W stulecie subatomowego swiata, EDUKACYJNE, Swiat nauki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
KOMENTARZ ZADZIWIENIA Philip Morrison W stulecie subatomowego æwiata Maxwell, ktrego wspania¸e dzie¸o wciý jest podstaw na- szej fizyki, opisywa¸ atomy jako ãkamie- nie fundamentw materialnego æwiata (...) niepodzielne i niezniszczalne; trwa- jce po dziæ dzieÄ, tak jak zosta¸y stwo- rzone, doskona¸e w liczbie, mierze i ci«ýarzeÓ. W 1899 roku, 20 lat po przedwczesnej æmierci uczonego, Joseph John Thom- son, trzeci z kolei dyrektor utworzone- go w University of Cambridge przez Maxwella laboratorium, mwi¸ juý zupe¸nie inaczej. A to dlatego, ýe odkry¸ elektron. W kaýdym zjawisku elektrycz- nym Ð t¸umaczy¸ Ð ãzachodzi w grun- cie rzeczy rozdzielenie atomu, jego cz«æ (...) uwalnia si« i pozostaje od niego od- dzielonaÓ. To ãrozszczepienie atomuÓ zwizane z przekazem elektronw za- chodzi powszechnie w procesach elek- trycznych i chemicznych, takich cho- by jak solenie zupy. Cofnijmy si« do lat trzydziestych XIX wieku, kiedy to Michael Faraday przepuæci¸ prd sta¸y pomi«- dzy dwoma p¸ytkami miedzia- nymi zanurzonymi w niebie- skozielonym roztworze siar- czanu miedzi i zauwaýy¸, ýe ujemna p¸ytka Ð katoda Ð sta- ¸a si« ci«ýsza, a dodatnia lýej- sza. Dodatnie ¸adunki prze- mieszczajce si« wraz z atomami metalicznej miedzi Faraday nazwa¸ ãjo- namiÓ. Te jony zawsze przenosi¸y jakæ mas« æciæle proporcjonaln do ci«ýaru atomw, z poprawk 2 lub 3 z uwagi na rýne wartoæciowoæci. (Metaliczne przewody rýni si« zasadniczo od cie- k¸ych elektrolitw. Duýy prd moýe bez koÄca p¸yn w miedzianym drucie, nie towarzyszy mu jednak przemieszcza- nie si« atomw miedzi. Cokolwiek prze- p¸ywa w drucie, nie s to atomy metalu.) Rwnania Maxwella opisujce zacho- wawczy przep¸yw prdu wskazywa¸y na koniecznoæ uwzgl«dnienia pola elektrycznego, a nie lokalnych ¸adun- kw. Std jego niejasny pogld na ¸adu- nek i wtpliwoæci, czy prd rzeczywi- æcie jest po prostu przep¸ywem ¸a- dunkw. W 1873 roku Maxwell pisa¸ co prawda o jednej ãcz- steczce elektrycznoæciÓ, ale na- tychmiast uzna¸ ten termin za ãuproszczenie (...) niezgodne z teori, dobre jedynie jako pami«- ciowa wskazwkaÓ. W po¸owie lat osiemdziesitych XIX wieku chemicy przedstawi- li szczeg¸owe wyobraýenie bu- dowy wielu czsteczek, i to bez pos¸u- giwania si« jakimikolwiek obraza- mi. ãChemiczna logikaÓ, jak zastoso- wali, oparta by¸a na przekonaniu, iý atomy s ze sob w przestrzeni powi- zane. W roku 1881 Herman von Helm- holtz podczas wyk¸adu w Wielkiej Bry- tanii podkreæla¸ w¸aænie to, czego uni- ka¸ Maxwell: ãJeæli przyjmiemy kon- cepcj« (...) atomw, to nie unikniemy wniosku, ýe sama elektrycznoæ rw- nieý jest podzielona na (...) atomy elek- trycznoæci.