Co może mieć wspólnego pożar miasta z chemią, fizyką i astronomią? Jak się okazuje, zawzięty naukowiec z każdego, nawet najbardziej dramatycznego wydarzenia, potrafi wyciągnąć użyteczne wnioski.

Chemicy-piromani

Rzecz miała miejsce pewnego letniego wieczoru roku 1859 w nie­miec­kim Heidel­bergu. Dwóch mężczyzn właśnie skoń­czyło skoń­czyło pracę i wracali do domów, prze­cha­dza­jąc się urokliwą ścieżką, zwaną Drogą Filo­zo­fów, nie­da­leko rzeki Necker. Podczas spaceru dostrze­gli na hory­zon­cie coś nie­po­ko­ją­cego: wyglą­dało na to, że oddalony o niecałe 20 kilo­me­trów Mannheim nawie­dził ogromny pożar. Wielka tragedia, ale w głowach dwóch naukow­ców pojawiła się zupełnie inna myśl… Niemal natych­miast zawró­cili do swojej pracowni, otwo­rzyli okno i chwycili za, dopiero co skon­stru­owany przez nich, dzi­waczny przyrząd. Wyglądał jak potrójna luneta, ale z przodu tuby widniała jedynie wąska szcze­lina, zde­cy­do­wa­nie unie­moż­li­wia­jąca podzi­wia­nie panoramy sąsied­niej miej­sco­wo­ści. Jedyne co widział oglą­da­jący, to kolorowe paski. Linie światła podobne do tych, jakie otrzy­mu­jemy za pomocą pryzmatu.

Spektroskop Bunsena i Kir

Spek­tro­skop Bunsena i Kirch­hoffa.

Ci dwaj panowie to Robert Bunsen i Gustav Kirch­hoff, pro­fe­so­ro­wie pobli­skiego uni­wer­sy­tetu, już wtedy o wyro­bio­nej renomie. Nato­miast skon­stru­owane przez nich urzą­dze­nie, nosi obecnie nazwę spek­tro­skopu. Nie był to tak naprawdę zupełnie nowy wyna­la­zek, bo podobne efekty – rozbicie widma światła na barwne prążki poprze­dzie­lane ciemnymi struk­tu­rami – osiągnął kilka dekad wcze­śniej Joseph von Fraun­ho­fer. Jednak starszy kolega Bunsena i Kirch­hoffa nie bardzo wiedział co te linie ozna­czają i jak uży­teczne mogą się okazać.

Linie Fraunhofera.

Linie Fraun­ho­fera.

Tym­cza­sem dla Roberta Bunsena, linie Fraun­ho­fera były niczym gwiazdka z nieba! Tak się bowiem złożyło, że już od jakiegoś czasu pracował on nad nowa­tor­ską kon­cep­cją che­miczną, a spek­tro­skop stanowił bra­ku­jący element.

Świetlny kod kreskowy

Jeżeli mie­li­ście kie­dy­kol­wiek do czy­nie­nia z labo­ra­to­rium che­micz­nym z praw­dzi­wego zda­rze­nia, nie­wy­klu­czone, iż natknę­li­ście się na pewien typ palnika, zwany od nazwiska naszego bohatera, pal­ni­kiem Bunsena. To prosty patent, służący do kon­tro­lo­wa­nia dopływu gazów i otrzy­ma­nia sto­sun­kowo czystego pło­mie­nia. Nie­miecki badacz wykon­cy­po­wał sobie, że skoro różne spalane mate­riały dają inne barwy pło­mie­nia, to przy odro­bi­nie przej­rzy­sto­ści, można na tej pod­sta­wie bardzo dokład­nie określać skład che­miczny każdej sub­stan­cji. I rze­czy­wi­ście tak było. Związki sodu nadawały ogniu kolor żółty, baru jasno­zie­lony, litu różowy, miedzi nie­bie­sko-zielony, wapnia poma­rań­czowy i tak dalej. Obecnie wiemy, że fakt ten tłumaczy fizyka atomu. W pod­grza­nych pier­wiast­kach, pod wpływem zastrzyku energii elek­trony wskakują na wyższą powłokę, a wracając do stanu pod­sta­wo­wego wyrzu­cają foton o okre­ślo­nej energii. Każdy pier­wia­stek zacho­wuje się w sposób cha­rak­te­ry­styczny, a emi­to­wane przez niego światło stanowi swoisty kod kreskowy.

Pier­wiastki w sposób cha­rak­te­ry­styczny barwią płomień.

