Arthur Schawlow, aki 1981-ben lézerspektro-szkópiai fejlesztésekért vehette át a fizikai Nobel-díjat, Nobel-előadását ezekkel a mondatokkal kezdte: „A tudományos színképelemzés tulajdonképpen Svédországban, Uppsalában született, ahol 1853-ban Anders Ångström megmutatta, hogy az elektromos kisülés spektrumvonalainak egy része az elektródokhoz, más részük az elektródok közötti gázhoz tartozik. Korábban Joseph Fraunhofer már feltérképezte a Nap spektrumának sötét vonalait, és megmérte ezek hullámhosszát. Azonban Ångström volt az első, aki a vonalak egy részét adott anyagok szikrakisülésben kibocsátott fényes vonalaival azonosította. Legfontosabb ezek közül a hidrogén vörös vonala volt, amelyet ma Ha-ként ismerünk. A rákövetkező években Ångström a hidrogén látható színképtartományba eső több vonalát is megfigyelte, és pontosan megmérte ezek hullámhosszát.”

A spektroszkópia tudományának születéséhez Isaac Newtontól Gerhard Herzbergig sokan járultak hozzá, ezek közül az egyik legmeghatározóbb és legkiemelkedőbb tudós Anders Jonas Ångström volt, akinek nemcsak a kutatásai kapcsolódnak a Naphoz, de már születése is: augusztus 13-án, néhány nappal az 1814-es, Európában is észlelhető napfogyatkozás után született a svédországi Medelpad tartományban, Lögdöben (1. kép). Jómódú, felsőosztálybeli család tagjaként, nehézségek nélkül kezdhette meg fizikai és csillagászati tanulmányait az Uppsalai Egyetemen. 1839-ben már az egyetem docense, majd a Stockholmi Csillagvizsgálóban 1842-ben szerzett csillagászati gyakorlata után 1843-tól az Anders Celsius által alapított Uppsalai Csillagvizsgáló észlelőjeként is dolgozott. Már ebben az időben elkezdte a földmágnességgel kapcsolatos kutatásait, Svédországban számos helyen mérte a mágneses tér nagyságát és irányát. Később a svéd Eugénie fregatt 1851-1853-as földkörüli útján gyűjtött mágneses adatok kiértékelésével bízta meg a Stockholmi Királyi Tudományos Akadémia. A hővezetés mérésére új módszert dolgozott ki, és kimutatta, hogy a hővezetés és az elektromos vezetés között összefüggés van. 1858-tól haláláig, 1874-ig, Adolph Ferdinand Svanberg utódjaként vezette az Uppsalai Egyetem Fizika Tanszékét. A Svéd Királyi Tudományos Akadémián és az Uppsalai Királyi Tudományos Társaságon kívül a londoni Királyi Természettudományos Társaság is tagjává választotta. Utóbbi 1872-ben Rumford-éremmel tüntette ki. A Hold egyik krátere is a nevét viseli.

1. kép • Anders Jonas Ångström (1814-1874)

Bár a mágnesség és a hővezetés területén elért eredményei is figyelemre méltóak, ahogy az Schawlow Nobel-előadásából is kiderült, életművében kiemelkedő jelentőségű a spektroszkópia tudományának megalapozása. A Svéd Királyi Tudományos Akadémián, 1853-ban Optiska Undersökningar (Optikai kutatások) címmel számolt be az első spektroszkópiai vizsgálatairól. Ekkor mutatta be azt a már fent említett eredményt, hogy az elektromos kisülés spektruma az elektród és a gáz spektrumának kombinációja. Ennek az előadásnak még fontosabb, az Euler-féle rezonanciaelméletből levont megállapítása az volt, hogy egy forró gáz pontosan olyan hullámhosszakon tud sugározni, mint amilyen hullámhosszakon elnyel az adott gáz, ha lehűl. Ezzel megelőzte Gustav Kirchhoffot is, aki később ezt a megfigyelést a termikus sugárzási törvényében írta le.

1861-től egyre többet foglalkozott a Nap spektrumával. 1862-ben megállapította, hogy a Nap spektrumában – más elemek mellett – kimutatható a hidrogén is (2. kép). 1868-ban publikálta a Nap spektrumának atlaszát, a Recherches sur le spectre solaire-t, amelyben több mint ezer színképvonal hullámhosszát közli a látható spektrumtartományban. Külön jelentőséggel bír, hogy kortársaival, például Robert Bunsennel és Kirchhoffal ellentétben nem relatív, hanem abszolút hosszúságskálán, 10-10 m egységekben kifejezve adta meg az értékeket. Ångström méréseihez hosszúságetalont használt, sőt utólag még az általa használt etalonnak a párizsi hosszúságetalonhoz viszonyított eltérésével is korrigálta mérési adatait. Később a meteorológus Henri Tresca mutatott rá, hogy a korrigált értékek pontatlanabbak, mint a korrigálatlan hullámhosszértékek, így 1–2 ezreléknyi hibával terheltek az adatai. Ezzel együtt közel két évtizedig ez az atlasz szolgált a legpontosabb és a legteljesebb referenciaként a Nap spektrumáról.

