Kosár
kosár tartalma: 0 Ft értékben 0 termék
Budapesti Távcső Centrum

Látványos házi atom- és kvantumfizikai kísérletek csillagászattal fűszerezve


Végre sikerült hozzájutnom két nagyszerű eszközhöz, amelyek segítségével az atom- és kvantumfizika alapjai érthetővé válnak. Jelenleg egy budapesti iskolában taníthatom a fizika és a csillagászat alapjait. Egy kézi spektroszkópot és egy lézert vásárolhattam meg az iskola alapítványának révén. Ez a két „műszer” nemcsak arra jó, hogy a diákok ismereteit látványosan gyarapíthassuk, hanem otthon is hasznos lehet, segítve néhány fontos, modern fizikai felfedezés felismerését.



A spektroszkóp, az optikai rács és a derékszögű prizma

A lézer és a mikroprizma

Történelmi háttér

Mi a fény? Több ezer éven át erre a kérdésre nem tudtak valódi választ adni az emberek.

Sir Isaac Newton (1643—1727) angol fizikus, matematikus és csillagász volt az, aki elsőként írta le, hogy a fény apró, rugalmas golyók (korpuszkulák) sokasága. Ezt igazolja a visszaverődés jelensége. Az ő munkássága révén az addigi természettudományos szemlélet gyökeresen megváltozott. Életműve a „Principia”, amely a klasszikus fizika „bibliája”. Az általa leírt négy alapelv – axióma – tökéletesen megmagyarázza a hétköznapi fizikai jelenségeket. Ő ismerte fel a tömegvonzás (gravitáció) törvényét, amelyet ma is számos esetben használunk. Leírta a differenciál- és integrálszámítás módszerét. Elkészítette az első tükrös távcsövet. Felismerte, hogy a fehér fény összetett. Egy prizma segítségével a Nap fényét alkotóelemeire lehet bontani -- vörös, narancs, sárga, zöld, kék, indigó, ibolya, ezek a szivárvány színei. Ez volt az első színképelemzés.

Kortársa, Christian Huygens (1629—1695) holland fizikus a fényt hullámként értelmezte. Csak így magyarázható meg az elhajlás és az interferencia (két hullámforrás hullámainak találkozása) jelensége. Az ő nevéhez fűződik az éter feltételezése, mely szerint az univerzumot ennek a rugalmas anyagnak kell kitöltenie, hiszen nélküle bármilyen rezgés által létrehozott hullám nem terjedhetne. (A mechanikai hullámokat mindig rezgés hozza létre, a hullám pedig nem más, mint a rezgés energiájának térbeli és időbeli tovaterjedése, melyhez rugalmas közegre van szükség. Pl. a hang légüres térben nem terjed.) Huygens a fényt mechanikai rezgés hullámának tekintette.

A két egymással szöges ellentétben álló szemlélet századokon át komoly viták tárgyát képezte. A „béke” a XX. században jött létre, amikor egyértelmű lett, hogy a fény (hordozója a foton – Albert Einstein elnevezése) kettős természetű – azaz részecske- és hullámtulajdonságot is mutat! Az atom- és az abból kifejlődő kvantumfizika világosan megmutatta, hogy a fény elektromágneses sugárzás, illetve hullám.

A XIX. században indult el a fény elemzése – a színképelemzés, a spektroszkópia. Joseph Fraunhofer (1787—1826) német tudós volt az, aki a Nap fényét egy prizma segítségével tanulmányozta. Meglepődve látta, hogy a színképben számos, jól meghatározott hullámhosszúságú (frekvenciájú) helyen fekete vonalak jelentek meg. Leírásában 574 vonalat említ, amelyeket azóta Fraunhofer-vonalaknak nevezünk. Néhány évtizeddel később Gustav Robert Kirchhoff (1824—1887) és Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) német fizikus-kémikus szakembereknek köszönhetjük a kémiai anyagok fontos tulajdonságait feltáró színképelemző munkát. Ők lángfestést használtak. Ez azt jelenti, hogy a lángba beleszórt anyag elégésének segítségével figyelték meg a színképet. Ekkor azt tapasztalták, hogy minden anyagnak más spektruma van. Olyan ez, mint az újjlenyomat, amely szintén egyedi.

Bunsen így írt erről: „Ha ilyen kis távolságból fel tudjuk ismerni, hogy a lángokban milyen anyagok izzanak, akkor miért nem tudjuk felismerni, hogy az égitestek milyen anyagokból állnak?” (D. B. Hermann: Entdecker des Himmels, Urania-Verlag, Leipzig, Jena, Berlin, 1978.) Így lett a spektroszkópia a kémia alapvető vizsgálati eszköze. Ez azt is jelentette, hogy nem kell bármelyik égitestből mintát venni, és azt egy földi laboratóriumban elemezni, hanem a róla érkező fény analízise minden anyagi összetételről árulkodni fog.