Widząc zabawy z paleniem różnych rzeczy, Gustav Kirch­hoff zapro­po­no­wał przy­ja­cie­lowi aby pomyślał nad ulep­sze­niem swojego pomysłu. Oglą­da­nie płomieni może i wydawało się war­to­ściowe, ale lepsze efekty można było osiągnąć po naprawdę dogłęb­nej analizie emi­to­wa­nego światła. W ten sposób uczeni posta­no­wili połączyć nową metodę che­miczną z liniami Fraun­ho­fera. Używając skon­stru­owa­nego spek­tro­skopu do obser­wa­cji odle­głego pożaru, dokonali gene­ral­nej próby dla swoich dociekań. Dostrze­żone przez nich czerwone i zielone prążki, suge­ro­wały obecność w pale­ni­sku sporych ilości baru i strontu. I rze­czy­wi­ście, sub­stan­cje te były obecne w znisz­czo­nych maga­zy­nach z Mannheim.

Porwać się ze spektroskopem na Słońce

Chemicy przybili sobie piątkę, ale roz­go­rącz­ko­wani jeszcze długo nie mogli przestać dys­ku­to­wać o swoim osią­gnię­ciu. Podczas kolejnej prze­chadzki nad Neckerem, Bunsen rzucił nie­spo­dzie­wa­nym pomysłem: “Skoro możemy odczytać rodzaj sub­stan­cji pło­ną­cych w Mannheim, to dlaczego nie mogli­by­śmy zrobić czegoś podob­nego w odnie­sie­niu do Słońca”? Kirch­hoff zaapro­bo­wał wyzwanie, dodając jednak, że “chyba zwa­rio­wali”. Istotnie, próba grun­tow­nej analizy che­micz­nej obiektu odda­lo­nego o 150 milionów kilo­me­trów, mogła wydać się wielu współ­cze­snym, aż nazbyt śmiała.

Kirch­hoff (po lewej) i Bunsen.

Jak zapo­wie­dzieli, tak zrobili. Zwrócili się ku Słońcu wyła­pu­jąc upra­gnione ślady widma – ale czekało ich zasko­cze­nie. Chemicy dostrze­gli, że ciemne “przerwy” między prążkami są jak gdyby poprze­su­wane w stosunku do tych, obser­wo­wa­nych na Ziemi. Kirch­hoff szybko wyde­du­ko­wał, iż światło docie­ra­jące do spek­tro­skopu nie było do końca mia­ro­dajne. Widmo z wewnętrz­nych warstw gwiazdy musiało prze­drzeć się przez chłod­niej­szą powierzch­nię, absor­bu­jącą część pro­mie­nio­wa­nia i defor­mu­jącą wyniki. Dopiero kolejni badacze, jak Joseph Lockyer i Johannes Rydberg uspraw­nili metodę Niemców, doko­nu­jąc analizy światła pocho­dzą­cego z samej korony sło­necz­nej.

Nie zmienia to faktu, że fun­da­menty pod spek­tro­sko­pię astro­no­miczną wylali Robert Bunsen i Gustav Kirch­hoff. Ich prze­wi­dy­wa­nia były słuszne, a przed­się­wzię­cie odważne – zabrakło jedynie kropki nad “i”. Dlatego moment ogło­sze­nia ich hipotezy w 1859 roku, często uważa się za początek nowej dzie­dziny nauki. Astro­fi­zyki.
Literatura uzupełniająca:
J. Gribbin, Prawda ostateczna. Jak odkryliśmy narodziny wszechświata, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2016;
B. Janus, Laboratorium w szufladzie. Fizyka, Warszawa 2016;
J. Linksy, Physics of Solar and Stellar Coronae: G.S. Vaiana Memorial Symposium, Londyn 1992;
W. Gratzer, Eurekas and Euphorias: The Oxford Book of Scientific Anecdotes, Oxford 2002;
B. Nath, The Story of Helium and the Birth of Astrophysics, Nowy Jork 2012.
podpis-czarny
  • Zonkil9

    Adamie, ja się przy­cze­pię do jednego zdania: “W pod­grza­nych pier­wiast­kach, pod wpływem zastrzyku energii elek­trony wskakują na wyższą powłokę, wyrzu­ca­jąc przy tym foton.”

    Nie do końca tak jest. Foton jest wyrzu­cany dopiero w momencie, kiedy wybite elek­trony wracają na niższe poziomy ener­ge­tyczne, a nie kiedy wskakują na wyższe. 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Kamil Bruchal

    “dla wielu współ­cze­snych mogła wydać się wielu współ­cze­snym, aż nazbyt śmiała.”
    😉

    Artykuł bardzo fajny, takich mi właśnie bra­ko­wało od jakiegoś czasu. Szkoda tylko, że bardzo krótki.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • matexxx