2. kép • Anders Jonas Ångström spektrométerének ábrája a Recherches sur le spectre solaire első oldalainak egyikén

A XX. sz. első felében a hosszúság mértékegysége még a párizsi etalonhoz volt kötve, a spektroszkópiai mérésekhez pedig ennél pontosabb egységre volt szükség. Ezért 1907-ben a Nemzetközi Csillagászati Unió a kadmium vörös vonala levegőben mérhető hullámhosszértékének 1/6438,46963 részeként definiálta az ångström (Å) egységet. Ezt az egységet vette át 1927-ben a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal is. Az ångström egység definícióját csak 1960-ban változtatták „vissza” a 10-10 m-re, amikor magát a métert is a 86Kr egyik spektroszkópiai átmenetéhez kötötték. (1983 óta a méter egyezményesen az a távolság, amit a fény a másodperc 1/299 792 458 része alatt tesz meg vákuumban.) Bár az ångström nem SI-rendszerbeli mértékegység, és a spektroszkópia területéről egyre inkább kiszorult, a molekulamodellezés, krisztallográfia és szerkezeti biológia területén ma is ez a leggyakrabban használt hosszúságegység.

A. J. Ångström mérései a modern atomszerkezet és a kvantumfizika alapjai szempontjából is meghatározónak bizonyultak. A hidrogénatom látható színképtartományban megjelenő négy vonalának általa közölt hullámszámaira 1885-ben egy svájci matematikus és középiskolai tanár, Johann Jakob Balmer talált matematikai kifejezést, amely egy empirikus állandó segítségével mind a négy spektrumvonal hullámhosszát megadja. A Balmer-féle képlet ismerete nélkül 1888-ban Johannes Rydberg hasonló, de általánosabb képletet írt fel, amely a hidrogénatom látható színképtartományon kívül eső vonalaira is érvényes. A két képlet jelentősége abban rejlik, hogy ezekben egész számok is megjelentek. Az empirikus képletek végül 1913-ban nyertek mélyebb értelmet, amikor Niels Bohr posztulátumaiból kiindulva, alapvető klasszikus fizikai összefüggésekből levezette azokat. A képletekben megjelenő egész számokat a kvantummechanikai atommodellben a főkvantumszámokkal azonosítjuk.

Anders Jonas Ångström vizsgálta először a sarki fény spektrumát. Megállapította, hogy a – ma az ő nevén is emlegetett – sárgászöld fényt az akkori elképzeléssel ellentétben nem a napfény jégszemcséken való szóródása okozza, hanem a légköri oxigén emissziójához köthető. Azt viszont tévesen gondolta, hogy az állatövi fény is ugyanezzel a jelenséggel magyarázható.

A Nap közvetlen sugárzásának mérésére új eszközt fejlesztett ki, a pirheliométert. E készülék elektromos változatát fia, Knut Johan Ångström (1857–1910) fejlesztette tovább (3. kép). Knut Ångström szintén az Uppsalai Egyetemen kezdett fizikusnak tanulni, majd rövid strassburgi tanulmányút után ugyanitt doktorált le. Doktorátusának megszerzése után rövid ideig a Stockholmi Egyetemen oktatott, majd visszatért Uppsalába, ahol a fizika professzorának nevezték ki. 1893-ban a Svéd Királyi Tudományos Akadémia tagja lett. A pirheliométer továbbfejlesztése mellett ő is kidolgozott egy új műszert, a légkör (vagy a földfelszín) visszavert infravörös sugárzásának mérésére alkalmas pirgeométert.

3. kép • Knut Johan Ångström (1857–1910)

