Modernizacja starej fizyki

                  

Tytuł tego artykłu dosyć dziwny: starej fizyki nalezy się pozbyć ,zastąpić ją nową ,prawdziwą, a nie odnawiać, czynić renowację lub modernizować.A jednak,może stara fizyka,tu i tam jest prawdziwa ,lecz jej prawda nie jest pełna, nie obejmuje szerszego spektrum własności, lub wielkości występujących w danym zjawisku ,prawie i modelu ,może coś zostało przeoczone,pominięte?

Taka właśnie refleksja nawiedziła mnie, gdy robiłem przegląd witryny Goethe-Universität Frankfurt am Main. Fizyka tamtejszego ośrodka badawczego(licząca prawie 1oo lat) jest bezposrednio mi znana z czasów kiedy byłem młody i pełen marzeń o przyszłosci zawodowej.Generalnie ujmując,jestem uformowany na fizyce uprawianej w XX wieku w Niemczech i w Rosji,dzięki bezpośrednim kontaktom i wspólpracy.

W witrynie tej znalazłem komunikat sprzed trzech dni o wynikach bardzo ciekawego badania eksperymentalnego(zrealizowanego przez grupę fizyków z Institut für Kernphysik Forschung,w tym uniwersytecie), nad jednym  ze   zjawisk  oddziaływania promieniowania z substancją ,czyli z atomami,molekułami lub cząstkami elementarnymi.Do tych zjawisk należy np.fotoefekt w metalach, lub fotojonizacja atomów gazów. fotoelektrycznym. Przypomnę  historię   badania  fotoefektu  w metalach,  bez  zastosowania  modelu  psmowego  fazy skondensowanej.

Zjawisko fotoelektryczne(lub - fotoefekt) jest znane od ponad stu lat ,a dokładnie w roku 1888,niemiecki noblista Wilchelm Halwachs(urodzony na Pomorzu,uczył się w gimnazjum w Kętrzynie,późniejszy rektor uniwersytetu w Monachium) odkrył,że światło ultrafioletowe wywołuje pojawienie się ładunku elekrycznego w pobliżu metali przewodzących prąd.

W 1899 roku Philipp von Lenard, również niemiecki noblista,profesor uniwersytetu we Wrocławiu,ustalił iż są to swobodne elektrony wyzwalane z metalii. Co więcej : ich energia zależy tylko od częstości padającego na metal promieniowania , a nie zależy (paradoksalnie !) od jego natężenia .Czy źródło światła jest oddalone od powierzchni metalu o 1 m ,czy o 1 km , to jeśli oświetla metal i częstość jego nie uległa zmianie,wybijane elektrony z metalu mają tę samą energię kinetyczną !

Dopiero Albert Einstein opuścił klasyczną,falową optykę oraz elektromagnetyzm, i wykorzystując ideę Maxa Plancka kwantowej (fotonowej)natury promieniowania elektromagnetycznego,przedstawił poprawny do dzisiaj , model zjawiska fotoelektrycznego.

W wersji uwspółcześnionej, brzmi on tak: każdy atom jest jamą potencjału elektrostatycznego dodatniego ładunku elektrycznego jądra.Elektrony związane z jądrem atomu, zajmują dozwolone poziomy energetyczne i trzeba im dostarczyć energii, by wydostały się z jamy potencjału [energia jonizacji atomu metalu !],a następnie , by opuściły powierzchnię metalu, dysponując energią kinetyczną.

Nie wysilając się specjalnie, Einstein zastosował zasadę zachowania energii (do tego modelu) tej postaci:

energia padającego kwantu---> energia jonizacji + energia kinetyczna fotoelektronu

lub symbolicznie

h*f = W(jon.) + 1/2 *m*v^2 , i stosując długość fali światła    lambda

h*c/lambda =W(jon.) + 1/2 *m*v^2

gdzie h-stała Plancka, c-prędkość światła w próżni, W(jon)-praca jonizacji atomu, m,v-masa i prędkość fotoelektronów.

Jeśli energia kwantu pochłoniętego przez elektron, jest równa pracy jonizacji , to elektron opuszcza jamę potencjału ,ale pozostaje na powierzchni metalu (fotoefekt wewnętrzny),a gdy jest większa,to elektron nabywa energii kinetycznej i opuszcza metal( fotoefekt zewnętrzny). Dziecinnie prosty model Einsteina fotoefektu, pozwolił Robertowi Millikanowi w 1916 roku wyznaczyć bardzo dokładnie wartość stałej fundamentalnej Plancka h.

Wszystko powyższe , to fizyka stara.Była rewelacją nauczaną u nas przez Arkadiusza Piekarę już w roku 1938 w liceum Mat-Fiz. Ale gdzie jest i na czym polega odkurzenie i renowacja,lub - modernizacja tego tematu,którą zapowiada tytuł artykułu?

