6
autor: Krzysiek
Spektroskop echelonowy Część III]
W czerwcu 1898 r. opublikował pracę (A. A. Michelson, The Echelon Spectroscope, „Astrophysical Journal”, tom 8 (czerwiec 1898), s. 37–47), w której przedstawił zasadę działania spektroskopu echelonowego. Rozkład widma w tym przyrządzie odbywa się nie dzięki pryzmatowi czy siatce dyfrakcyjnej, lecz w wielu ustawionych obok siebie płytkach szklanych odpowiednio dobranych i uszeregowanych. Pasją badania widm zaraził Michelsona G. R. Kirchhoff, którego wykładów słuchał podczas swoich studiów w Berlinie (od 16.10.1880 r. figuruje w spisie studentów pod nr 63 aż do 23.03.1881 r.), gdzie w tym roku akademickim między 9 a 10 rano miał on wykład pt. Theorie der Elektrizität und des Magnetismus. To Kirchhoff badał między innymi widma absorpcyjne, np. par sodu. Michelson swoje pierwsze próby z rozszczepieniem linii widmowych rozpoczął po odkryciu zjawiska Zeemana. Opublikował kilka prac na temat rozszczepienia linii widmowych za pomocą pola magnetycznego. Studia te datują się od 1895 r., a uwieńczeniem tych dociekań było skonstruowanie spektroskopu, w którym, jak już wspomniałem, nie było ani pryzmatu, ani siatki dyfrakcyjnej, tylko ten szereg płytek szklanych o idealnej grubości ustawionych na podobieństwo stopni schodów. Taki spektroskop dawał wg Michelsona 7,5 razy lepsze rozszczepienie światła niż najlepsze znane wtedy siatki dyfrakcyjne. Pierwszy taki spektroskop składał się z 20 szklanych płytek każda 18 mm grubości, 1 mm szerokości i długości od 2 mm do 22 mm, i został przez niego zbudowany w Laboratorium Fizycznym Ryersona w Chicago, gdzie pracował w latach 1894–1928. Z jego pomocą udało się Michelsonowi otrzymać pojedyncze linie widmowe kadmu. Zaletą tego spektroskopu jest to, że można przy jego pomocy zwiększać natężenie światła w interesujących badaczy pewnych częściach widma, co przy użyciu np. siatek dyfrakcyjnych można uzyskać jedynie przypadkowo.
Skonstruowanie tego przyrządu Przewodniczący Londyńskiego Towarzystwo Fizycznego W. H. Eccles wymienił jako drugie co do ważności osiągnięcie naukowe Michelsona podczas uroczystości wręczenia mu Medalu Duddella w 1929 r. Uznał ten przyrząd za potężne narzędzie do badania subtelnej struktury linii widmowych. Jego gruntowne studia nad widmami oraz wpływem pola magnetycznego i ciśnienia na ich kształt od razu zostały uznane za wspaniałe osiągnięcia samo w sobie.
Analizator harmoniczny
S. W. Stratton, przygotowując pracę dyplomową pod kierunkiem Michelsona, zbudował wspólnie z mistrzem przyrząd zwany analizatorem harmonicznym."1" Używano go do analizy skomplikowanych obrazów interferencyjnych, które powstają w wyniku nałożenia się wielu prostych drgań harmonicznych. Michelson oczywiście korzystał do analizy tych złożonych drgań z aparatu matematycznego, który zaproponował J. Fourier, natomiast ów analizator harmoniczny obliczenia te znacznie uprościł, był swego rodzaju mechanicznym komputerem. To dzięki temu urządzeniu złożone drgania harmoniczne można było przedstawiać jako kombinację zwykłych sinusoid. Michelson między innymi próbował wykorzystać analizator harmoniczny do wyjaśnienia pojawiania się periodycznych plam na Słońcu, określenia ich okresu i amplitudy.
Rys. 4 Rys. 4. Analizator harmoniczny
Analizator harmoniczny był też z powodzeniem stosowany do analizy dźwięków, przemiennych prądów elektrycznych, fluktuacji przypływów i odpływów wód morskich, a także pomagał konstruować prognozy pogody. To między innymi za ten przyrząd wystawiony wraz z innymi (interferometrem, echelonowym spektroskopem) na światowej wystawie w Paryżu w 1900 r. Uniwersytet z Chicago, a tym samym Michelson, otrzymał Grand Prix tej wystawy.
