10 najpiękniejszych eksperymentów z fizyki (
ang.
The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science) – książka autorstwa
historyka nauki
Roberta P. Crease
wydana w
2003
roku. Została sporządzona na podstawie ankiety przeprowadzonej wśród
fizyków
z całego świata[]. Prezentuje najsłynniejsze i
najpiękniejsze
eksperymenty z fizyki:
Inne brane pod uwagę doświadczenia to:
Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu Ziemi
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. Ich wyniki przedstawił w dziele "O pomiarach Ziemi", które nie przetrwało do naszych czasów. Część obliczeń dokonanych przez Eratostenesa 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 promienie światła 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 prawdą, ale popełniany błąd jest niewielki), padały one pod kątem 7,2 stopnia (co stanowi 7,2/360 czyli 1/50 część
kąta pełnego
).
Od podróżników
karawan
wiedział także, że odległość pomiędzy tymi miastami wynosi ok. 5 000
stadionów
(tj. 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.
Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek swobodny ciał o różnej masie
Arystoteles
twierdził, że ciało spada na ziemię tym szybciej, im jest cięższe. Aż do późnych lat XVI wieku było to bardzo popularne mniemanie. Może nam to uzmysłowić, jak bardzo zaniedbywano w okresie
średniowiecza
fizykę doświadczalną, skoro nadal opierano się na błędnej w tym wypadku wiedzy starożytnych
Greków
(klasycyzm - powtarzana była teoria, lecz bez empirycznej weryfikacji). Dopiero
Galileusz
przeciwstawił się temu twierdzeniu, stawiając na szali cały swój autorytet i stanowisko
dziekana
katedry
matematyki
na Uniwersytecie w
Pizie
.
Animacja upuszczanych przez Galileusza kul.
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 (które miały podobną formę) dosięgnęły ziemi w tym samym momencie.
Udowodnił więc, że 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
, 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.
Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu ciał staczających się z równi pochyłej
Strona z pracy
Galileusza
"O prawach spadania ciał".
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
.
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 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 samo) zwiększają prędkość niezależnie od ich masy. Było to jak na wiek XVII rewolucyjne stwierdzenie.
Eksperyment Newtona (lata 1665-1666) – rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu
Światło białe
, które po przejściu przez
pryzmat
rozszczepia się na różne
kolory
, można z powrotem złożyć (np. za pomocą pryzmatu lub 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 dotyczących natury światła, a nawet personalnych kłótni i niesnasek w świecie naukowym tamtych czasów. Tym niemniej większość z tych, którzy widzieli na własne oczy rozszczepienie światła (czy to na pryzmacie, czy też w naturze, np.
tęczę
) przyznaje, że jest to zjawisko nad wyraz
piękne
i malownicze.
Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą wagi skręceń
Rysunek sporządzony przez Cavendisha; przedstawia jego wagę skręceń zbudowaną wewnątrz budynku.
Jedno z ramion (m) wagi, duża kula (W), mała kulka (x) oraz obudowanie izolujące (ABCDE).
Może to być pewnym zaskoczeniem dla przeciętnego człowieka, ale wartość jednej z fundamentalnych
stałych
naszego świata -
stałej 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 6,6742x10-11 Nm²/kg²(15) przy maksymalnym
błędzie pomiaru
szacowanym 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.
Trzy uniwersalne
prawa ruchu
i
prawo powszechnego ciążenia
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
.
Eksperymenty, które doprowadziły do wyznaczenia stałej G, a jednocześnie do zmierzenia masy Ziemi, przeprowadzał on w latach 1797-98. Użył przyrządu i oparł się na metodzie opisanej przez swego rodaka,
Johna Michella
, który niestety zmarł przed ukończeniem swoich badań. Aparat zwany
wagą skręceń
został wysłany do Cavendisha w skrzyniach. Składał się on z cienkiej nici
kwarcowej
, na której zawieszony był lekki
pręt
. Na końcach pręta zawieszone 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.
Waga skręceń w kształcie słoja.
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 obliczył 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 Rz 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 obliczyć ze wzoru, np. dla masy Słońca:
, gdzie R to odległość Ziemi od Słońca.
Jako ciekawostkę można podać, że (korzystając z najnowszych obliczeń stałej G) masa Ziemi wynosi 5,9722450 × 1024
kg
(która to wartość jest tylko o 1
%
dokładniejsza niż wartość obliczona przez Cavendisha), zaś Słońca 1,9884350 × 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.
