74 Â

WIAT

N

AUKI

Paêdziernik 1997

O

ko∏o roku 1875 James Clerk
Maxwell, którego wspania∏e
dzie∏o wcià˝ jest podstawà na-

szej fizyki, opisywa∏ atomy jako „kamie-
nie fundamentów materialnego Êwiata
(...) niepodzielne i niezniszczalne; trwa-
jàce po dziÊ dzieƒ, tak jak zosta∏y stwo-
rzone, doskona∏e w liczbie, mierze i
ci´˝arze”.

W 1899 roku, 20 lat po przedwczesnej

Êmierci uczonego, Joseph John Thom-
son, trzeci z kolei dyrektor utworzone-
go w University of Cambridge przez
Maxwella laboratorium, mówi∏ ju˝
zupe∏nie inaczej. A to dlatego, ˝e odkry∏
elektron. W ka˝dym zjawisku elektrycz-
nym – t∏umaczy∏ – „zachodzi w grun-
cie rzeczy rozdzielenie atomu, jego cz´Êç
(...) uwalnia si´ i pozostaje od niego od-
dzielona”. To „rozszczepienie atomu”
zwiàzane z przekazem elektronów za-
chodzi powszechnie w procesach elek-
trycznych i chemicznych, takich choç-
by jak solenie zupy.

Cofnijmy si´ do lat trzydziestych

XIX wieku, kiedy to Michael Faraday
przepuÊci∏ pràd sta∏y pomi´-
dzy dwoma p∏ytkami miedzia-
nymi zanurzonymi w niebie-
skozielonym roztworze siar-
czanu miedzi i zauwa˝y∏, ˝e
ujemna p∏ytka – katoda – sta-
∏a si´ ci´˝sza, a dodatnia l˝ej-
sza. Dodatnie ∏adunki prze-
mieszczajàce si´ wraz z atomami
metalicznej miedzi Faraday nazwa∏ „jo-
nami”. Te jony zawsze przenosi∏y jakàÊ
mas´ ÊciÊle proporcjonalnà do ci´˝aru
atomów, z poprawkà 2 lub 3 z uwagi
na ró˝ne wartoÊciowoÊci. (Metaliczne
przewody ró˝nià si´ zasadniczo od cie-
k∏ych elektrolitów. Du˝y pràd mo˝e bez
koƒca p∏ynàç w miedzianym drucie, nie
towarzyszy mu jednak przemieszcza-
nie si´ atomów miedzi. Cokolwiek prze-
p∏ywa w drucie, nie sà to atomy metalu.)

Równania Maxwella opisujàce zacho-

wawczy przep∏yw pràdu wskazywa∏y
na koniecznoÊç uwzgl´dnienia pola
elektrycznego, a nie lokalnych ∏adun-
ków. Stàd jego niejasny poglàd na ∏adu-
nek i wàtpliwoÊci, czy pràd rzeczywi-

Êcie jest po prostu przep∏ywem ∏a-
dunków. W 1873 roku Maxwell
pisa∏ co prawda o jednej „czà-
steczce elektrycznoÊci”, ale na-
tychmiast uzna∏ ten termin za
„uproszczenie (...) niezgodne z
teorià, dobre jedynie jako pami´-
ciowa wskazówka”.

W po∏owie lat osiemdziesiàtych

XIX wieku chemicy przedstawi-
li szczegó∏owe wyobra˝enie bu-
dowy wielu czàsteczek, i to bez pos∏u-
giwania si´ jakimikolwiek obraza-
mi. „Chemiczna logika”, jakà zastoso-
wali, oparta by∏a na przekonaniu, i˝
atomy sà ze sobà w przestrzeni powià-
zane. W roku 1881 Herman von Helm-
holtz podczas wyk∏adu w Wielkiej Bry-
tanii podkreÊla∏ w∏aÊnie to, czego uni-
ka∏ Maxwell: „JeÊli przyjmiemy kon-
cepcj´ (...) atomów, to nie unikniemy
wniosku, ˝e sama elektrycznoÊç rów-
nie˝ jest podzielona na (...) atomy elek-
trycznoÊci.” W 1891 roku George Sto-
ney zaproponowa∏ nawet nazw´ dla
faradayowskiego „atomu elektrycz-

nego ∏adunku”, jeszcze zanim zosta∏
on wyizolowany – elektr[i]on.