Siatki dyfrakcyjne
Do analizy widm, jako elementu rozszczepiającego światło w spektroskopie, używa się też siatek dyfrakcyjnych. I nimi również zajął się Albert Michelson. W 1881 r. w Paryżu, w czasie kiedy Michelson tam studiował, H. A. Rowland demonstrował otrzymane nową techniką swoje siatki dyfrakcyjne. Michelson, i nie tylko on, był tymi pokazami oczarowany i gdy znalazł chwilę wolnego czasu, zajął się konstrukcją jeszcze doskonalszych siatek dyfrakcyjnych. Doskonałe siatki to takie, gdzie idealnie równo i gęsto zostały wykreślone niezwykle cienkie linie ostrzem diamentowym na gładkiej powierzchni metalu. Główną trudnością było wykonanie śruby, która musiałaby bardzo precyzyjnie przesuwać ostrze diamentu z niebywałą dokładnością o bardzo małą odległość dzielącą jedną linię od drugiej. Michelson zdawał sobie sprawę, że jeżeli uzyska dostatecznie dużą liczbę linii na 1 cm, to przy pomocy takiej siatki dyfrakcyjnej można będzie odkryć kolejne sekrety przyrody i to zarówno w skali mikro, jak i makro, bowiem dzięki nim można będzie uzyskać lepszy rozkład widma i dokonać bardziej wnikliwej jego analizy. Szczytowym osiągnięciem Michelsona w tej materii było skonstruowanie maszyny, która wykonała 23,5 cm siatkę dyfrakcyjną zawierającą 117 000 linii. Ciekawy jest opis tych siatek dokonany przez H. D. Steinhausa, wybitnego polskiego matematyka, z którym to przez kilka miesięcy mieszkał Michelson wraz z rodziną w jednym pensjonacie w Getyndze podczas jego pobytu tam latem 1911 r. Steinhaus pracował nad doktoratem u Hilberta, a Michelson był zaproszony na cykl wykładów do Getyngi, gdzie wówczas gorąco dyskutowano o szczególnej teorii względności.
Rys. 5 Rys. 5. Interferometr berliński
Bardzo ciekawe jest to, jak opisuje te urządzenia matematyk, którego zachwycił nie tylko sposób ich precyzyjnego wykonania. Czyni to z niekłamanym podziwem dla Michelsona, wytwórcy tych siatek dyfrakcyjnych:
Rys. 6 Rys. 6. Obserwatorium Yerkesa w 1896 r.
…to znaczy lusterek metalowych, kreskowanych bruzdami równoległymi, niesłychanie precyzyjnymi i gęstymi, tak że na pasemku o szerokości jednego milimetra przypadało kilkaset takich bruzd. Michelson poświęcił się budowaniu takich właśnie urządzeń optycznych. Jego aparat do robienia siatek był automatem, sochą, w której rolę rylca odgrywał ułamek czarnego diamentu wyszukany wśród innych pod lupą tak, by naturalne naroże krystaliczne tworzyło idealne ostrze. Ta okruszynka przyciskała metal swoim ciężarem, ale już ta siła była za duża i trzeba było ją zmniejszyć przeciwwagą. Ten pług orał blaszkę metalową automatycznie, a był ustawiony w piwnicy na postawie pływającej, dla usunięcia wstrząsów, a termostaty utrzymywały stałą temperaturę, świecąc i gasząc lampy żarowe przy każdym zaburzeniu termicznym. Aparat dostarczał w końcu blaszkę pokrytą bruzdami, których na milimetrze było aż kilka tysięcy. Michelson przywiózł parę takich płytek ze sobą do Getyngi. Światło słoneczne odbite od takiej blaszki dawało widmo o rozciągłości kilku metrów; bez żadnych kolimatorów i soczewek można było, patrząc w takie metalowe lusterko, zobaczyć w czerwieni ciemne prążki znamionujące obecność żelaza na Słońcu (H. D. Steinhaus, Wspomnienia i zapiski, Atut, Wrocław 2002, s. 73).
Rys. 7 Rys. 7. Michelson z żoną i córkami
Najtrudniejszą rzeczą było skonstruowanie takiej maszyny. Pomagali mu w tym dwaj Szwedzi, bracia Julius i Fred Pearsonowie, którzy przez 25 lat z nim współpracowali. Jakiej precyzji wymagała ta praca i ile trudu ich kosztowała, niech najlepiej świadczą słowa samego mistrza, który podczas wystąpienia w 1911 r., gdy ustępował ze stanowiska Przewodniczącego AAAS, powiedział:
Człowiek zaczyna patrzeć na maszynę, jakby posiadała nieomal kobiecą osobowość, która wymaga, by jej dogadzać, przymilać się do niej, schlebiać jej, a czasem nawet grozić. W końcu jednak człowiek uświadamia sobie, że ta osobowość należy do czujnego i wprawnego gracza w tej zawiłej i fascynującej grze, który natychmiast wykorzysta błędy swego przeciwnika i zaskoczy najbardziej zbijającymi z tropu niespodziankami, który nigdy nie liczy na żaden przypadek, a mimo to gra uczciwie, ściśle trzymając się reguł gry, i nie liczy się z tym, że człowiek ich nie zna. Gdy zaś człowiek je pozna i zastosuje w grze, to wszystko przebiega, jak należy.
Ostatnio zmieniony 01 lip 2010, 18:28 przez
Krzysiek, łącznie zmieniany 1 raz.
"ŚWIADOMOŚĆ jest jak wiatr,
o którym można powiedzieć, iż wieje,
ale nie ma sensu pytać o to,
gdzie jest wiatr, kiedy n i e wieje."
_________________
Z Foresta Gump`a"
