, są centrycznie położone okręgi). Przy zmianie długości fali (przez zmianę chwilowej energii elektronów), Thomson obserwował proporcjonalna zmianę średnicy pierścieni, tak jak to dla obrazów dyfrakcyjnych powstających w sieciach krystalicznych można wyliczyć z równania Bragga.

Eksperymenty te dowiodły, że fale de Broglie'a nie są tylko teoretycznymi koncepcjami ale można je także realnie zaobserwować w praktyce. Wkład Thomsona przy empirycznych badaniach fali elektronów został również doceniony i w 1937 roku za te pionierskie prace Davisson i Thomson wspólnie otrzymali Nagrodę Nobla.

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)

[edytuj] Linki zewnętrzne

• Science's 10 Most Beautiful Experiments – artykuły (w języku angielskim i rosyjskim) i animacje komputerowe w obrazowy sposób przedstawiające doświadczenia fizyczne
• 10 najpiękniejszych eksperymentów z fizyki – plakat i link do powyższych animacji
• Robert P. Crease "The most beautiful experiment" – artykuł w języku angielskim
• Najpiękniejsze eksperymenty wszechczasów – cykl wykładów na Uniwersytecie Śląskim