Ó W 1891 roku George Sto- ney zaproponowa¸ nawet nazw« dla faradayowskiego ãatomu elektrycz- wia¸y swj bieg podobnie jak ¸adunki w polu magnetycznym Ð kaýdy to mg¸ zobaczy Ð i reagowa¸y rwnieý na po- le elektryczne. Thomson przy¸oýy¸ jednoczeænie sil- ne pole elektryczne i magnetyczne, po- przecznie do odpompowanej rury szkla- nej, wzd¸uý ktrej rozchodzi¸y si« promienie katodowe. W ten sposb od- chylenie promieni spowodowane polem magnetycznym mog¸o by kompenso- wane przez pole elektryczne. Przy w¸a- æciwych ustawieniach droga wizki, uja- wniana dzi«ki fluorescencji ekranu tam, gdzie zosta¸ on przez ni oæwietlony, po- zostawa¸a prosta. Stosunek obu pl w takim zrwnowaýeniu wyznacza¸ stosunek ¸adunku czstki e do jej masy m . Aby osobno okreæli ¸adunek lub mas« czstki, trzeba by¸o zna jej pr«dkoæ. Thomson ob- liczy¸ j w niezwykle prosty sposb: zmierzy¸ wzrost temperatury ma¸ego metalowego naczynka, do kt- rego wpada¸a wizka. To pozwoli¸o mu okreæli ca¸kowit energi« kinetyczn promieniowania, podczas gdy liczb« elektronw mg¸ znale na podstawie przenoszonego przez nie ¸adunku. Z tych pomiarw wyliczy¸ mas« i ¸adu- nek elektronu. Thomson przedstawi¸ swoje prace szerszej publicznoæci wiosn 1897 ro- ku. Obliczona przezeÄ wielkoæ ¸adun- ku e by¸a bliska wartoæci podanej przez Faradaya: rwna co do wielkoæci ¸adun- kowi dodatniego jonu wodoru, ale ze znakiem przeciwnym. Masa m okaza- ¸a si« nieznaczna, przesz¸o 1000 razy Chemicy przedstawili szczeg¸owe wyobraýenie budowy wielu czsteczek, i to bez pos¸ugiwania si« jakimikolwiek obrazami. nego ¸adunkuÓ, jeszcze zanim zosta¸ on wyizolowany Ð elektr[i]on. Sensacj roku 1896 by¸o zademon- strowanie przez Wilhelma Conrada Roentgena promieni X Ð przenikliwego promieniowania elektromagnetyczne- go pochodzcego od promieni kato- dowych, gdy zastosuje si« wysokie napi«cie. Rok wczeæniej Philipp Le- nard zidentyfikowa¸ promienie katodo- we jako lekkie czstki o ujemnym ¸a- dunku. W Cavendish Laboratory w Cambridge Thomson budowa¸ najdo- skonalsze wwczas rury wy¸adowcze, dzi«ki czemu uzyskiwa¸ najlepsze wiz- ki promieni katodowych i pog¸«bia¸ zna- jomoæ si¸ elektromagnetycznych. Pro- mienie katodowe rzeczywiæcie zakrzy- Cig dalszy na stronie 76 74 å WIAT N AUKI Padziernik 1997 O ko¸o roku 1875 James Clerk brzegw Nowej Fundlandii by¸y mu- zyk dla jego .._ /... /_ _.. /.._ Jednym z doradcw Fielda by¸ nieja- ki Samuel Morse, ktry od wierwie- cza uk¸ada¸ kable telegraficzne. W roku 1844 po¸czy¸ Baltimore z Waszyng- tonem i przekaza¸ jako pierwsz depe- sz« cytat z Biblii: ãPan to uczyni¸Ó (Psalm 22, 31), czym wprawi¸ Kongres w oszo¸omienie. Jednakýe nie do tego stopnia, by zechciano sfinansowa jego pomys¸y. Na szcz«æcie dyrektorem han- dlowym MorseÕa by¸ szczwany lis, Amos Kendall, by¸y minister poczty USA, przez ktrego posiad¸oæ bieg¸ ten kabel. Doradzi¸ MorseÕowi, by zamiast zabiega o wsparcie rzdowe za¸oýy¸ prywatne towarzystwo telegraficzne. W zamian za t« dziecinnie oczywist rad« Kendall zyska¸ 10% od pierwszych 100 tys. dolarw zarobionych przez MorseÕa i 50% od ca¸ej reszty. Tak ýe w 1864 roku by¸ juý bogatym cz¸owie- kiem. ûona Kendalla by¸a g¸ucha, po- dobnie jak ýona