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. Perot powtarzają 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 UHLENBECK zakładają, 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 eksperymenty
w 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