Doświadczenie Younga (rok 1801) – interferencja światła na dwóch szczelinach
Young
wykonał eksperyment, który miał rozstrzygnąć trwający od niemal 200 lat spór o to, czy światło jest strumieniem cząstek, tak jak twierdził to Newton, czy falą. Rozumował w następujący sposób: zjawiskiem które zachodzi dla fali, a nie zachodzi dla strumienia cząstek jest interferencja. Gdy przepuścimy
światło
poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzucimy na ekran możemy na nim zaobserwować charakterystyczne prążki, które nie wystąpiłyby, gdyby światło nie było falą. Eksperyment ten potwierdza więc
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
Wahadło Foucaulta (rok 1851) – doświadczalne potwierdzenie ruchu obrotowego Ziemi
Animacja ruchu wahadła na półkuli południowej
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, jest to dowodem na obrót Ziemi wokół własnej osi. 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. Wahadło o najdłuższym ramieniu w Polsce znajduje się w Krakowie, w Kościele p.w. Świętych Apostołów Piotra i Pawła (długość: 46,5 m;
masa
: 25 kg; 15-minutowe pokazy odbywają się w każdy czwartek o godzinie 1000, 1100 i 1200).
Doświadczenie Millikana (rok 1909) – wyznaczenie ładunku elektronu za pomocą spadającej w polu elektrycznym kropli oleju
Stanowisko Millikana służące do wyznaczania ładunku elektronu.
Fizyk amerykański
Robert Millikan
w roku 1910 przeprowadził doświadczenie, w którym wykazał stałość ładunku
elektronu
i wyznaczył jego wartość. Użył to tego rozpylonych kropel
oleju
, które spadały swobodnie w
polu elektrycznym
. Dokonując wielu powtórzeń swojego eksperymentu stwierdził, że ładunek elektryczny elektronu może osiągnąć tylko ustalone stałe wartości. Opracowując wyniki otrzymane z własnego doświadczenia stwierdził więc kwantyzację ładunku kropli. Ładunki te były wielokrotnościami podstawowej wartości pojedynczego
ładunku elektrycznego elektronu
:
q = ne
gdzie n = 1,2,3,..., q - całkowity ładunek, e - wartość bezwzględna ładunku elektronu równa 1,6·10-19C.
Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra atomowego
Model atomu wg koncepcji Thomsona: model ciasta z rodzynkami – ładunki ujemne (elektrony) porozrzucane równomiernie w dużej strukturze ładunku dodatniego.
W roku
1897
fizyk angielski, profesor Uniwersytetu Cambridge,
noblista
sir Joseph John Thomson
odkrył
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 poza 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
, m.in.
promieniowania alfa
, wprowadziło kolejną nierozwiązaną kwestię: jak to się dzieje, że niektóre atomy emitują 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.
Hipotezę Thomsona miał 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 zwany teraz jego imieniem, lecz jego stażysta
Hans Geiger
(ten sam, którego nazwisko znalazło się w nazwie
licznika Geigera
) i student
Ernest Marsden
(późniejszy znany fizyk nowozelandzki).
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
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 w ołowianym pojemniku z niewielkim otworem skierowanym na złotą folię. Podczas eksperymentu detektor scyntylacyjny umieszczano pod różnymi kątami do pierwotnego kierunku promieni alfa. Detektorem tym był ekran pokryty
siarczkiem
cynku
. Obserwacja ekranu przez lupę umożliwiała zobaczenie błysków, gdy cząstka alfa trafiała w scyntylator.
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.
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. Model atomu zaproponowany przez Rutherforda stanowił ważny krok w poznaniu budowy atomu i stanowił punkt wyjścia do skonstruowania współczesnego modelu atomu (zobacz:
atom
,
mechanika kwantowa
).
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).
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 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 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 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 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 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 podgrzali ją ,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 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 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.
Okazało się więc, że wyniki badań doskonale potwierdzają teorię de Broglie'a. Zaobserwowany przez Germera rozkład odbić elektronów to obraz interferencyjny powstały na skutek dyfrakcji
fal
płaskich. Elektrony zachowują się więc tak jak fale, a ich długość zależy od
energii
. 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 koncentryczne kręgi, przypominające bardzo wzory powstające przy naświetlaniu promieniami X powierzchni pokrytej proszkiem drobno zmielonych polikryształów (wynikiem tego typu dyfrakcji, powodowanym przez wiele przypadkowo skierowanych ziaren kryształu, są koncentrycznie położone okręgi). Przy zmianie długości fali (przez zmianę energii elektronów), Thomson obserwował proporcjonalną zmianę średnicy pierścieni. Podobnie jak dla obrazów dyfrakcyjnych powstających w sieciach krystalicznych, długość fali można obliczyć z równania Bragga znając odległość między warstwami kryształu.
Eksperymenty te dowiodły, że
fale de Broglie'a
nie są tylko teoretycznymi koncepcjami, ale można je także zaobserwować w praktyce. Wkład Thomsona w empiryczne badania fali elektronów został również doceniony i w 1937 roku wspólnie Davissonem otrzymał
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)
Linki zewnętrzne