Sensacjà roku 1896 by∏o zademon-

strowanie przez Wilhelma Conrada
Roentgena promieni X – przenikliwego
promieniowania elektromagnetyczne-
go pochodzàcego od promieni kato-
dowych, gdy zastosuje si´ wysokie
napi´cie. Rok wczeÊniej Philipp Le-
nard zidentyfikowa∏ promienie katodo-
we jako lekkie czàstki o ujemnym ∏a-
dunku. W Cavendish Laboratory w
Cambridge Thomson budowa∏ najdo-
skonalsze wówczas rury wy∏adowcze,
dzi´ki czemu uzyskiwa∏ najlepsze wiàz-
ki promieni katodowych i pog∏´bia∏ zna-
jomoÊç si∏ elektromagnetycznych. Pro-
mienie katodowe rzeczywiÊcie zakrzy-

wia∏y swój bieg podobnie jak ∏adunki
w polu magnetycznym – ka˝dy to móg∏
zobaczyç – i reagowa∏y równie˝ na po-
le elektryczne.

Thomson przy∏o˝y∏ jednoczeÊnie sil-

ne pole elektryczne i magnetyczne, po-
przecznie do odpompowanej rury szkla-
nej, wzd∏u˝ której rozchodzi∏y si´
promienie katodowe. W ten sposób od-
chylenie promieni spowodowane polem
magnetycznym mog∏o byç kompenso-
wane przez pole elektryczne. Przy w∏a-
Êciwych ustawieniach droga wiàzki, uja-
wniana dzi´ki fluorescencji ekranu tam,
gdzie zosta∏ on przez nià oÊwietlony, po-

zostawa∏a prosta. Stosunek obu
pól w takim zrównowa˝eniu
wyznacza∏ stosunek ∏adunku
czàstki e do jej masy m.

Aby osobno okreÊliç ∏adunek

lub mas´ czàstki, trzeba by∏o
znaç jej pr´dkoÊç. Thomson ob-
liczy∏ jà w niezwykle prosty

sposób: zmierzy∏ wzrost temperatury
ma∏ego metalowego naczynka, do któ-
rego wpada∏a wiàzka. To pozwoli∏o mu
okreÊliç ca∏kowità energi´ kinetycznà
promieniowania, podczas gdy liczb´
elektronów móg∏ znaleêç na podstawie
przenoszonego przez nie ∏adunku.
Z tych pomiarów wyliczy∏ mas´ i ∏adu-
nek elektronu.

Thomson przedstawi∏ swoje prace

szerszej publicznoÊci wiosnà 1897 ro-
ku. Obliczona przezeƒ wielkoÊç ∏adun-
ku e by∏a bliska wartoÊci podanej przez
Faradaya: równa co do wielkoÊci ∏adun-
kowi dodatniego jonu wodoru, ale ze
znakiem przeciwnym. Masa m okaza-
∏a si´ nieznaczna, przesz∏o 1000 razy

Chemicy przedstawili szczegó∏owe

wyobra˝enie budowy wielu czàsteczek,

i to bez pos∏ugiwania si´

jakimikolwiek obrazami.

ZADZIWIENIA

Philip Morrison

W stulecie

subatomowego Êwiata

KOMENTARZ

DUSAN PETRICIC

Ciàg dalszy na stronie 76

76 Â

WIAT

N

AUKI

Paêdziernik 1997

brzegów Nowej Fundlandii by∏y mu-
zykà dla jego .._ /... /_ _.. /.._

Jednym z doradców Fielda by∏ nieja-

ki Samuel Morse, który od çwierçwie-
cza uk∏ada∏ kable telegraficzne. W roku
1844 po∏àczy∏ Baltimore z Waszyng-
tonem i przekaza∏ jako pierwszà depe-
sz´ cytat z Biblii: „Pan to uczyni∏”
(Psalm 22, 31), czym wprawi∏ Kongres
w oszo∏omienie. Jednak˝e nie do tego
stopnia, by zechciano sfinansowaç jego
pomys∏y. Na szcz´Êcie dyrektorem han-
dlowym Morse’a by∏ szczwany lis,
Amos Kendall, by∏y minister poczty
USA, przez którego posiad∏oÊç bieg∏ ten
kabel. Doradzi∏ Morse’owi, by zamiast
zabiegaç o wsparcie rzàdowe za∏o˝y∏
prywatne towarzystwo telegraficzne.

W zamian za t´ dziecinnie oczywistà

rad´ Kendall zyska∏ 10% od pierwszych
100 tys. dolarów zarobionych przez
Morse’a i 50% od ca∏ej reszty. Tak ˝e
w 1864 roku by∏ ju˝ bogatym cz∏owie-
kiem. ˚ona Kendalla by∏a g∏ucha, po-
dobnie jak ˝ona Morse’a. Tote˝ Kendall
wspomóg∏ cz´Êcià tak ∏atwo zdobytej
fortuny utworzenie National Deaf
Mute College (obecnie Gallaudet Uni-

versity), pierwszego paƒstwowego uni-
wersytetu g∏uchoniemych.

