Tekst źródłowy strony Dziesięć najpiękniejszych eksperymentów z fizyki

'''10 najpiękniejszych eksperymentów z fizyki''' ([[język angielski|ang.]] ''The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science'') – książka [[historia nauki|historyka nauki]] [[Robert P. Crease|Roberta P. Crease]] wydana w 2003 roku. Została sporządzona na podstawie ankiety przeprowadzonej wśród [[fizyka|fizyków]] z całego świata<ref>[http://physicsweb.org/articles/3/15/9/2/1 Robert P. Crease „The most beautiful experiment”, 1 września 2002] – artykuł w [[język angielski|języku angielskim]].</ref>. Prezentuje najsłynniejsze i [[piękno|najpiękniejsze]] eksperymenty z fizyki:
* 1. Pomiar [[Eratostenes]]a (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu [[Ziemia|Ziemi]]
* 2. Eksperyment [[Galileusz]]a (rok 1600) – [[spadek swobodny]] ciał o różnej [[masa (fizyka)|masie]]
* 3. Eksperyment [[Galileusz]]a (rok 1600) – obserwacja ruchu [[ciało (fizyka)|ciał]] staczających się z [[równia pochyła|równi pochyłej]]
* 4. Eksperyment [[Isaac Newton|Newtona]] (lata 1665–1666) – [[rozszczepienie światła]] za pomocą [[pryzmat]]u
* 5. [[Eksperyment Cavendisha]] (rok 1798) – wyznaczenie [[stała grawitacji|stałej grawitacji]] G za pomocą [[Waga skręceń|wagi skręceń]]
* 6. [[Doświadczenie Younga]] (rok 1801) – [[interferencja]] światła na dwóch szczelinach
* 7. [[Wahadło Foucaulta]] (rok 1851) – doświadczalne potwierdzenie [[ruch obrotowy Ziemi|ruchu obrotowego Ziemi]]
* 8. [[Eksperyment Millikana]] (rok 1909) – wyznaczenie ładunku [[elektron]]u za pomocą spadającej w [[pole elektryczne|polu elektrycznym]] kropli oleju
* 9. [[Eksperyment Rutherforda]] (rok 1911) – odkrycie [[jądro atomowe|jądra atomowego]]
* 10. [[Doświadczenie Davissona i Germera]] (rok 1927) – [[dyfrakcja]] elektronów na krysztale niklu

'''Inne brane pod uwagę doświadczenia to:'''
* 11. Eksperyment [[Archimedes]]a z [[hydrostatyka|hydrostatyki]] – [[wyporność]] ciała stałego przez ciecz (III w. p.n.e.) – [[prawo Archimedesa]]
* 12. Obserwacje [[Ole Rømer|Rømera]] dotyczące [[prędkość światła|prędkości światła]] (rok 1676)
* 13. Eksperymenty [[James Joule|Joule’a]] z aparatem do pomiaru mechanicznego odpowiednika ciepła (rok 1843) – [[zasada zachowania energii]]
* 14. Eksperyment [[Osborne Reynolds|Reynoldsa]] – przepływ cieczy przez rurkę ([[Dynamika płynów|hydrodynamika]], podobieństwo dynamicznego przepływu płynów w przewodach rurowych, rok 1883)
* 15. Eksperymenty [[Ernst Mach|Macha]] i [[Peter Salcher|Salchera]] z akustyczną [[fala uderzeniowa|falą uderzeniową]] (rok 1886)
* 16. Pomiary [[Albert Michelson|Michelsona]] i [[Edward Morley|Morleya]] wykazujące brak wpływu ruchu orbitalnego Ziemi na prędkość światła (lata 1881, 1887) – szerszy opis w artykule: [[Doświadczenie Michelsona-Morleya]]
* 17. Prace [[Wilhelm Röntgen|Röntgena]] nad wykryciem [[prąd przesunięcia|prądu przesunięcia]], którego istnienie przewidywał już w roku 1865 [[James Clerk Maxwell|Maxwell]]
* 18. Odkrycie [[Hans Christian Ørsted|Ørsteda]] dotyczące [[Oddziaływanie elektromagnetyczne|elektromagnetyzmu]] (rok 1820) – [[Doświadczenie Ørsteda]]
* 19. Odkrycie [[William Henry Bragg|Bragga]] – [[dyfrakcja]] [[promieniowanie rentgenowskie|promieni X]] na kryształkach soli
* 20. Pomiary [[Arthur Stanley Eddington|Eddingtona]] dotyczące ugięcia światła gwiazd (rok 1919)
* 21. [[Doświadczenie Sterna-Gerlacha]] dotyczące kwantyzacji momentu pędu (rok 1922)
* 22. [[Kot Schrödingera]] (rok 1935) – [[eksperyment myślowy]] [[Erwin Schrödinger|Erwina Schrödingera]]
* 23. Eksperyment ''[[Trinity (test nuklearny)|Trinity]]'' (lata 1942–1945) – pierwszy test jądrowej reakcji łańcuchowej
* 24. Pomiary [[Chien-Shiung Wu|Wu]] dotyczące [[Parzystość (mechanika kwantowa)|pogwałcenia naładowania równorzędnego]] cząsteczek i antycząsteczek atomowych (lata 1956–1957)
* 25. Badania [[Maurice Goldhaber|Goldhabera]] nad [[skrętność (fizyka cząstek elementarnych)|skrętnością]] [[neutrino|neutrina]] (rok 1957)
* 26. Eksperyment [[Richard Feynman|Feynmana]] z [[o-ring]]iem zanurzonym w wodzie – wyjaśniający przyczynę [[Katastrofa promu Challenger|katastrofy promu kosmicznego Challenger]] (rok 1986)

