i i
“1502-Strnad-Barometrsko” — 2010/8/25 — 10:24 — page 1 — #1
i i
i i
i i List za mlade matematike, fizike, astronome in raˇcunalnikarje
ISSN 0351-6652 Letnik30(2002/2003) Številka 1
Strani 34–36
Janez Strnad:
BAROMETRSKO SVETLIKANJE
Kljuˇcne besede: fizika, fizikalna zgradba snovi, živo srebro, steklo, elektroni, zatikanje.
Elektronska verzija:
http://www.presek.si/30/1502-Strnad-svetlikanje.pdf
c
2002 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c
2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno.
Fizika
IBAROMETRSKO SVETLIKANJE
Ra zvoj merilne tehnike omogoča, da tudi o pojavih, ki jih že dolgo po- znam o, zvem o kaj novega. Barom etrsko svetlikanje pozn ajo tri stoletja in četrt, a šele najnovejša merjenja so razkril a o njem nekaj zanim ivih podrobnosti. Čeprav ne gre za pomemben poj av, ga je iz spošt ova nja do fizikov pret eklo sti in dozmoglj ivost isodobni h merilnih nap rav vredno opisati.
O "baromet rskisvetlob i" je prvi poročal let a 1676 Jean Picard fran- coski akadem ij i znanosti v Parizu. Na mestu , na katerem se je živo srebro umaknilo s st eklene stene v cevi, je bilo mogoče zaznat i šibko svet lika nje. Picard je pokli cn o pot menda začel kot vrtnar in post al znan astronom. Izb oljšal je zem lj evid Francijein izmeril dolžino stopinje na Zemlji. Izračunal je razd aljo med notredamsko cerkv ijo v Parizu ter kate dralo v Amiensu in ugot ovil, da obseg Zemlje meri - v današnjih enotah - blizu 40 tisoč kilom et rov. Po njegovi zaslugije prišel v Pariz danski ast ro no m Ole Rom er , ki je ugot ovil,da potuje svetlo ba s končno
hitro stjo .
V letih 1700 in 1701je povzel razpravo o zanim ivem pojavu znani matematik in meh anik Jacob Bernoulli . Potem pojavu dolgo časa niso
posvečali posebne pozornosti . To je mogoče pojasniti s tem, da ga ne- ka t eri raziskovalci niso mogli ponovit i. Danes vem o, da mor a bit i živo srebro dobro očiščeno. Če ga pustimo nekaj časastati na zraku,postane svetlikanje najprej celo izrazit ejše,a po daljšem časusvetlika njasploh ni
večopa ziti.
Zapod obnepojave so se raziskovalcizanimali,ko soizb oljšalivakuum in so začeli ra ziskova ti električni tok po razredčenih plinih. Tak o je Heinrich Geissler let a 1868 objavil članeko Novih izkušnjah napodročju
svetlobnih pojavov. Stene vijačne evakuirane cevke so se svetlikale, ko jih je podgrnil s kožuhom ali ebonit om . Ba rva svetlobe je bila odv isn a od ostanka plina v cevki in je bila podobna kot pri električnem toku po plinu. Svetloba je bila pri nižji tem peraturi močnej ša kot pri višj i. Tako so barom et rskosvetlika nje povezali z elektriko .
Preskočimočas doleta1998,kojeraziskovalnaskup ina s kalifornijske univer ze v Los Angelesu , ki so jo sest av ljali R. Budakian, K. Weninger , R. A. Hiller in S. J. Putterman, v reviji Nature objavila kratek članek Pikosekiuidne razelek trit ve in trenje z zatikanjem ob gibajoči se gladini živega srebra na steklu. Poskusov se je lotila , ker seje v zadnjih desetih letih povečalo za nimanje za souobuniuiscenco. Močan zvok v kapljevini lahko povzroči nast an ek drobnih mehurčkov, ki se periodično večajo in manjšajo. Lord Rayleigh je že leta 1917 opazil,da mehurček oddašibe k
I Fizika
blisk , ko doseže najmanjši polmer. Novi mer ilni načini so omogočili , da so pojav podrobneje raziskali. Raziskovalci so bili presenečeni , da so bliski zelo kratkotrajni. Omenj en o skupino je zanim alo, ali so pod obno kratkotrajni tudi bliski pri barometrskem svetlikanj u.