MorseÕa. Toteý Kendall wspomg¸ cz«æci tak ¸atwo zdobytej fortuny utworzenie National Deaf Mute College (obecnie Gallaudet Uni- versity), pierwszego paÄstwowego uni- wersytetu g¸uchoniemych. W po¸owie XIX wieku wielce intere- sowano si« w Ameryce wadami mowy i s¸uchu oraz tym, jak powinno si« je le- czy. Inny jeszcze cz¸owiek, ktry wy- bi¸ si« o w¸asnych si¸ach i zrobi¸ fortun« na ¸cznoæci, zak¸ada¸ szko¸y dla jka- ¸w. By¸ to Henry Wells, sam jka¸a, kt- ry zaczyna¸ jako agent frachtowy w No- wym Jorku, a w 1850 roku za¸oýy¸ wesp¸ z Williamem Fargo przedsi«- biorstwo turystyczne o nazwie Ameri- can Express. W tymýe roku wyruszy¸o 55 tys. ludzi na zachd, do Kalifornii. Spoærd nich 36 tys. dotar¸o tam, po- dobnie jak wi«kszoæ przesy¸ek poczto- wych, drog morsk, gdyý perspekty- wa umierania z pragnienia czy udaru s¸onecznego, a takýe utrudnienia ze stro- ny Indian cokolwiek zniech«ca¸y do ko- rzystania z drogi ldowej. Jak zwykle pienidze pozwoli¸y prze- zwyci«ýy owe drobne niedogodnoæci. W 1858 roku odkryto z¸oto w Kolorado i w Kansas. W dwa lata pniej listy pra- cujcym tam grnikom dor«czali po- kryci potem i kurzem jedcy, ktrzy ostatnie 150 km przebywali pe¸nym ga- lopem. Wells i Fargo prowadzili zachod- ni odcinek owej niedorzecznej, efeme- rycznej poczty, znanej pod nazw Pony Express. Niedorzecznej, gdyý stracono na niej wielkie sumy, efemerycznej, po- niewaý dzia¸a¸a tylko p¸tora roku, albo- wiem w padzierniku 1861 roku ukoÄ- czono juý lini« telegraficzn ¸czc wybrzeýa Atlantyku i Pacyfiku. Zanim to wszakýe nastpi¸o, prac« na tej poczcie porzuci¸ pewien doæ nie- zwyk¸y kurier, Bill Cody, by zaj si« zaopatrywaniem w mi«so kolei Union Pacific. Umia¸ on nie tylko p«dzi kon- no jak wiatr, ale i po mistrzowsku strze- la. Prawd« mwic, na szcz«æcie nie ca¸kiem po mistrzowsku, cho dzi«ki imponujcym rekordom Ð 4280 zwie- rzt zabitych w cigu oæmiu miesi«cy (69 jednego tylko dnia) Ð zyska¸ sobie przydomek ãBuffaloÓ Bill. Bo gdyby strzela¸ troch« lepiej, nie mg¸bym po- dziwia w londyÄskim zoo tego wspa- nia¸ego bizona. No to szufla, musz« koÄczy. T¸umaczy¸ Boles¸aw Or¸owski ZADZIWIENIA (cig daszy ze strony 74) za jego lat studenckich. Podobnie jak in- ni pilni czytelnicy znalaz¸ w niej pewn osobliwoæ: to materia, a nie przestrzeÄ by¸a zarazem rd¸em, jak i noænikiem pl. Obydwaj m¸odzi teoretycy przyswo- ili sobie raczej pogldy wielkiego fizy- ka z Lejdy, Hendrika A. Lorentza, ktry doceniajc rwnania Maxwella, w mia- r« up¸ywu lat przesun¸ ich punkt ci«ý- koæci i doda¸ jedno rwnanie, ãsi¸« Lo- rentzaÓ dzia¸ajc na ¸adunek punktowy. Dla Lorentza pola istnia¸y jedynie w prýni. Atomowa materia by¸a noæni- kiem dodatnich i ujemnych ¸adunkw, ktrych ruch i rozmieszczenie wytwa- rza¸y rýnorodne konfiguracje pl. Doæwiadczenia wykazujce realnoæ ¸adunkw przeprowadza¸ nowicjusz Pieter Zeeman, a zinterpretowa¸ je na- tychmiast starszy wiekiem teoretyk Lo- rentz. Ich laboratorium w Lejdzie po- dobnie jak inne dosta¸o