W po∏owie XIX wieku wielce intere-

sowano si´ w Ameryce wadami mowy
i s∏uchu oraz tym, jak powinno si´ je le-
czyç. Inny jeszcze cz∏owiek, który wy-
bi∏ si´ o w∏asnych si∏ach i zrobi∏ fortun´
na ∏àcznoÊci, zak∏ada∏ szko∏y dla jàka-
∏ów. By∏ to Henry Wells, sam jàka∏a, któ-
ry zaczyna∏ jako agent frachtowy w No-
wym Jorku, a w 1850 roku za∏o˝y∏
wespó∏ z Williamem Fargo przedsi´-
biorstwo turystyczne o nazwie Ameri-
can Express. W tym˝e roku wyruszy∏o
55 tys. ludzi na zachód, do Kalifornii.
SpoÊród nich 36 tys. dotar∏o tam, po-
dobnie jak wi´kszoÊç przesy∏ek poczto-
wych, drogà morskà, gdy˝ perspekty-
wa umierania z pragnienia czy udaru
s∏onecznego, a tak˝e utrudnienia ze stro-
ny Indian cokolwiek zniech´ca∏y do ko-
rzystania z drogi làdowej.

Jak zwykle pieniàdze pozwoli∏y prze-

zwyci´˝yç owe drobne niedogodnoÊci.
W 1858 roku odkryto z∏oto w Kolorado
i w Kansas. W dwa lata póêniej listy pra-
cujàcym tam górnikom dor´czali po-
kryci potem i kurzem jeêdêcy, którzy

ostatnie 150 km przebywali pe∏nym ga-
lopem. Wells i Fargo prowadzili zachod-
ni odcinek owej niedorzecznej, efeme-
rycznej poczty, znanej pod nazwà Pony
Express. Niedorzecznej, gdy˝ stracono
na niej wielkie sumy, efemerycznej, po-
niewa˝ dzia∏a∏a tylko pó∏tora roku, albo-
wiem w paêdzierniku 1861 roku ukoƒ-
czono ju˝ lini´ telegraficznà ∏àczàcà
wybrze˝a Atlantyku i Pacyfiku.

Zanim to wszak˝e nastàpi∏o, prac´ na

tej poczcie porzuci∏ pewien doÊç nie-
zwyk∏y kurier, Bill Cody, by zajàç si´
zaopatrywaniem w mi´so kolei Union
Pacific. Umia∏ on nie tylko p´dziç kon-
no jak wiatr, ale i po mistrzowsku strze-
laç. Prawd´ mówiàc, na szcz´Êcie nie
ca∏kiem po mistrzowsku, choç dzi´ki
imponujàcym rekordom – 4280 zwie-
rzàt zabitych w ciàgu oÊmiu miesi´cy
(69 jednego tylko dnia) – zyska∏ sobie
przydomek „Buffalo” Bill. Bo gdyby
strzela∏ troch´ lepiej, nie móg∏bym po-
dziwiaç w londyƒskim zoo tego wspa-
nia∏ego bizona.

No to szufla, musz´ koƒczyç.

T∏umaczy∏

Boles∏aw Or∏owski

mniejsza od masy wodoru, najl˝ejszego
z atomów. Dwa lata póêniej Thomson
znalaz∏ brakujàce logiczne ogniwo –
elektrony nie by∏y czymÊ obcym, lecz
sk∏adnikami zwyk∏ych atomów. Po-
wtórzy∏ doÊwiadczenie, przyspiesza-
jàc elektrony uwolnione z materia∏u
przy niskim napi´ciu. Ich ∏adunek i ma-
sa by∏y takie same jak promieni kato-
dowych wytwarzanych przy wysokim
napi´ciu. Ka˝dy atom mo˝na by∏o teraz
rozdzieliç na elektrony i dodatnio na∏a-
dowanà reszt´. Niepodzielne zosta∏o
rozdzielone.

By∏em rozczarowany, gdy zda∏em so-

bie spraw´, ˝e d∏uga droga do odkry-
cia Thomsona nie zainteresowa∏a tak
dociekliwych i zdolnych studentów jak
Albert Einstein czy nieco m∏odszy Max
Born. W ich listach i publikacjach z ko-
lejnych dwóch lat widaç podziw dla od-
krycia elektronów, ale samemu Thom-
sonowi poÊwi´cajà ma∏o uwagi, a jego
umiej´tnoÊç rozdzielenia atomu pozo-
stawiajà bez wzmianki. Dlaczego?

