Michelson a nauka współczesna

Prof. dr hab. Józef Szudy

Instytut Fizyki

Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej

UMK w Toruniu

Strzelno, 14 grudnia 2007 r.

1. OD WZORCA METRA DO POJĘCIA SPINU

A. A. Michelson (około roku 1890): Pomysł zastosowania długości fali λ światła emitowanego w

postaci widma liniowego przez wybrany pierwiastek w fazie gazowej jako standardu długości.

Wzorzec platynowo-irydowy(Sevres, Francja)

Międzynarodowy wzorzec jednostki miary długości (do 1960 roku) - 1 metr; wykonany ze stopu platyny z irydem.

1). Jak powiązać λ z wzorcem ? 2). Jaki pierwiastek użyć w roli standardu ?

Widmo sodu

Pierwsza sugestia (linia żółta D sodu); Michelson odkrywa, że linia ta składa się z dwóch składowych (DUBLET).

[STRUKTURA SUBTELNA].

Odziaływanie subtelne

Vl,s= a/2 [j(j+1) - l(l+1) - s(s+1)]     

Poprawka spin-orbita wynosi

Vl,s= - μs• Bl

Stan P (żółta linia sodu) (l = 1, s = - 1/2, czyli j = 1/2 i l = 1, s = +1/2, czyli j = 3/2) rozszczepia się na dwa poziomu, przesunięte w stosunku do poziomu nierozszczepionego o +a/2 i – a.

1). Jak powiązać λ z wzorcem ? 2). Jaki pierwiastek użyć w roli standardu ?

Ostatecznie: czerwona linia kadmu (λ = 643,84722 nm). [SINGLET].

Widmo kadmu uzyskane za pomocą płyty CD

Rok 1892: Michelson zaproszony do Sevres w celu przeprowadzenia eksperymentów, umożliwiających porównanie paryskiego wzorca metra z tą długością fali.

Marzec 1893: 1 metr= 1 553 163,5 λ .

Rok 1907 (wiosna):Fizycy francuscy: J.R. Benoit, Ch. Fabry i A. Perotpowtarzają eksperyment Michelsona.Korekta na obecność pary wodnej w laboratorium: 1 metr = 1 553 164,03 λ . Ten wynik został przyjęty jako atomowy wzorzec metra (Ogólna Konferencja Miar i Wag, 1907).

Rok 1907: Nagroda Nobla

ZA ZBUDOWANIE NIEZWYKLE PRECYZYJNYCH PRZYRZADÓW

OPTYCZNYCH I POMIARY METROLOGICZNE PRZY ICH UŻYCIU.

Późniejsze pomiary interferometryczne: Linia czerwona kadmu nie jest linią singletową: składa się z kilku składowych leżących bardzo blisko siebie. [STRUKTURA NADSUBTELNA].

Ostatecznie w roku 1960 na XI Ogólnej Konferencji Miar i Wag ustalono, że 1 metr = 1 650 763,73 λ linii pomarańczowo-czerwonej kryptonu (izotop 89).

Listopad 1983: zmieniono wzorzec metra opierając się na wyznaczonej wówczas najdokładniejszej wartości szybkości światła w próżni równej: c = 299 792 458 m/s OBECNY STANDARD: 1 metr = odległość, którą przebywa światło w próżni w czasie równym 1/299 792 458 sekundy.

Przy okazji prac dotyczących poszukiwania linii widmowych odpowiednich dla porównania ich długości fali ze standardem metra w Sevres Michelson zainteresował się problemem struktury linii widmowych. Odkrył, że nie tylko linia żółta (D) sodu, ale również zielona linia talu i wiele innych linii pierwiastków metali alkalicznych (Li, Na, K, Cs, Rb) to NIE SINGLETY, ale DUBLETY.

Rok 1892: Michelson odkrywa, że dwie linie w serii Balmera w widmie wodoru (linie H- α i H - β) są także DUBLETAMI !