== Pomiar Eratostenesa (ok. roku 230 p.n.e.) – pomiar obwodu Ziemi ==
[[Plik:Rotating earth (large).gif|thumb|250px|Wirująca [[Ziemia]] widziana z [[przestrzeń kosmiczna|kosmosu]]]]
[[Eratostenes]] dokonał dokładnych (jak na rok 230 p.n.e.) 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]]).

[[Plik:Eratosthenes & measurement of the Earth.png|thumb|left|300px|Pomiar [[obwód (geometria)|obwodu]] [[Ziemia|Ziemi]]; oznaczenia: Siena – [[Asuan|Syene]], Alejandría – [[Aleksandria]], Luz solar – promienie słoneczne, Trópico de Cáncer – Zwrotnik Raka, Ecuador – [[równik]], Norte – [[Biegun północny|Biegun Północny]], Sur – [[Biegun południowy|Biegun Południowy]].]]
Eratostenes porównał [[Długość fizyczna|długość]] cieni rzucanych w [[Strony świata|południe]], w czasie letniego przesilenia, pomiędzy Syene (dzisiejszy [[Asuan]] w [[Egipt|Egipcie]] nad [[Nil]]em) i [[Aleksandria|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 [[studnia|studni]], padały więc pionowo (Słońce było w zenicie), podczas gdy w tym samym czasie w Aleksandrii, leżącej według Eratostenesa na tym samym [[południk]]u (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 [[Kąt#Klasyfikacja|kąta pełnego]]).

Od przewodników [[karawana|karawan]] wiedział także, że odległość pomiędzy tymi miastami wynosi ok. 5000 [[Stadion (miara)|stadionów]] (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&nbsp;000 km.

Pomimo iż w obliczeniach były pewne niedokładności (rzeczywista średnia wartość obwodu Ziemi wynosi 40&nbsp;041 km, a uważa się, że Eratostenes podał ją w granicach od 39&nbsp;690 km do 46&nbsp;620 km), do dnia dzisiejszego używa się tej metody do dokładnych pomiarów Ziemi.