De miért folytonos színeket tartalmaz ez a kép, miért vannak benne különböző színű – jól azonosítható hullámhosszhoz tartozó – világos vonalak? Miért tartalmaz a Nap színképe több száznyi sötét vonalat? A XIX. század végén ezekre a kérdésekre keresték a választ. A hidrogén színképében látható vonalak egy részére Johann Jacob Balmer (1825—1898) svájci matematikus tudott magyarázatot adni. Közismert a Balmer-formula.


Izzólámpa folytonos színképe. Kompakt fénycső emissziós színképe.

 

1900-ban pedig gyökeres fordulat állt be a fizikában. Megszületett a kvatumelmélet. Atyja Max Planck (1858—1947) német, Nobel-díjas fizikus volt. Egy dolgozatában írja le, majd pedig nyilvános előadáson ismerteti, hogy véleménye szerint az energia nem folytonos. Ez azt jelenti, hogy bármely test energiája nem lehet tetszőleges értékű -- szemben a newtoni szemlélettel --, hanem csak egy jól meghatározott legkisebb egység (kvantum) egész számú többszöröseként létezhet. (Például a hazai pénz kvantuma a forint, a máké a mákszem.) A kifejezése roppant egyszerű: E=hf, ahol E az energia jele, a h egy természeti állandó, a Planck nevét őrző parányi érték, f pedig a frekvencia (rezgésszám). Ez azt jelenti, hogy bármely foton energiája kizárólag a rezgésszámtól függ. Azaz: a látható tartományban az ibolya színű fényt hordozó foton energiája pontosan kétszerese a vörösének.

Niels Bohr (1885—1962) dán fizikus a fentiekre támaszkodva alkotta meg Nobel-díjas atomelméletét. Szerinte az atommag körül keringő elektronok energiája csak úgy változhat, ha egy-egy elektron elnyel egy fotont. Ezáltal a parányi részecske a megszokott pályájáról egy, az atommagtól távolabb lévő, ún. nagyobb energiaszintű pályára kerül. Majd – némi idő elteltével – visszaugrik az eredeti helyére, miközben kisugározza azt a fotont, amelyet korábban elnyelt. Ekkor a színképben egy fényes vonal látható. Az emittált foton színe kizárólag az elnyelt foton frekvenciájától függ. Bohr ezzel az elképzeléssel kiválóan megmagyarázta a hidrogén színképében megfigyelhető vonalsokaság helyét. Később az ő elméletét tovább fejlesztették, így ma már az összes kémiai elem emissziós színképében látható vonalak, illetve csoportok pontosan leírhatók. Fordítva is igaz: felveszik egy égitestről érkező fény színképét, és megállapítják azt, hogy ott milyen kémiai összetétel van, de a színképelemzés információt nyújt az égitest más fizikai viszonyairól is.
 

A kézi spektroszkóp

Egy tenyérben elférő, henger alakú tárgyról van szó.

Gyermekkorom óta nézegettem a különböző könyvekben közölt színképelemző készülék elméleti felépítését, illetve a róla készült fotókat. Mindig megcsodáltam a fekete-fehér formában, vagy színesben közölt színképeket, de eddig sohasem láthattam ezeket „élőben”.

A készülék lelke egy optikai rács, amely a beérkező fotonokat rezgésszám (hullámhossz) szerint „rendezi”. A felbontása – diszperziója – jócskán felülmúlja a prizmáét. A felbontóképesség attól függ, hogy milyen távol vannak a rács egymással párhuzamos bemetszései. Vagyis mennyire „sűrű” a beosztás.

A színképek közül a legegyszerűbb a folytonos spektrum, ilyet az izzó szilárd anyagok bocsátanak ki. Ahogy már említettem, Newton egy prizma segítségével bontotta fel a Nap fehér fényét összetevőire. A prizma és a rács is a hullámhossztól (a foton energiájának felel meg) függően téríti el a különböző színű fénysugarakat – ez a törésmutató. Így az ibolya színű fény térül el a legjobban, a vörös a legkevésbé. A folytonos jelző arra utal, hogy a különböző színek folyamatosan, minden éles határvonal nélkül figyelhetők meg egymás után.

