Nie strzelam w Sylwestra!

Za to w zamian chętnie opowiem co nieco o tym jak działają takie rzeczy jak petardy i fajerwerki. Wspólnym przodkiem tych wyrobów jest proch czarny wynaleziony w Chinach w IX wieku. Został odkryty całkiem przypadkowo na dworze ówcześnie panującej dynastii Tang. Tamtejsi alchemicy łączyli z sobą różne materiały według zasad „wu xing” co oznacza dosłownie „pięć przemian”

Chińczycy znali pięć żywiołów które wpływają na siebie zgodnie z zasadą yin i yang. Yin oznacza w tym wypadku cykl kreacji a Yang cykl destrukcji poszczególnych elementów. Z ziemi rodzi się metal który staje się cieczą, z tego drewno, z drewna ogień, z ognia ziemia. Brzmi abstrakcyjnie, ale nabiera sensu, gdy spojrzymy na żywioły leżące naprzeciwko siebie. Ziemia zasypuje wodę, a więc powstaje gleba z której zrodzi się drewno, woda zgasi ogień a więc powstanie popiół, i tak dalej. To cykl Yang czyli destrukcji, która uruchamia kreację kolejnych elementów w cyklu Yin. No i mieszali owi alchemicy różne rzeczy, no i raz wyszła im mieszanina węgla drzewnego (drewno), saletry potasowej (metal) i siarki (ziemia). No i zastosowali na tym jeden z żywiołów – ogień. Efekt tego cyklu przemian był taki, iż jeden z pierwszych historycznych zapisów na ten temat zaczyna się od instrukcji aby pod żadnym pozorem nie ucierać składników jednocześnie w jednym naczyniu. W ramach ciekawostki fotografie siarki i saletry potasowej, czyli azotanu potasu, aby przybliżyć, skąd ten pomysł na „metal” i „ziemię”.

fot. domena publiczna

Sama reakcja spalania takiego prochu wydaje się być pozornie prosta. Pierwszy z zapisów reakcji pamiętam z szkoły, drugi jest bardziej rozbudowany. Zarówno jeden jaki drugi niestety nie oddaje w pełni tego co tam zachodzi, a winowajcą jest ów węgiel drzewny.

Skład chemiczny produktu o nazwie „węgiel drzewny” to absolutnie nie jest tylko swojskie C z Układu Okresowego 🙂 Zawiera on różne domieszki w zależności od gatunku drzewa, sposobu wypalania a nawet tego gdzie drzewo wcześniej rosło. Tym samym poprawne zapisanie równania takiej reakcji jest właściwie niemożliwe gdyż powstające produkty spalania mogą inicjować kolejne reakcje. W chemii organicznej w takich sytuacjach mói się iż następują „różne reakcje następcze”. Pierwsze pokazy fajerwerków, jak łatwo się domyślić, odbywały się w Chinach i miały znaczenie religijne – huk miał odstraszyć złe duchy. Były to wyroby dość proste – w bambusowej rurze umieszczano proch i zamykano jeden z końców przy pomocy gipsu lub pakuł. Mniejsze egzemplarze to pierwowzór dzisiejszych petard. Z czasem do prochu zaczęto dodawać różne dodatki które zapewniały dodatkowe efekty takie jak światło, świst, różne kolory itp. Są to na przykład różne sole metali, bądź same sproszkowane metale które zapewniają różne kolory oraz zwiększają temperaturę spalania a tym samą jasność. Aby uzyskać kolory dodaje się związki sodu, baru, miedzi czy też np. strontu. Związki magnezu lub glinu podnoszą zaś temperaturę reakcji. Warto zapytać dlaczego właściwie powstają różne kolory. No to wróćmy do szkolnych definicji – eksplozja to szybkie i gwałtowne spalanie generujące lokalne zmiany ciśnienia (fala uderzeniowa) i zmianę temperatury. Czyli: została wyzwolona jakaś energia której cześć przenoszą fotony. Coś się pali, a skoro widzimy płomień, to bez wątpienia musi to być światło widzialne a światło, jak pamiętamy, to oczywiście strumień fotonów. Część trafia do naszych oczu a część trafia do tych różnych związków chemicznych, które są w składzie fajerwerków. Atom zaś po otrzymaniu takiej dodatkowej porcji energii przechodzi w tzw. stan wzbudzony, w którym elektron przeskakuje na wyższy orbital. Aby mógł wrócić do stanu podstawowego i stabilności musi się pozbyć tego nadmiaru energii, a więc musi taki foton wyemitować.

Energia takiego wyemitowanego fotonu jest określona stałą Plancka i częstotliwością, a skoro każda cząstka potrafi być falą, to taka fala ma określoną długość a więc powstają różne barwy – dlatego właśnie da się produkować fajerwerki o określonym kolorze, w zależności od użytego związku chemicznego. Taki kwantowy przeskok z orbitalu na orbital powoduje właśnie tą emisję światła o różnych barwach.

fot. domena publiczna

Wszędzie ta mechanika kwantowa…

I bardzo was proszę. Nie strzelajcie w Sylwestra!