Az Ångström család tudománytörténeti szereplése azonban Knut Ångströmmel sem fejeződött be! Fia, Anders Knutsson Ångström (1888-1981) érdeklődését apjához és nagyapjához hasonlóan a fizika és azon belül is a légkörfizika és a napsugárzás keltette fel (4. kép). Édesapja segédjeként kezdett el dolgozni az Uppsalai Egyetemen. Apja halála után, alkalmazás reményében, a kor híres asztrofizikusának, Charles Greeley Abbotnak írt levelet. Abbot felajánlotta neki, hogy csatlakozzon algériai expedíciójához. Az expedíció után követte Abbotot az Amerikai Egyesült Államokba, ahol a Cornell Egyetemen folytatta kutatásait. Mind az algériai, mind az amerikai vizsgálatai során az apja által kifejlesztett sugárzásmérő műszereket használta. Elsők között vizsgálta és számította a CO₂ sugárzási mérlegben betöltött szerepét. 1916-ban tért vissza Svédországba, amikor az Uppsalai Egyetemen megvédte doktori munkáját. 1919-ben állást kapott a Svéd Meteorológiai és Hidrológiai Intézetben, ahol 1949-től 1955-ös nyugdíjazásáig az intézet igazgatójaként dolgozott, 1948-ban pedig ő is tagja lett a Svéd Királyi Tudományos Akadémiának. Svédországban is leginkább a napsugárzás sugárzási mérlegével, valamint ennek a klímával kapcsolatos összefüggéseivel foglalkozott. Vizsgálta az aeroszolok optikai mélységének függését a hullámhossztól. A

t_l/t_l0 = (l/l₀)^-a

egyenletben, ahol az α kitevőt, amely az aeroszolrészecskék átlagos méretével fordítottan arányos, ma is Ångström-exponensnek nevezik. (Az egyenletben a l0 és tl0 referenciahullámhossz, illetve a referencia-hullámhosszon mérhető optikai mélység, míg l és tl egy tetszőleges hullámhossz és az ezen a hullámhosszon mérhető optikai mélység.) Nem meglepő módon ő is továbbfejlesztette apja és nagyapja sugárzásmérő műszereit; kifejlesztette a piranométert, az első műszert, amely széles színképtartományban szolgál a direkt és a szórt fény együttes, pontos mérésére.

4. kép • Anders Knutsson Ångström (1888-1981)

Anders Knutsson Ångström 1981-ben, abban ez évben hunyt el, amelyikben Schawlow a Nobel‑előadását azzal nyitotta, hogy a spektroszkópia születése Uppsalához és Anders Jonas Ångström nevéhez köthető.
 

Kulcsszavak: Ångström, tudománytörténet, spektroszkópia, Nap színképe, hidrogénatom, hosszúság mértékegysége, sugárzási mérleg, sarki fény
 

IRODALOM

Angelo, Joseph A., Jr (2006): Encyclopedia of Space and Astronomy. (Facts on File Science Library). Facts on File, New York

Ångström, Anders Jonas (1853): Optiska undersökningar. Svenska Vetenskapakademien

Ångström, Anders Jonas (1855): Optical Researches. Philosophical Magazine and Journal of Science. 9, 327-341. • WEBCÍM

Ångström, Anders Jonas (1855): Optische Untersuchungen. Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie. 94, 141-164. • WEBCÍM

Ångström, Anders Jonas (1868): Recherches sur le spectre solaire. W. Schultz, Uppsala • WEBCÍM

Angström, Anders Knutsson (1929): On the Atmospheric Transmission of Sun Radiation and on the Dust in the Air. Geografiska Annaler. 12, 130–159. • WEBCÍM

Balmer, Johann Jakob (1885): Notiz über die Spectrallinien des Wasserstoffs. Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie. 261, 80-87. • WEBCÍM

Beckman, Olof (1997): Ångström, Father and Son. Uppsala Univeristy

Bohr, Niels (1913): On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. Philosophical Magazine. 26, 1–24. • WEBCÍM

Bohr, Niels (1913): On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. Systems Containing Only a Single Nucleus. Philosophical Magazine. 26, 476–502. • WEBCÍM

Bohr, Niels (1913): On the Constitution of Atoms and Molecules, Part III. Systems Containing Several Nuclei. Philosophical Magazine. 26, 857–875. • WEBCÍM

Bohr, Niels (1914): The Spectra of Helium and Hydrogen. Nature. 92, 231–232.  DOI:10.1038/092231d0

Fraunhofer, Joseph (1817): Bestimmung des Brechungs- und des Farbenzerstreungs-Vermögens verschiedener Glasarten, in Bezug auf die Vervollkommnung achromatischer Fernröhre. Gilbert’s Annalen der Physik. 56, 264-313. • WEBCÍM

Kirchhoff, Gustav Robert (1860): Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme and Licht. Annalen der Physik und Chemie. 109, 275–301. DOI: 10.1002/andp.18601850205 • WEBCÍM

Rydberg, Johannes R. (1890): On the Structure of the Line-spectra of the Chemical Elements. Philosophical Magazine. Series 5, 29, 331-337.

Schawlow, Arthur L. (1982): Spectroscopy in a New Light. Reviews of Modern Physics. 54, 694-709. • WEBCÍM

URL1: WMO (World Meteorological Organization) Bulletin Interviews: Interview With Dr Anders K. Ångström. 1982. április. • WEBCÍM