Az emissziós (kibocsátási) színképben megfigyelhető fényes vonalak az izzó gáz kémiai összetételéről adnak információt, mint azt már a Bohr-atommodellnél említettem.

Az abszorpciós (elnyelési) színkép az emissziós „negatív” képe. Egy izzó gáz atomjai az energia besugárzás miatt (gerjesztés) meghatározott frekvenciájú fotonokat sugároznak ki. De, ha e réteg fölött egy másik gázréteg található, akkor azok atomjainak elektronjai elnyelik a kibocsátott fotonokat, amelyek egy meghatározott irányból érkeznek, de ezután minden irányban kisugározzák ezeket. Így, a kontraszthatás miatt, egy fekete vonalat látunk.
 

Mit láthatunk vele?

Valamennyi színképtípust megfigyelhetjük. A folytonosat bármely izzólámpa fényénél láthatjuk, legyen ez volframszálas, vagy halogén izzó. De az egyre jobban terjedő LED-fényforrásokra is ez jellemző. Ezek közül van meleg- és hideg fényű is. Így kerül a képbe a színhőmérséklet fogalma (ennek pontos energetikai értelmezése révén bukkant Planck a kvantumos értelmezésre). Arról an szó, hogy minden tárgy a hőmérsékletének megfelelő energiaeloszlású sugárzást bocsát ki. A kisugárzott energia maximumához egy jól meghatározott hullámhossz és hőmérsékleti érték rendelhető (ez is kvantumfizika). Például a Nap esetében ennek értéke – 5800K hőmérséklet és 500nm-es hullámhossz. Ezért van az, hogy az emberi szem ebben a hulláhhossz-tartományban a legérzékenyebb.

Szemünkben kétféle, a látásunkhoz kötődő – idegsejt-csoport található. Ezek a csapok és a pálcikák. A csapok biztosítják a színlátást, a pálcikák pedig a kontraszt megfigyelését segítik. A színlátásunk három színből áll össze – a vörös, a zöld és a kék az alapszínek. Minden más szín ezek keveréke. A látásunk additív (összeadáson alapul). Ez azt jelenti, hogy egy adott színnél az számít, hogy az alapszíneknek milyen az egymáshoz való aránya.

Ezért van az, hogy az elektronikus eszközeink színképzése ugyanezen az elven alapul. A televíziós képcső, vagy a számítógépes monitor színei szintén additív módon alakulnak ki. Ha egy nagyítóval megnézünk egy hagyományos tévé képcsövet, akkor apró vörös, zöld és kék pontocskákat láthatunk az ernyőn. A kameráinkban (fényképezőgép, videókamera) lévő CCD-kből három van – vörös (red, rot), a zöld (green, grün), és a kék (blue, blau). Ez az RGB-rendszer.

A színképelemzővel kiválóan láthatjuk az emissziós vonalak. Az energiatakarékos kompakt fénycsövek, az utcai nátriumgőz lámpák, valamint a neoncsövek által kibocsátott fény spektruma ilyen. A folytonos színképre – kontinuum – rakódott emissziós vonalakat csodálhatunk meg, ha a készülékünket a televíziós képcsőre vagy a számítógépes monitorra irányítjuk. Ez utóbbi esetén (LCD-monitor) a három alapszín intenzíven jelentkező vonalai a legfeltűnőbbek.

Érdemes megnézni a gáztűzhely lángjának színképét is.

Számomra a legnagyobb élményt a Nap megfigyelése nyújtotta. Életemben először láttam a Fraunhofer elnyelési (abszorpciós) vonalakat. Fantasztikus élmény volt!

Megismételhetjük Bunsen és Kirchhoff lángfestési kísérleteit. Csupán egy háztartási gyertya kell hozzá. Ennek lángjába sót, cukrot, bármilyen olyan apró szemű anyagot szórhatunk, amely elég a gyertya lángjában. Így érdekes emissziós színképeket figyelhetünk meg.

 

A lézer

Az elnevezés egy angol nyelvű elnevezés kezdőbetűiből alakult ki. LASER=Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, lefordítva – fényerősítés a sugárzásnak gerjesztett emissziója útján.

Ez egy kvantumerősítő vagy kvantumgenerátor. Az első működőképes lézert 1960-ban Theodore Maiman USA-beli fizikus készítette el.

Léteznek szilárdtest- és gázlézerek. Ezek lehetnek folytonos és impulzus üzeműek is. Működésük lényege: monokromatikus (egyszínű), koherens (interferenciára képes, nagy intenzitású) koncentrált fénynyalábot bocsátanak ki magukból.