Widmo wodoru (seria Balmera)

W ten sposób Michelson stal się faktycznym odkrywcą subtelnej struktury linii widmowych i wyprzedził teoretyczne wyjaśnienie tego zjawiska o ponad 30 lat !ODKRYCIE SERII BALMERA: Rok 1885.Odkrycie dubletów dla wodoru: Rok 1892.

Struktura linii H-α w temperaturze pokojowej.

MODEL ATOMU BOHRA: Rok 1913.Pierwsza próba wyjaśnienia odkrytego przez Michelsona efektu rozszczepienia subtelnego linii serii Balmera wodoru:

Arnold SOMMERFELD – Rok 1916 :poprawka na relatywistyczną zależność masy od prędkości;

Rok 1925: GOUDSMIT i UHLENBECKzakładają, że elektron posiada SPIN (własny moment pędu).

Rok 1927: DIRAC tworzy relatywistyczną mechanikę kwantową: w pełni poprawne wyjaśnienie struktury subtelnej linii widmowych.

MICHELSON jako pierwszy odkrył także STRUKTURĘ NADSUBTELNĄ

(rok 1891: zielona linia rtęci ma 6 sześć składowych).

Potem Ch. Fabry, A. Perot (Francja), O. Lummer i E. Gehrcke (Niemcy).

Rok 1928: W. Pauli, S. Goudsmit, E. Back STRUKTURA NADSUBTELNA jest spowodowana tym, że nie tylko elektrony, ale także JĄDRA ATOMOWE posiadają SPIN (SPIN JĄDROWY).

2. POMIARY PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA

Rok 1878 – metoda pomiaru (na zasadzie wirującego zwierciadła) ;Rok 1879: c = 300 140 ±480 km/s [wartość większa od obecnej o Δ = 348 km/s]Rok 1880: c = 299 910 ± 50 km/s; Δ= 50 km/s;Rok 1882: c = 299 853 ±60 km/s. Ta wartość była przyjęta jako

STANDARD (przez 26 lat) aż do roku 1926, kiedy Michelson przeprowadził pomiary w Kalifornii (pomiędzy

Wierzchołkami szczytów Mount Wilson i Mount San Antonio; 35 km): c = 299 796 ±4 km/s; Δ= 4 km/s.

Pewne kontrowersje; nowe eksperymentyw latach 1929 – 1933 zakończone po śmierci Michelsona: c = 299 774 ±11 km/s; Δ= - 18 km/s.

WYNIK MNIEJSZY OD OBECNIE OBOWIĄZUJĄCEJ WARTOŚCI O 18 km/s !

3. SZEROKOŚĆ LINII WIDMOWYCH

Rok 1895: artykuł w „Astrophysical Journal”o rozszerzeniu linii widmowych:efekt Dopplera, tłumienie drgań oscylatora (NATURALNA

SZEROKOŚĆ LINII), rozszerzenie ciśnieniowe (zderzenia atomowe).

Struktura linii H-α w temperaturze pokojowej

4. INTERFEROMETRIA ASTRONOMICZNA

Rok 1890: pomiar średnic kątowych obiektów astronomicznych przy wykorzystaniu zjawiska interferencji światła: księżyce Jowisza – średnica kątowa rzędu 1 sekundy łuku;planetoida Westa – 0,54 sekundy łuku;

Księżyce Jowisza

Rok 1919: Michelson konstruuje INTERFEROMETR GWIAZDOWY dobudowany do teleskopu w Obserwatorium na Mount Wilson.

Dnia 13 grudnia 1920 roku: dokładne obserwacje gwiazdy BETELGEUSE (α Orionis): średnica 0,047 sekundy łuku.

Zdjęcie gwaizdy Betelgeuse wykonane przez kosmiczny Teleskop Hubble'a

Rok 1999: rozpoczęcie budowy interferometru VLTI (Very Large Telescope Interferometr)na szczycie Cerro Parana (2600 m) w Chile.Pierwsze prążki interferencyjne otrzymano w 2001 roku.

Obecnie NASA w ramach misji SIM (Space Interferometry Mission: prace nad orbitalnym interferometrem, który ma zostać wyniesiony w przestrzeń kosmiczną około roku 2015.

Schematyczny widok Interferometru VLTI