Wydaje si´, ˝e ci m∏odzi teoretycy

traktowali odkrycie przez Thomsona
subatomowego elektronu jedynie jako
potwierdzenie wyników teoretycznych
przewidywaƒ, których oczekiwano od
co najmniej roku. Einstein w wieku 67 lat
wspomina∏, ˝e „teoria Maxwella by∏a
najbardziej fascynujàcym przedmiotem”

za jego lat studenckich. Podobnie jak in-
ni pilni czytelnicy znalaz∏ w niej pewnà
osobliwoÊç: to materia, a nie przestrzeƒ
by∏a zarazem êród∏em, jak i noÊnikiem
pól. Obydwaj m∏odzi teoretycy przyswo-
ili sobie raczej poglàdy wielkiego fizy-
ka z Lejdy, Hendrika A. Lorentza, który
doceniajàc równania Maxwella, w mia-
r´ up∏ywu lat przesunà∏ ich punkt ci´˝-
koÊci i doda∏ jedno równanie, „si∏´ Lo-
rentza” dzia∏ajàcà na ∏adunek punktowy.
Dla Lorentza pola istnia∏y jedynie
w pró˝ni. Atomowa materia by∏a noÊni-
kiem dodatnich i ujemnych ∏adunków,
których ruch i rozmieszczenie wytwa-
rza∏y ró˝norodne konfiguracje pól.

DoÊwiadczenia wykazujàce realnoÊç

∏adunków przeprowadza∏ nowicjusz
Pieter Zeeman, a zinterpretowa∏ je na-
tychmiast starszy wiekiem teoretyk Lo-
rentz. Ich laboratorium w Lejdzie po-
dobnie jak inne dosta∏o od Henry’ego
Rowlanda z Johns Hopkins University
nowà, precyzyjnie wyrytà siatk´ dyfrak-
cyjnà, która o rzàd wielkoÊci poprawi∏a
zdolnoÊç rozdzielczà spektroskopii.
Zeeman przeczyta∏ pochwalny esej
Maxwella o Faradayu, i to zach´ci∏o go
do powtórzenia, tym razem z siatkà dy-
frakcyjnà, wczeÊniejszego o 30 lat do-
Êwiadczenia, w którym Faraday, pos∏u-
gujàc si´ pryzmatem, nie uzyska∏
oczekiwanych efektów. P∏omieƒ palni-
ka Bunsena umieszczony mi´dzy bie-
gunami elektromagnesu podgrzewa∏

kawa∏ek azbestu nasàczony wczeÊniej
s∏onà wodà; w ˝ó∏tym Êwietle goràcych
par sodu dominowa∏a wàska, podwój-
na linia spektralna.

Dopiero teraz mo˝na by∏o zaobserwo-

waç, jak linie si´ poszerza∏y po w∏àczeniu
silnego pola magnetycznego. Lorentz
wiedzia∏, ˝e elektrony krà˝àce po stacjo-
narnej orbicie z chwilà w∏àczenia ze-
wn´trznego pola magnetycznego b´dà
poruszaç si´ nieco szybciej (lub nieco
wolniej, w zale˝noÊci od kierunku pola).
Móg∏ wi´c, korzystajàc ze zmierzonych
przez Zeemana niewielkich zmian d∏ugo-
Êci fali, obliczyç stosunek ∏adunku do
masy dla elektronów poruszajàcych si´
w atomie. Spodziewano si´ spolaryzo-
wanego Êwiat∏a i wykryto je doÊwiad-
czalnie. To pozwoli∏o ustaliç znak pro-
mieniujàcego elektronu – ujemny, taki
jak dla promieni katodowych.

OczywiÊcie teoria Lorentza nie mo-

g∏a byç kompletna. Nie mia∏ on ˝adnej
„mapy” atomu. Jednak jeszcze przed
koƒcem 1896 roku badacze z Lejdy zna-
leêli pierwszà kluczowà informacj´:
elektrony o znanym ∏adunku i masie,
poruszajàc si´ w atomie, wypromienio-
wujà Êwiat∏o okreÊlonej linii spektral-
nej. Gdy w 1901 roku Max Planck wpro-
wadzi∏ ide´ skwantowanej energii,
rozpocz´∏a si´ osza∏amiajàca kariera fi-
zyki kwantowej.

T∏umaczy∏

Jan Kozubowski

ZADZIWIENIA (ciàg daszy ze strony 74)