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

4. Cząstka? Fala? Tak!

Jak zapewne pamiętacie z poprzednich odcinków, na początku XX wieku Fizyka znalazła się w kropce. Wiedziano, że światło ma właściwości cząstek i fal. Eksperyment Younga powtarzano wielokrotnie i zawsze dawał ten sam rezultat – na ekranie pojawiał się piękny wzór malowany przez interferujące fale. Każdy mógł to stwierdzić na własne oczy i dało się to opisać w piękny sposób przy pomocy matematyki. Jednocześnie każdy widział, iż światło zachowuje się jak cząstki – hipotezę wysuniętą przez Einsteina również potwierdzono licznymi eksperymentami. Compton wyraźnie zaobserwował, jak światło niczym strumień kul bilardowych działa z elektronami. Fizycy nie potrafili dojść w tej, nomen omen, materii do porozumienia. Fale to fale a cząstki to cząstki. Przecież nikt przy zdrowych zmysłach nie oczekuje że kropla wody będzie interferować sama z sobą lub że fale zaczną się zachowywać jak kropla drążąca dziurę w kamieniu. Jak to więc możliwe? Odpowiedź zaproponował Louis de Broglie, i gdy niedługo później potwierdzono jego hipotezę eksperymentalnie miał usłyszeć, iż „lepiej abyś tych fal nigdy nie odkrył…”. O jakie fale tu chodzi?

Louis de Broglie był francuskim fizykiem, który wybierając ścieżkę edukacji zamierzał popełnić straszliwy błąd – chciał zostać historykiem lub prawnikiem. Na szczęście zwrócił się – słusznie – ku matematyce, a później za namową brata, ku fizyce. W 1924r. w swoim doktoracie pod niewiele mówiącym tytułem „badania nad teorią kwantową” opisał swoje próby opisu odkrytego przez Einsteina „efektu fotoelektrycznego”, w którym to kwanty światła tj. fotony wybijały z powierzchni materiału elektrony. Skoro owe fotony zachowywały się jak pełnoprawne cząstki, to jak każde inne posiadały określony pęd – łatwo go wyliczyć zwyczajnie mnożąc masę ciała razy jego prędkość.

Ponieważ de Broglie zgadzał się z Einsteinem, iż światło jest w istocie strumieniem cząstek, a więc można im przypisać pęd związany z długością fali. Wystarczy podzielić stałą Plancka oznaczoną „h” przez długość owej fali. Stałą Plancka nazywamy najmniejszą możliwą porcję energii o którą coś może się zmienić – jest to kwant działania. Jak sami widzicie, jest to bardzo bardzo mało. Czyli można wprost powiedzieć iż każdy kwant światłą jest zarówno falą jak i cząstką – przy czym jest falą i cząstką w każdym momencie. Foton ma zarówno właściwości fal jak i cząstek. Fizyka po raz kolejny znalazła gładkie wyjaśnienie – de Broglie niestety nie poprzestał na fotonach i zadał pytanie czy tego rozumowania nie można odwrócić. Skoro światło miało zawierać fizyczne cząstki, które miały bez wątpienia fizyczną naturę fali, to czy nie dotyczy to przypadkiem innych cząstek np. elektronów co do których korpuskularnej natury nikt nie miał wątpliwości? Właśnie z tym jest związany trzeci z zapisanych wzorów – długość fali danego obiektu wynika z podzielenia stałej Plancka przez jego pęd a pęd to przecież iloczyn masy i prędkości. To pod pierwiastkiem to tzw. „czynnik Lorentza”, takie brzydkie pojęcie, przy pomocy którego można transformować wielkości pomiędzy różnymi układami odniesienia, co ma szczególne znaczenie dla obiektów poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Na razie wystarczy że zapamiętacie iż de Broglie którego poparł Einstein zaproponował wyjaśnienie tych wszystkich dziwactw z którymi mierzyli się fizycy – cząstki mają zarówno naturę cząstki jak i fali. Dlaczego więc nie widać tego dla większych obiektów np. dla człowieka? Zwracam uwagę na to jak małą wielkością jest owe „h” – długość fali będąca wynikiem takiego dzielenia jest stanowczo zbyt mała do zaobserwowania wszystkimi znanymi nam obecnie metodami. O takich obiektach stwierdzono iż „nie ujawniają swoich falowych właściwości”. Niedługo później udało się potwierdzić tę hipotezę. Mam tu na myśli eksperyment zaliczany do „dziesięciu najpiękniejszych w dziedzinie fizyki”

Trzy lata po opublikowania hipotezy dotyczącej tego jakoby każda z cząstek miała się cieszyć ową dziwaczną korpuskularno-falową budową, dwóch amerykańskich fizyków postanowiło to sprawdzić – doświadczenie było dość proste w komorze próżniowej ostrzeliwano płytkę z niklu elektronami. Cóż – naukowcy to takie dzieci, tyle że mają bardzo drogie zabawki. Założyli, że niklowa płytka nie będzie idealnie gładka, a więc elektrony powinny się odbijać chaotycznie, nie dając żadnego konkretnego wzoru na ekranie ruchomego detektora.

fot. A. Tonomura „The Quantum World Unveiled by Electron Waves„

Wraz z każdym kolejnym elektronem na ekranie ukazywał się coraz wyraźniejszy wzór, który nie dość że wskazywał na to że elektron faktycznie interferuje sam ze sobą, to jeszcze idealnie zgadzał się z wzorem jaki powstałby gdyby użyto światła o tej długości fali. Ten sam eksperyment powtarzano później wielokrotnie nie tylko dla elektronów ale również dla protonów, neutronów, całych jąder atomowych a nawet dla struktur takich jak fullereny zawierające aż 60 atomów węgla w jednej cząsteczce. Stąd tytuł tego odcinka. Można uznać że fale to takie rozsmarowane cząstki i na odwrót? Jak się okazało chwilę później – świat na swoim najniższym z znanych nam poziomów jest o wiele bardziej intrygujący, a wiele zależy od „rzutu kośćmi” i odkryć pewnego miłośnika kotów.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.