A beszerzett lézer 100mW teljesítményű, folytonos üzemű, 532nm hullámhosszon (zöld színű) sugárzó berendezés. Az elején egy mikroprizma van, amely a nyalábot sok-sok részre osztja. Ezáltal roppant látványos kép hozható létre, melynek láttán mindenki azonnal érdeklődni kezd a lézer iránt.

Ha ezt a prizmát lecsavarjuk, akkor előbukkan az egyetlen zöld színű nyaláb, mellyel számos kísérlet végezhető.


A mikroprizma hatása. A nyaláb. Az elhajlási kép.

 

A fény egyenes vonalban terjed. Nagyon jól látható ez, hiszen a környezetünkben lebegő apró porszemekről a fény visszaverődik, így a nyaláb útja kiválóan követhető. Egy síktükörrel a visszaverődés jelensége mutatható meg. Ha pedig előveszünk egy gyűjtő- vagy szórólencsét, akkor a sugármenet megmutatja a lencsék alaptulajdonságait. Egy derékszögű prizmán áthaladó lézerfény pedig ennek az üvegeszköznek a működéséről ad fontos információt.

Nekem van egy optikai rácsom. Ezzel kiválóan bemutatható az interferencia jelensége. A lézer nagy teljesítményének köszönhetően gazdag elhajlási képet mutathatunk.

Ezek olyan alapeszközök, amelyek már beépültek a hétköznapjainkba. Bárki kézbeveheti ezeket és nagy sikerrel használhatja.

Az elmúlt hetekben alkalmam volt több színképet előállítani és lefényképezni. Ezeket a kísérleteket bárki otthon elvégezheti, és lefényképezheti egy digitális géppel, amihez állványa is van. A sikeres képekhez nagy türelem, alkalmas fényviszonyok és beállítások szükségesek. Nem egyszerű kattintást igényel.

A nátrium emissziós vonala.                                                     A lézerfény emissziós vonala. 

 

Lángfestés: egy háztartási gyertya lángjába konyhasót szórtam. Jól lehetett látni a nátrium – jellegzetes – narancssárga emissziós vonalát. A fényképem csak egy vonal figyelhető meg, de vizuálisan két vonal szemlélhető.

A gyertyaláng lézerrel való gerjesztése: A fizika 1975-ös évkönyvében (Gondolat Kiadó) található a „Lézerek és a modern spektroszkópia” című cikk, melynek szerzője Bakos József. Ez adta az inspirációt arra, hogy a gyertya lángját a lézerrel megvilágítsam. A kísérlet sikeres volt. A fényképen látható egy zöld színű emissziós vonal.

A neon fénycső színképe: az iskolai tanteremben lévő fénycsövek emissziós képét sikerült rögzíteni. Érdemes összehasonlítani a kompakt fénycső színképével.

A prizmán be- és kilépő lézernyaláb.                                  A neongáz emissziós színképe.

 

Az utcai nátrium lámpa színképe: amikor először megláttam a spektroszkópon keresztül, meglepődtem, ti. a megszokott emissziós vonalak mellett egy abszorpciós vonal is megfigyelhető volt! Két ellentétes jelenség ugyanott!? Igen, így van. A magyarázat: csak a nagy nyomású nátrium lámpákban lévő gáz viselkedik úgy, mint a csillagok légköre. Itt önabszorpció látható. Nagyon tanulságos, de pokolian nehezen fényképezhető.

A nagy nyomású nátrium lámpa színképe. Az elnyelés is jól látszik. (A bemutatott fotókat a szerző készítette.)

 

A cirkóberendezés: a házi vízmelegítő és fűtésre szolgáló készülék propán-bután gázt éget el. Az égő gáz színképében több emissziós vonal vehető észre, de nem lehet lefényképezni az alacsony fényintenzitás miatt.

A prizmán áthaladó fénysugár: egy derékszögű prizmára vetítettem a lézer nyalábját. Jól látható a be- és a kilépési pontok közötti különbség, vagyis a fénytörés jelensége.

 

Orha Zoltán - csillagász és középiskolai fizika tanár

 


Ön a Castell Nova Kft. - Budapesti Távcsõ Centrum oldalait látja. Elérhetõségünk: 1122 Budapest, Városmajor u. 21, Tel. 1/202-5651, 20/484-9300, fax: 99/332-548. Nyitva tartás: hétfõtõl péntekig 10-18h, szombat 9-13 óra között. e-mail info@tavcso.hu (iroda), btc@tavcso.hu (üzlet) vagy castell.nova@chello.hu. Kérem, észrevételeivel tiszteljen meg minket. az oldalt készítette Szabó Áron