== Eksperyment Galileusza (rok 1600) – spadek swobodny ciał o różnej masie ==
[[Plik:Krzywa wieża w Pizie i Galileusz.png|thumb|180px|[[Galileusz]] zrzucający kule z [[Krzywa Wieża w Pizie|Krzywej Wieży w Pizie]] ([[fotomontaż]] ilustrujący eksperyment)]]
[[Arystoteles]] twierdził, że ciało spada na ziemię tym szybciej, im jest cięższe. Aż do późnych lat XVI wieku było to bardzo popularne mniemanie, co uzmysławia, jak bardzo zaniedbywano w okresie [[Średniowiecze|średniowiecza]] fizykę doświadczalną, skoro nadal opierano się na błędnej w tym wypadku wiedzy starożytnych [[Grecy|Greków]] (klasycyzm – powtarzana była teoria, lecz bez empirycznej weryfikacji). Dopiero [[Galileusz]] przeciwstawił się temu twierdzeniu, stawiając na szali cały swój autorytet i stanowisko [[Dziekan (szkolnictwo wyższe)|dziekana]] [[katedra (jednostka organizacyjna)|katedry]] [[matematyka|matematyki]] na Uniwersytecie w [[Piza|Pizie]].

Zrobił to zrzucając kule o różnych masach z [[Krzywa Wieża w Pizie|Krzywej Wieży w Pizie]] i mierząc [[czas]] ich spadania. Jednocześnie upuścił z wieży dwie kule: ciężką kulę armatnią o masie 8 kg i lżejszą kulkę [[muszkiet]]ową o masie 20 [[g]]. Oba ciała (które miały podobną formę) dosięgnęły ziemi w tym samym momencie.

Udowodnił zatem, że czas ich opadania jest taki sam (przy zaniedbaniu nieznacznego w tym przypadku efektu wynikłego z [[Opór ruchu|oporu]] [[powietrze|powietrza]]). Dowód ten stanowi jedną z podwalin [[mechanika klasyczna|mechaniki klasycznej]].
{{clear}}

== Eksperyment Galileusza (rok 1600) – obserwacja ruchu ciał staczających się z równi pochyłej ==
[[Plik:Galileo-1638-173.jpg|thumb|200px|Strona z pracy [[Galileusz]]a ''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<ref>Zgodnie z biografią Galileusza autorstwa Jamesa Restona Jr. pt. ''Galileusz'' (wyd. Prószyński i S-ka, Warszawa 1998, {{ISBN|83-71-80117-3}}), Galileusz nigdy nie przeprowadził eksperymentu ze zrzucaniem kul z krzywej wieży. Rozważał tylko taką możliwość a sam fakt nigdy nie zaszedł.</ref>, to nikt nie wątpi w to, że [[Galileusz]] wykorzystał kule toczące się w dół na [[równia pochyła|równi pochyłej]] w celu badania ich [[prędkość|prędkości]] i [[przyspieszenie|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. Galileusz pochylił blat tak, że utworzył on równię pochyłą i staczał po nim mosiężne kule. Jednocześnie mierzył czas ich toczenia za pomocą [[zegar]]a 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.

[[Plik:Inclined plane.svg|thumb|left|250px|[[Równia pochyła]]]]
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 jest przyspieszenie wnoszone przez [[grawitacja|grawitację]].

Oba eksperymenty (ze zrzucaniem kul z wieży i z toczeniem ich na równi pochyłej) dowodziły tej samej 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.
{{clear}}

== Eksperyment Newtona (lata 1665–1666) – rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu ==
[[Plik:Light dispersion conceptual waves.gif|thumb|300px|[[Barwa biała|Światło białe]] rozszczepione w [[pryzmat|pryzmacie]] w [[Widmo optyczne|spektrum]] optyczne.]]
[[Plik:Spectrum4websiteEval.png|thumb|300px|[[Widmo optyczne|Spektrum]] [[Barwa biała|światła białego]]]]
[[Barwa biała|Światło białe]], które po przejściu przez [[pryzmat]] rozszczepia się na różne [[Barwa|kolory]], można z powrotem złożyć (np. za pomocą pryzmatu lub luster) w światło białe. Na ten fakt zwrócił uwagę po raz pierwszy [[Isaac Newton#Newton i optyka|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. [[tęcza|tęczę]]) przyznaje, że jest to zjawisko nad wyraz [[piękno|piękne]] i malownicze.
{{clear}}

