Michelson a nauka współczesna Prof. dr hab. Józef Szudy Instytut Fizyki

1. 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.

2. 1. OD WZORCA METRA DO POJĘCIA SPINU • 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.

3. 1). Jak powiązać λ z wzorcem ? 2). Jaki pierwiastek użyć w roli standardu ? Pierwsza sugestia (linia żółta D sodu); Michelson odkrywa, że linia ta składa się z dwóch składowych (DUBLET). [STRUKTURA SUBTELNA]. Widmo sodu

4. Odziaływanie subtelne Poprawka spin-orbita wynosiVl,s= - μs• Bl Vl,s= a/2 [j(j+1) - l(l+1) - s(s+1)]      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.

5. 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

6. 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).

7. 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).

8. 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.

9. Rok 1892: Michelson odkrywa, że dwie linie w serii Balmera w widmie wodoru (linie H- α i H - β) są także DUBLETAMI ! Struktura linii H-α w temperaturze pokojowej. 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. Widmo wodoru (seria Balmera)

10. 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;

11. Rok 1925: GOUDSMIT i UHLENBECK zakładają, że elektron posiadaSPIN (własny moment pędu). Rok 1927: DIRAC tworzy relatywistyczną mechanikę kwantową: w pełni poprawne wyjaśnienie struktury subtelnej linii widmowych.

12. 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).

13. 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 !

14. 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

15. 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

16. 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

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