    Hej, ja mam pytanie nie związane akurat z powyż­szym arty­ku­łem, ale nie wiem, gdzie indziej mógłbym je zadać. Być może jest głupie, ale co mi zależy? Prze­cho­dzę do rzeczy.
    Jadąc ostatnio auto­bu­sem z nudów zacząłem się bawić w obser­wa­cję innych pojazdów uczest­ni­cza­cych w ruchu. Gdy patrzy­łem na obra­ca­jące się koło samo­chodu obok, to nic szcze­gól­nego nie przy­ku­wało mojej uwagi. Zasta­na­wiać się zacząłem dopiero w momencie, gdy mój wzrok z obser­wo­wa­nego krę­cą­cego się koła wędrował w inną stronę. Przez ułamek sekundy obser­wo­wane koło wtedy tak jakby się “zatrzy­muje”, można dostrzec wzór felgi, tak jakby zastygła w stop­klatce. Nie wiem, czym to zjawisko wyjaśnić. Dlaczego tak jest? Z góry dziękuję za wyja­śnie­nie i pozdra­wiam.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Kronos

      Ja bym stawiał na wyja­śnie­nie naj­prost­sze. Twoje oko mimo­wol­nie wykonuje ruch iden­tyczny z ruchem koła i przez ułamek sekundy się z nim zrównuje przez co odnosisz wrażenie zatrzy­ma­nia. My w ogóle naszych oczu nie kon­tro­lu­jemy tak mocno jak nam się wydaje, wiele ruchów gałek jest mimo­wol­nych.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Zonkil9

      Ja mam dla Ciebie dokładne wyja­śnie­nie, niestety po angiel­sku, mam nadzieję, że zajrzysz tutaj jeszcze, bo minęło kilka dni. Obejrzyj ten film Veri­ta­sium: https://www.youtube.com/watch?v=YJbKieEC49M

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • matexxx

        Dzięki za zwró­ce­nie uwagi na to wytłu­ma­cze­nie. Rze­czy­wi­ście wcze­śniej o tym nie pomy­śla­łem. Tylko wydaje mi się, że nie wyczer­puje to tematu. Rozumiem róznicę w obser­wo­wa­niu rzeczy w ruchu od obser­wo­wa­nia czegoś sta­tycz­nego. Tylko co dokład­nie dzieje się w momencie prze­ło­mo­wym ode­rwa­nia wzroku od obiektu obra­ca­ja­cego się, że przez moment widzimy go w bezruchu, choć tak naprawdę ciągle się rusza? Nie wiem, czy dobrze for­mu­łuję pytanie, bo nawet nie wiem, czego nie wiem 😀

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Zibby Barsz­czew­sky

        Tak działa ludzki mózg. Ludzki mózg widzi obrazy a nie oko. Mózg działa jak post pro­ces­sing, który prze­ra­bia rozmyte światło, które bez obróbki byśmy widzieli. Proces ten jednak chwilę trwa więc w opisanej przez ciebie sytuacji w momencie nagłego spoj­rze­nia w innym kierunku nasz mózg doświad­cza czegoś na wzór “laga”. Zamiast pokazać nam rozmyte światło, które widzi oko w momencie nagłej zmiany obser­wo­wa­nego obiektu zaczyna je odrabiać, a w mię­dzy­cza­sie “wyświe­tla” nam ostatni obro­biony wcze­śniej obraz. 

        Ten sam efekt obser­wo­wany jest gdy nagle spojrzy się na zegar. Czasem ma się wrażenie, że ten pierwszy przeskok wska­zówki sekund trwa nie­na­tu­ral­nie długo. 

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • matexxx

    Wątpię, żeby była to sprawka ślepej plamki. Po pierwsze dlatego, że felgi obser­wo­wane są z różnych odle­gło­ści, pod różnymi kątami i ciągle wystę­puje ten sam efekt. Poza tym, przy ślepej plamce mózg wypełnia bra­ku­jący obraz oto­cze­niem, które widzi, nato­miast poja­wia­jący się wzór felgi jest czymś, czego nor­mal­nie nie widzisz. Prędzej bym strzelał w to, że podczas obser­wa­cji do oka wpada nie­prze­rwany strumień fotonów, co nasza matryca w oku odbiera jako wrażenie ruchu, dlatego wzór jest roz­ma­zany a w momencie prze­no­sze­nia wzroku na coś innego ostatnia porcja fotonów odbitych od obser­wo­wa­nego koła jest zapa­mię­ty­wana przez mózg jako poje­dyn­cza klatka, ale to też trochę nacią­gane chyba.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Adam P.

    Pro­po­nuję artykuł o teorii MIHSC, bardzo ciężko znaleźć coś po polsku.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://nowaalchemia.blogspot.com/ zacie­ka­wiony

    Obaj panowie dzięki tej metodzie odkryli i wyizo­lo­wali kilka pier­wiast­ków. Na przykład w wodzie mine­ral­nej ze źródła w Durkheim zauwa­żyli dwie nieznane linie widmowe. Zaczęli więc odpa­ro­wy­wać wodę ze źródeł a potem pod­da­wali otrzy­many osad różnym procesom tak długo, aż udało im się wydzie­lić frakcje dające tylko te linie. Po odpa­ro­wa­niu 44 tysięcy litrów wody mine­ral­nej i analizie 240 kg osadów, otrzy­mali 10 gramów chlorku rubidu i 7 g chlorku cezu.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0