Zajrzyjmy do uniwersytetu Goethego we Frankfurcie nad Menem ,do laboratorium Instytutu Badań Jądrowych.Pracuje tam profesor Reinhard Dörner z grupą bdawczą, w której prawdziwą gwiazdą jest dr Alexander Hartung.To fizyk z niebywałą wyobraźnią techniczną,rzadki talent projektowania i budowy aparatury do wykonania nowego eksperymentu badawczego weryfikujacego nową hipotezę.

To Hartung zapytał nieoczekiwanie : wiemy co dzieje się z energią kwantu promieniowania , które wywołuje np.  fotojonizacje atomów  gazu?  Przecież ten kwant,  który powoduje opuszczenie   jamy   potencjału  jadra   atomu przez  elektron, ma pęd ,czy on znika? Nie obowiązuje zasada zachowania pędu? Czy elektron unosi cały pęd kwantu ?Czy ktoś to badał? Zmierzył?

Tak się zaczął proces poszerzania i pogłębiania rozumienia zjawiska oddziaływania   kwantów   promieniowania   z   materią.Nie od zaproponowania nowego formalizmu matematycznego( bo to już wyeksplatowany do dna,jałowy styl badań fizyki wymuszony przez fizyków ,którzy  panicznie boją  się laboratoriumi aparatury pomiarowej ) ,lecz od pomysłu jak sprawdzić doświadczalnie zasadę zachowania pędu w  procesie  fotojonizacji  gazu.Łatwo zauważyć . że pęd kwantów np. ultrafioletu, to bardzo mała wielkość, podstawiając odpowiednie wartości h,f,c do wzoru:

p(kw) =h/ lambda,   lub p(kw) = h*f/c

A właśnie dr Hartung jest projektantem i wykonawcą bardzo czułego aparatu ( akronim zasady działania - COLTRIMS,czyli :Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy)tzw. reakcyjnego spektrometru do jednoczesnego pomiaru pędów kwantów promienia laserowego padającego na atomy argonu,oraz pędów fotoelektronów i odrzutu jąder atomów argonu[1]. Hartunga super-Coltrims ma rozmiary 3m x 2,5m x 1,8m.

W aparacie super-Coltrims, następuje całkowita fragmentacja kilku układów obiektu i obdarzone ładunkiem elektrycznym fragmenty są rzutowane przez zespolone pola elektryczne i magnetyczne na czułe detektory.Z pomiarów czasu lotu jonów i cząstek,oraz miejsca ich uderzenia w detektor, uzyskuje się dane do wyznaczenia trzech składowych wektora pędu określonego fragmentu.Chłodzenie docelowych atomów przed fragmentacją odbywa sie laserem. Detektory płytkowe rejestrują wielokrotne trafienia kilku elektronów lub jonów .Schemat działania super-COLTRIMS(animacja!)jest w literaturze[1].

Pytanie decydujące o eksperymencie brzmi: który partner procesu zwanego fotojonizacją  atomów  gazu, zachowuje pęd kwantu : fotoelektron,czy jądro atomu? Według fizyki klasycznej dopóki elektron jest przyłączony do jądra( jest w jamie potencjału jadra), to pęd padajacego kwantu/fotonu na atom  jest przenoszony na jądro atomu. Gdy elektron uwolni się, to pęd kwantu jest przenoszony na elektron.

dr Alexander Hartung odkrywa jednak zupełnie coś innego. podczas eksperymentu[2]. Elektron otrzymuje nie tylko tę część pędu kwantu ,jaka wynika z obliczeń dynamiki klasycznej ,ale dodatkowo dostaje jedną trzecią pędu kwantu,która powinna dotrzeć do jadra atomów argonu.Pamiętając o fali prawdopodobieństw"psi"elektronu ,można powiedzieć,że elektron "wie" o mającym zajść oderwaniu go od jądra i "kradnie" jemu trochę pędu .Prawdopodobnie pole magnetyczne zwiazane ze spinem kwantu promieniowania , przenosi ten dodatkowy pęd na elektron.

Wykorzystanie kwantowej fizyki i wysublimownej technologii eksperymentu fizycznego , do modernizacji fizyki z długą historią, owocuje cennymi rezultatami poznawczymi w odniesieniu do przyrody.Trzeba tylko nie tracić kontaktu z przyrodą i uprawiać fizykę laboratoryjną ( lub wręcz techniczną- na wzór tej w Niemczech),,a nie fizykę spekulacyjną przyrody imaginacyjnej.

Literatura

[1]https://www.atom.uni-frankfurt.de/research/10_COLTRIMS/10_history/

[2]A. Hartung,R. Dörner and all, Magnetic fields alter tunneling in strong-field ionization,Nature Physics, doi: 10.1038/s41567-019-0653-y. https://www.nature.com/articles/s41567-019-0653-y ,

https://arxiv.org/abs/1902.07278