Valjasto ste kleno posodico so počasi vrte li okoli vodoravne geome- tr ijs ke osi (slik a 1). V posodici je bilo malo živega sre bra in nad njim neon ali kak drugplin prizn ižanem tlaku. Živosre bro so skrbno prečistili in ga pred posk usom še poseb ej pustili kapljati skozi aceton. Svetlobo ob gla dini na st eni cevi so opazovali s televizijsko kamero . Poleg tega so s hitrim katodnim osciloskopom zasledovali časovni pot ek nap et osti na drobne m konden zatorju ,ki je bil nameščen z zunanje st rani posodice ob gladini. Kot kondenzator so uporabili kar kratek ods ek koaksialnega kabla ,ki somuods tranili polovico zunanjegavodnika. Svetlobo so merili še s fot opomnoževalko ,ki jelahko sled ila hitrim sp remem bam.
Slika 1.V 5 cm dolg istek len i cevki z zu nanjim pre mer om 2 cm je bilo malo živegasre - brainneon pritla ku450 mili- bar ov. Vrt ljajje trajal12 s.S pros timočesomje mo go čevi- deti (rdečkasto, za neon zna-
čilno)svetlobo,ki jo seva ste- na cevke in tesni lo izplastičn e
mase.
Ugotovili so, da odd a ja cent imet rski odsek gla dine svetlobo z močjo
2.10-8W,kar je zla hka mogoče opazovati s prostim očesom . Svetl ob o sestavljajokratkotrajni bliski . Trajajonekaj večkot 10nan osekund (1 na- nosekun da je milijar d ina sekun de, 10-9s, pikosekunda je tisočina nano- sekunde, 10-12 sekunde) . Sunkielektrične napet osti traj aj o prece j krajš i
čas, manj od 1nan osekunde, Gla d ina pase vrnev začetno lego po precej daljšem času (slika 2).
Pojavsopoj asnili s preho domelektro nov iz živegasrebra na steklo. S kvadrat nega milime tra povr šin e živegasre bra ob dotik u s steklom preide kak milijon elekt ro nov . Ste klo se naelektri negativno, živo srebro pa pozit iv no. Zarad i elekt rične sile gladina živega srebra lepi na steklu in mu sled i, ko se dviga steklena ste na posodice . Nenado ma pa elek troni preide jo nazaj s stekla k živem u srebru (slika 3). Zelo kratkot raj nisunek
električne napetosti spremlja krat kotr aj en blisk in gla dina živega srebra se po precej daljšem času zniža, ker je električna sila pre nehala delovati. Če so gladino živega srebra obsevali z močno ultravij olično svet lobo, ki
Fizika
Ije pri fotoefektu izbij ala elekt ro ne iz zrvega srebra, ni bilo svet likanja.
Zaradi obilice elekt ro nov se je sproti izravnal naboj, ni bilo električne
sile med živim srebrom ter steklom in živo sreb ro ni lepilo na steklu . Posamezni bliski so si sledili po naključju . Za zdaj ni mogoče pojasni ti , kakoso elektroniz živega sreb ra prešlina steklo, prav tako šene more mo poj asni ti porazdelitve elektronov po ste klu .
: 1 P \ 1
-o.I
-100~
o 100 200~s<r-
~o 1.2
[g V
ol 0.8
ogii 0.4 '0'
o
\
5 10 15 . 2 115
cas
Slika 2. Zgo rn j i diagram kaže časovni potek nap etosti na kond en zatorju , ki so ga zasledovalishitrim osciloskopom . Nape tos t n i sunkiso traj alidelna nosekund e .Manj ši diagram ka že časovni pot ek višin e glad ine, ki sejepoblisku (puščica) v prib liž no 100 mikrosekundah (1 mikrose kunda je 1000 nanosekund ) vrnila vzačetnolego . Spod nj i diagr am ka že časovni potek gostote svetlob nega toka v blisk u, ki ga je dala fotopo- množevalka . Blis ki so trajaliveč kot10nanosekund.
mm mV
ol 0.20 300 .~
.5 ,s
ra ol;::l
> 0.15 20.0
~~ 10.0 s
0.10 -'"
g
OO ~
0.05 o
';;j -10.0 o-
ol
000 ::
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 S
ča..S
Slika3. S televizijs ko kame ro so zasledovalivišinogladinena ozke m delu cevizduši kom pritlaku 150milibarov. Envrt ljaj jetraj al 12 s. Krožcikažej o ,da sejenajpr ejglad ina dvigala,kot se jedvigala steklenast ena, natopa je zdr k n ila nazaj. Tr ikot n iki kažej o, da se pri obsevanj u zmočno ultravijolično svet lobo glad ina živegasreb ra ni dvi gnila . Desna stran diagr amaka že su n kenape tosti nakonden zatorju obzu nanjiste niposodice.
Zatikanj e, pri kat er em telesi lepi t a drugo na drugem , nato pa zdr- sneta,jeznačilnoza trenjezzatikanjem . Preiskani pojavutegn epomagati pri razlagitakega trenj a.
Janez Strnad