== Eksperyment Cavendisha (rok 1798) – wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą wagi skręceń ==
[[Plik:Cavendish Experiment.png|thumb|250px|Rysunek sporządzony przez Cavendisha; przedstawia jego wagę skręceń zbudowaną wewnątrz budynku.]]
[[Plik:CavendishSchematic111.jpg|thumb|250px|Jedno z ramion (''m'') wagi, duża kula (''W''), mała kulka (''x'') oraz obudowanie izolujące (''ABCDE'').]]
[[Plik:Tortion bar.jpg|thumb|125px|Waga skręceń w kształcie słoja.]]
{{osobny artykuł|Eksperyment Cavendisha}}

Może to być pewnym zaskoczeniem dla przeciętnego człowieka, ale wartość jednej z fundamentalnych [[stałe fizyczne|stałych]] naszego świata – [[stała grawitacji|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<sup>−11</sup> Nm²/kg²(15) przy maksymalnym [[błąd pomiaru|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 Cavendish|Henry’ego Cavendisha]].

Trzy uniwersalne [[Zasady dynamiki Newtona|prawa ruchu]] i [[prawo powszechnego ciążenia]] sformułował inny angielski uczony, [[Isaac Newton|Sir Isaac Newton]] w dziele [[Matematyczne zasady filozofii naturalnej|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 [[Ziemia|Ziemi]].

Eksperymenty, które doprowadziły do wyznaczenia stałej G, a jednocześnie do zmierzenia masy Ziemi, przeprowadzał on w latach 1797–1798. Użył przyrządu i oparł się na metodzie opisanej przez [[John Michell|Johna Michella]], który zmarł przed ukończeniem swoich badań. Aparat zwany [[waga skręceń|wagą skręceń]] składał się z cienkiej nici [[kwarc]]owej, na której zawieszony był lekki pręt. Na końcach pręta zawieszone były małe [[kula|kule]]. Do nici było przymocowane [[lustro|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 [[ołów|ołowiane]] (o znanych masach, dokładnie po 350 [[Funt (masa)|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 [[Prawo powszechnego ciążenia|prawa powszechnego ciążenia]] wyznaczyć z równą dokładnością [[masa (fizyka)|masę]] Ziemi:
: <math>M_z=\frac{gR_z^2}{G},</math>

gdzie: g to [[przyspieszenie ziemskie]], a R<sub>z</sub> to długość [[Promień (geometria)|promienia]] Ziemi.

Cavendish podał także tę masę, a niejako „z rozpędu” obliczył masy [[Słońce|Słońca]], [[Jowisz]]a i innych planet, których [[satelita|satelity]] były znane w tamtych czasach. Można je obliczyć ze wzoru, np. dla masy Słońca:
: <math>M_s=\frac{FR^2}{GM_z},</math>

gdzie: R to odległość Ziemi od Słońca, F to działająca siła między tymi ciałami.

Najnowsze obliczenia stałej G informują, że masa Ziemi wynosi 5,9722450 × 10<sup>24</sup> kg (która to wartość różni się tylko o 1% od wartości obliczonej przez Cavendisha), zaś Słońca 1,9884350 × 10<sup>30</sup> kg.

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

== Doświadczenie Younga (rok 1801) – interferencja światła na dwu szczelinach ==
{{osobny artykuł|doświadczenie Younga}}
[[Thomas 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. Young rozumował w następujący sposób: zjawiskiem które zachodzi dla fali, a nie zachodzi dla strumienia cząstek jest [[interferencja]]. Gdy przepuści się [[światło]] poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzuci na ekran można na nim zaobserwować charakterystyczne prążki, które nie wystąpiłyby, gdyby światło nie było falą. Eksperyment ten potwierdza więc [[fala|falową]] naturę światła. Poniższy rysunek w poglądowy sposób wyjaśnia zaobserwowane zjawiska.

[[Plik:YoungsDoubleSlit.png|thumb|center|800px|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 – według teorii falowej, particle theory – według teorii cząsteczkowej]]
{{clear}}

== Wahadło Foucaulta (rok 1851) – doświadczalne potwierdzenie ruchu obrotowego Ziemi ==
{{osobny artykuł|Wahadło Foucaulta}}
[[Plik:Foucault pendulum in the Franklin Institute.jpg|thumb|left|250px|[[Wahadło Foucaulta]] w Instytucie Franklina w [[Filadelfia|Filadelfii]]]]
[[Plik:Foucault pendulum at north pole.png|thumb|150px|Hipotetyczne [[wahadło Foucaulta]] umieszczone na [[Biegun północny|biegunie północnym]]]]
[[Plik:Foucault pendulum animated.gif|thumb|150px|Animacja ruchu wahadła na półkuli południowej]]

Ruch [[wahadło Foucaulta|wahadła Foucaulta]] (dzięki dużej masie obciążnika i zawieszeniu tylko w jednym punkcie) jest długotrwały i praktycznie niezależny od ruchu obrotowego [[Ziemia|Ziemi]]. Dla wahadła zawieszonego nad [[biegun geograficzny|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 [[równik]]u płaszczyzna drgań nie zmienia położenia względem powierzchni Ziemi). Wynalazca, [[Jean Bernard Léon Foucault]], zademonstrował je po raz pierwszy w 1851 w [[Panteon w Paryżu|Panteonie w Paryżu]].

O tym, że Ziemia cały czas się obraca można przekonać się także w Polsce:
* Wahadło Foucaulta ma m.in. Wydział Fizyki [[Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu|Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu]].
* Od września 2005 doświadczenie to można obserwować także w wieży [[Zamek Książąt Pomorskich w Szczecinie|Zamku Książąt Pomorskich w Szczecinie]], gdzie znajduje się obciążnik o masie 76 kg (długość ramienia: 28,5 m).
* Od 25 stycznia 2005 roku wahadło takie znajduje się również na dziedzińcu południowym Gmachu Głównego [[Politechnika Gdańska|Politechniki Gdańskiej]] (ramię o długości 26 metrów, masa 64 kilogramów).
* Również [[Frombork]] ma swoje wahadło – w Wieży Radziejowskiego, będącej częścią zespołu [[katedra]]lnego, gdzie [[Mikołaj Kopernik]] napisał „[[De revolutionibus orbium coelestium|De revolutionibus...]]”
* Nieco mniejsze wahadło ma [[Politechnika Częstochowska]].
* Wahadło o najdłuższym ramieniu w Polsce znajduje się w Krakowie, w [[Kościół Świętych Apostołów Piotra i Pawła w Krakowie|kościele pw. Świętych Apostołów Piotra i Pawła]] (długość: 46,5 m; masa: 25 kg; 15-minutowe pokazy odbywają się w każdy czwartek o godzinie 10.00, 11.00 i 12.00).
* Najcięższe wahadło w Polsce i w Europie o masie 245 kg (długość ramienia 15,5 m) można obserwować w warszawskim [[Centrum Nauki Kopernik w Warszawie|Centrum Nauki Kopernik]] od listopada 2010 roku.{{clear}}

== Doświadczenie Millikana (rok 1909) – wyznaczenie ładunku elektronu za pomocą spadającej w polu elektrycznym kropli oleju ==
[[Plik:Millikan's setup for the oil drop experiment.jpg|thumb|300px|Stanowisko Millikana służące do wyznaczania ładunku elektronu.]]
{{osobny artykuł|Eksperyment Millikana}}

Fizyk amerykański [[Robert Millikan]] w roku 1910 przeprowadził doświadczenie, w którym wykazał stałość ładunku [[elektron]]u i wyznaczył jego wartość. Użył do tego rozpylonych kropel [[Oleje|oleju]], które spadały swobodnie w [[pole elektryczne|polu elektrycznym]]. Opracowując wyniki wielu powtórzeń swojego eksperymentu stwierdził, że ładunek elektryczny kropli może osiągnąć tylko wartości będące wielokrotnościami podstawowej wartości pojedynczego [[Ładunek elektryczny elementarny|ładunku elektrycznego elektronu]] wartość bezwzględna ładunku elektronu równa 1,6·10<sup>−19</sup>C.
{{clear}}

== Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra atomowego ==
[[Plik:Plum pudding atom.svg|thumb|200px|Model atomu według koncepcji Thomsona: ''model ciasta z rodzynkami'' – ładunki ujemne (elektrony) porozrzucane równomiernie w dużej strukturze ładunku dodatniego.]]
[[Plik:Rutherford gold foil experiment results.svg|thumb|245px|Eksperyment Rutherforda.<br />
''Górny rysunek:'' według teorii Thomsona cząstki alfa swobodnie pokonują wnętrze atomu.<br />
''Dolny rysunek:'' obserwowany rezultat eksperymentu: niewielka część cząstek jest odbijana, ukazując mały skoncentrowany w niewielkiej przestrzeni ładunek dodatni]]
{{osobny artykuł|Eksperyment Rutherforda}}

W roku 1897 fizyk angielski, profesor Uniwersytetu Cambridge, [[nagroda Nobla|noblista]] [[Joseph John Thomson|sir Joseph John Thomson]] odkrył [[elektron]]. Odkrycie ujemnie naładowanego elektronu, który można oderwać od atomu, zachwiało poglądami na temat budowy [[atom]]u – 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 stabilnym i wiarygodnym opisem materii; w dodatku nie kłóciła się z intuicyjnym przekonaniem o ciągłości i spoistości materii. Odkrycie nowego rodzaju promieniowania, znanego obecnie jako [[promieniowanie jądrowe]], wywołało nową falę niejasności i niepewności w świecie nauki. Model ciasta z rodzynkami nie nadawał się do wyjaśnienia przyczyny zjawiska emisji atomów przez inne atomy.

Hipotezę Thomsona podważył jego dawny uczeń i następca na katedrze fizyki, Nowozelandczyk [[Ernest Rutherford|sir Ernest Rutherford]], będący notabene pierwszym cudzoziemskim studentem na katedrze im. Cavendisha.

Rutherford zaprojektował eksperyment polegający na bombardowaniu bardzo cienkiej [[złoto|złotej]] folii [[promieniowanie alfa|promieniowaniem alfa]] (pozyskiwanymi przy użyciu [[radioaktywność|radioaktywnego]] [[radon]]u jądrami [[Hel (pierwiastek)|helowymi]]) i obserwacji charakteru rozkładu kątowego przechodzących przez nią cząstek alfa, co miało pozwolić określić strukturę budowy atomu. Przyrząd do badania zjawiska zawierał źródło cząstek alfa w ołowianym pojemniku z niewielkim otworem skierowanym na złotą folię, zaś funkcję detektora scyntylacyjnego pełnił ekran pokryty [[siarczek cynku|siarczkiem cynku]]. Podczas eksperymentu detektor scyntylacyjny umieszczano pod różnymi kątami względem pierwotnego kierunku promieniowania alfa. Obserwacja ekranu przez lupę umożliwiała zobaczenie błysków, gdy cząstka alfa trafiała w [[scyntylator]].

Wyznaczając zależność liczby cząstek alfa trafiających w ekran od kąta rozpraszania, uzyskać można dane o nierównomierności rozkładu ładunku w jądrze, a także o liczbie elektronów w atomie.

Eksperyment przeprowadzony został w maju 1909 roku przez stażystę [[Hans Geiger|Hansa Geigera]] (od którego nazwiska nazwany został także [[przyrząd pomiarowy]], [[licznik Geigera]]) oraz studenta [[Ernest Marsden|Ernesta Marsdena]].

Zgodnie z teorią Thomsona wszystkie cząstki alfa powinny bez przeszkód przejść przez daną folię. Eksperyment wykazał, iż niewielka część (średnio jedna na 8000) wystrzelonych cząstek alfa odbija się od złotej folii, co zadziwiło eksperymentatorów i obaliło teorię Thomsona. Rutherford skomentował to słynnymi słowami: „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”.

Na początku 1911 roku Rutherford opublikował wnioski. Jego model atomu zakładał istnienie stosunkowo niewielkiego jądra o bardzo dużej masie, a w znacznej odległości od niego elektrony umieszczone na orbitach. Ze względu na wyraźną analogię pomiędzy budową atomu i budową [[Układ Słoneczny|Układu Słonecznego]], koncepcja Rutherforda nazywana jest planetarną budową atomu.

Model planetarny został udoskonalony w roku 1913 przez [[Niels Bohr|Nielsa Bohra]].

Eksperyment Rutherforda wraz z wypływającymi zeń wnioskami okazał się być pierwszym kamieniem milowym dla rozwoju współczesnej fizyki kwantowej. Także idea planetarnej budowy atomu, choć niedoskonała, stanowi punkt wyjścia dla współcześnie znanego modelu atomu (zobacz: [[atom]], [[mechanika kwantowa]]).

== Doświadczenie Davissona i Germera (rok 1927) – dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów na monokrysztale niklu ==
[[Plik:LEED Optics.png|thumb|350px|Budowa współczesnego przyrządu do badania dyfrakcji elektronów mających małą energię (oznaczenia: ''Cathode'' – katoda, ''Grid'' – siatka, ''Sample'' – badana próbka, ''Phosphor Screen'' – ekran pokryty [[fosfor]]em, ''Concentric Grids'' – koncentryczne siatki)]]
[[Plik:Electron scattering.png|thumb|350px|Rozpraszanie elektronów na [[sieć krystaliczna|siatce krystalicznej]] (''screen'' – ekran).]]
{{osobny artykuł|Doświadczenie Davissona i Germera}}

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 [[Louis de Broglie|Louisa Victora de Broglie’a]], który w roku 1924 w swojej pracy doktorskiej zaproponował, aby ten dziwny [[dualizm korpuskularno-falowy|podwójny charakter]] światła uznać za fundamentalną właściwość przyrody. Teorię tę można więc wykorzystać także do rozważań nad zachowaniem innych cząstek, takich jak np. [[elektron]]. Jeśli fale mogą być jednocześnie [[cząstka]]mi, to analogicznie rzecz biorąc, cząstki mogą być falami. De Broglie poszedł dalej i przedstawił także [[Fale materii|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 Joseph Davisson|Clinton Davisson]] i [[Lester Germer]], którzy w owym czasie pracowali w słynnym [[Bell Labs|Laboratorium Bella]] i zajmowali się badaniem [[lampa próżniowa|lamp próżniowych]]. Praca ich polegała m.in. na badaniu zachowania się powierzchni [[metal (materiałoznawstwo)|metalowych]] pokrytych różnymi [[Tlenki|tlenkami]] poddanych bombardowaniu strumieniem wolno poruszających się elektronów.

W jednym z tych eksperymentów naukowcy kierowali wiązkę elektronów w kierunku [[Ciało krystaliczne|kryształu]] [[nikiel|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.

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 [[Wielka Brytania|Anglii]]. Natychmiast skojarzył oba te fakty i po powrocie do [[Stany Zjednoczone|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 [[nikiel|niklu]] pod dokładnie takim samym kątem, który był przewidziany dla dyfrakcji [[promieniowanie rentgenowskie|promieni X]] zgodnie z [[Prawo Bragga|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 [[fala|fal]] płaskich. Elektrony zachowują się więc tak jak fale, a ich długość zależy od [[Energia (fizyka)|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 [[mechanika kwantowa|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 Thomson|George’a Pageta Thomsona]] (syna sławnego [[Joseph John Thomson|Josepha Johna Thomsona]]), podczas których można było zaobserwować zjawisko dyfrakcji przy bombardowaniu cienkiej folii strumieniem mających 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 materii|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 z Davissonem otrzymał [[Nagroda Nobla|Nagrodę Nobla]].

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Linki zewnętrzne ==
* {{Cytuj stronę |url = http://physics.nad.ru/Physics/English/top10.htm |tytuł = Science’s 10 Most Beautiful Experiments |opublikowany = physics.nad.ru |archiwum = https://web.archive.org/web/20060406230926/http://physics.nad.ru/Physics/English/top10.htm |zarchiwizowano = 2006-04-06}} – artykuły (w [[język angielski|języku angielskim]] i [[język rosyjski|rosyjskim]]) i animacje komputerowe w obrazowy sposób przedstawiające doświadczenia fizyczne
* {{Cytuj stronę |url = http://physicsworld.com/cws/article/print/9746 |tytuł = Robert P. Crease „The most beautiful experiment” |opublikowany = physicsworld.com |archiwum = https://web.archive.org/web/20120401054712/http://physicsworld.com/cws/article/print/9746 |zarchiwizowano = 2012-04-01}} – artykuł w [[język angielski|języku angielskim]]

[[Kategoria:Eksperymenty fizyczne]]
[[Kategoria:Historia fizyki]]