od HenryÕego Rowlanda z Johns Hopkins University now, precyzyjnie wyryt siatk« dyfrak- cyjn, ktra o rzd wielkoæci poprawi¸a zdolnoæ rozdzielcz spektroskopii. Zeeman przeczyta¸ pochwalny esej Maxwella o Faradayu, i to zach«ci¸o go do powtrzenia, tym razem z siatk dy- frakcyjn, wczeæniejszego o 30 lat do- æwiadczenia, w ktrym Faraday, pos¸u- gujc si« pryzmatem, nie uzyska¸ oczekiwanych efektw. P¸omieÄ palni- ka Bunsena umieszczony mi«dzy bie- gunami elektromagnesu podgrzewa¸ kawa¸ek azbestu nasczony wczeæniej s¸on wod; w ý¸tym æwietle gorcych par sodu dominowa¸a wska, podwj- na linia spektralna. Dopiero teraz moýna by¸o zaobserwo- wa, jak linie si« poszerza¸y po w¸czeniu silnego pola magnetycznego. Lorentz wiedzia¸, ýe elektrony krýce po stacjo- narnej orbicie z chwil w¸czenia ze- wn«trznego pola magnetycznego b«d porusza si« nieco szybciej (lub nieco wolniej, w zaleýnoæci od kierunku pola). Mg¸ wi«c, korzystajc ze zmierzonych przez Zeemana niewielkich zmian d¸ugo- æci fali, obliczy stosunek ¸adunku do masy dla elektronw poruszajcych si« w atomie. Spodziewano si« spolaryzo- wanego æwiat¸a i wykryto je doæwiad- czalnie. To pozwoli¸o ustali znak pro- mieniujcego elektronu Ð ujemny, taki jak dla promieni katodowych. Oczywiæcie teoria Lorentza nie mo- g¸a by kompletna. Nie mia¸ on ýadnej ãmapyÓ atomu. Jednak jeszcze przed koÄcem 1896 roku badacze z Lejdy zna- leli pierwsz kluczow informacj«: elektrony o znanym ¸adunku i masie, poruszajc si« w atomie, wypromienio- wuj æwiat¸o okreælonej linii spektral- nej. Gdy w 1901 roku Max Planck wpro- wadzi¸ ide« skwantowanej energii, rozpocz«¸a si« osza¸amiajca kariera fi- zyki kwantowej. mniejsza od masy wodoru, najlýejszego z atomw. Dwa lata pniej Thomson znalaz¸ brakujce logiczne ogniwo Ð elektrony nie by¸y czymæ obcym, lecz sk¸adnikami zwyk¸ych atomw. Po- wtrzy¸ doæwiadczenie, przyspiesza- jc elektrony uwolnione z materia¸u przy niskim napi«ciu. Ich ¸adunek i ma- sa by¸y takie same jak promieni kato- dowych wytwarzanych przy wysokim napi«ciu. Kaýdy atom moýna by¸o teraz rozdzieli na elektrony i dodatnio na¸a- dowan reszt«. Niepodzielne zosta¸o rozdzielone. By¸em rozczarowany, gdy zda¸em so- bie spraw«, ýe d¸uga droga do odkry- cia Thomsona nie zainteresowa¸a tak dociekliwych i zdolnych studentw jak Albert Einstein czy nieco m¸odszy Max Born. W ich listach i publikacjach z ko- lejnych dwch lat wida podziw dla od- krycia elektronw, ale samemu Thom- sonowi poæwi«caj ma¸o uwagi, a jego umiej«tnoæ rozdzielenia atomu pozo- stawiaj bez wzmianki. Dlaczego? Wydaje si«, ýe ci m¸odzi teoretycy traktowali odkrycie przez Thomsona subatomowego elektronu jedynie jako potwierdzenie wynikw teoretycznych przewidywaÄ, ktrych oczekiwano od co najmniej roku. Einstein w wieku 67 lat wspomina¸, ýe ãteoria Maxwella by¸a najbardziej fascynujcym przedmiotemÓ T¸umaczy¸ Jan Kozubowski 76 å WIAT N AUKI Padziernik 1997 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |