Sto let od objevu století

pátek 17. červen 2011 15:01

Koncem května tohoto roku uplynulo sto let od objevu atomového jádra. Uvědomuji si, že od počátku 20. století došlo k řadě objevů, jejichž význam je s objevem atomového jádra srovnatelný, ať jde například o Hubbleův důkaz existence extragalaktických objektů, Lemaitrovu představu o vzniku vesmíru z primárního atomu, Flemingův objev penicilinu či Crickův a Watsonův objev struktury DNA. Přesto si myslím, že Rutherfordův objev atomového jádra si označení v názvu zaslouží, neboť tím, že otevřel okno do mikrosvěta, znamenal zásadní zlom ve zkoumání základních zákonů přírody. Mikrosvět totiž není zmenšenina makrosvěta, v němž se pohybujeme a který vnímáme našimi smysly, neboť samotné pojmy, které jsme nuceni při popisu zákonitosti mikrosvěta používat, se vymykají našim každodenním zkušenostem.

Na samém konci 19. století došlo v krátkém sledu ke třem objevům, které připravili půdu pro objev, o němž je tento blog.

Od atomu k pudinku s rozinkami

V  roce 1895 Wilhelm Konrád Roentgen objevil záření, které je po něm pojmenováno a které vznikalo při dopadu katodových paprsků na skleněnou stěnu. Samotné katodové paprsky, které vznikají při elektrickém výboji v plynech, zkoumali fyzikové již delší dobu, ale o jejich podstatě panovala velká nejistota.

Zkoumáním jejich vlastností se intenzivně zabýval v Cavendishově laboratoři na universitě v Cambridge i J. J. Thomson, který ukázal, že je lze vychýlit nejen magnetickým, ale i elektrickým polem a v roce 1897 vyslovil hypotézu, že se jedná a proud záporně nabitých částic, které nazval „korpuskule“. Během dalších dvou let změřil i jejich elektrický náboj a hmotnost. Ta mu vyšla velmi malá, asi 700krát menší než hmotnost iontu atomu vodíku (ve skutečnosti je ovšem ještě asi 3krát menší) a to bez ohledu na to, jaký plyn byl v trubici. To vedlo Thomsona k závěru, že korpuskule (dnes známé jako elektrony), jsou součástí atomů, které se od sebe liší jejich různou konfigurací a počtem, Zároveň mu bylo jasné, že tyto záporně nabité korpuskule, musí v atomech držet pohromadě kladný elektricky nabité, o němž předpokládal, že je v atomu rozložen spojitě. Tento Thomsonův model atomu, kterému se říká „pudink s rozinkami“, znamenal dramatickou změnu paradigmatu, neboť atomy přestaly být skutečně „átomos“, tj. nedělitelnými základními stavebními kameny hmoty.

Matka všech alchymistů

Zhruba rok před rozhodujícím experimentem J. J. Thomsona objevil zcela náhodně Henri Becquerel záření, které spontánně vydávají některé látky, v případě Becquerela soli uranu. Netušil přitom, že pozoruje to, po čem prahly generace středověkých alchymistů. Ti hledali kámen mudrců, látku, která je schopná přeměnit téměř bezcenné kovy ve zlato a také vyrobit elixír žvota který měl sloužit k omlazení či dokonce k dosažení nesmrtelnosti. Alchymistům šlo hlavně o zlato a stříbro, ale jejich následovníkům v 19. století v širším smyslu o přeměnu jednoho prvku na druhý.

Zmíněné pokusy J. J. Thomsona zblízka sledoval v jeho laboratoři od roku 1895 po tři roky i mladý Novozélanďan, Ernst Rutherford. Ten se vrhnul na zkoumání radioaktivity a jako první ukázal, že existuje dva druhy, které nazval „alfa“ a „beta“, které se lišily především schopností pronikat látkou. On ani Thomson tehdy netušili, že radioaktivní paprsky beta, které pronikaly látkami daleko snadněji než záření alfa, jsou právě Thomsonovy „korpuskule“. Po třech letech u Thomsona odešel Rutherford na universitu McGill v Kanadě, kde měl větší možnost na kariérní postup a také dobré podmínky k práci. Tam pokračoval ve zkoumání podstaty radioaktivního záření a tam také učinil objevy, za něž dostal v roce 1908 Nobelovu cenu, nikoliv ovšem za fyziku, ale chemii. Jejich podstatou bylo důkaz, že záření alfa je proud atomů hélia, v nichž chyběly dva elektrony a které byly zhruba čtyřikrát těžší než atomy vodíku. V alfa radioaktivních rozpadech se samovolně mění identita atomů a příroda je tak vlastně matkou všech alchymistů. Nobelovu cenu dostal Rutherford za „výzkum rozpadu prvků a chemie radioaktivních substancí“. V předávací řeči profesor K.B. Hasselberg, president švédské Královské Akademie věd, Rutherfordův dále uvedl:

Rutherfordovy objevy vedly k vysoce překvapivému závěru, že v rozporu s dosavadními teoretickými představami jsou chemické prvky schopny přeměny na jiné a tak nás pokrok při zkoumání radioaktivity přivedl zpět k transmutační teorii starých alchymistů. Ačkoliv Rutherford používal fyzikální metody, důležitost jeho objevů pro chemii je tak dalekosáhlá a zjevná, že Kralovská Akademie věd neváhala udělit mu cenu za chemii…

Annus Mirabilis

V „roce zázraků“ 1905 publikoval teprve 26letý Albert Einstein čtyři práce, z nichž tři zásadním způsobem ovlivnilÿ další vývoj našeho chápání zákonů přírody. V první z nich, z června 1905, využil Planckovu hypotézu, že v mikrosvětě je energie kvantována, pro vysvětlení fotoelektrického jevu, tj. skutečnosti, že dopadající světlo vyráží z látek elektrony. Einstein přitom aplikoval Planckovu hypotézu na jednotlivé částice a bez přehánění lze říci, že to byl vlastně on, kdo jako první pochopil dalekosáhlé důsledky Planckovy hypotézy. Za tuto práci, nikoliv za formulaci teorie relativity, dostal v roce 1922 Nobelovu cenu za fyziku. V další práci ze září formuloval speciální teorii relativity a v práci z listopadu nazvané „Závisí setrvačnost tělesa od jeho energie?“ odvodil vztah mezi energií tělesa E, jeho hmotností m a rychlostí světla c: m=E/c2. Tento „druhý Einsteinův zákon“ byl tedy formulován dříve než ten „první“, dobře známý a matematicky ekvivalentní, vztah E=mc2. Ač matematicky ekvivalentní, fyzikálně vyjadřují tyto vztahy komplementární skutečnosti. Podle prvního je v hmotnosti ukryta energie, podle druhého se energie projevuje jako hmotnost. O kvantové hypotéze a druhém Einsteinově zákonu se zmiňuji proto, že tyto zákony sehrály při pochopení důsledků Rutherfordova objevu atomového jádra klíčovou roli.

Velké překvapení

V roce 1907, ještě předtím než získal Nobelovu cenu za chemii a poté, co mu byla nabídnuta profesura na universitě v Manchestru, se po osmi letech v Kanadě Rutherford vrátil do Anglie. V Manchestru začal sérii pokusů s rozptylem částic alfa vznikajících v radioaktivním rozpadu rádia, na atomech zlata a dalších prvků. Nejprve se zaměřil na hledání případů, kdy se alfa částice rozptýlí dozadu, i když podle již zmíněného pudinkového modelu se měly alfa částice při rozptylu na atomech zlata v drtivé většině případů odklánět jen nepatrně od směru svého pohybu. Výsledky pozorování, které prováděli jeho asistenti Hans Geiger a Ernst Marsden, však byly šokující: v malém, ale přesto významném počtu případů se alfa částice rozptýlila na úhel větší než 90 stupňů,. Rutherford sám tyto případy komentoval slovy:

Byl to nejneuvěřitelnější případ v mém životě. Bylo tak téměř tak neuvěřitelné, jako kdybyste vystřelili 15tipalcový granát do kousku papíru a on se od něj odrazil a strefil vás. Uvědomil jsem si, že zpětný rozptyl musí být výsledkem jediné srážky a když jsem provedl potřebné výpočty, bylo mi jasné, že nic takového nemůže nastat, ledaže by většina hmotnosti atomu byla koncentrována v malém jádru. Tehdy jsem přišel na myšlenku, že v atomu je malé masivní centrum, v němž je soustředěn kladný náboj.

Na základě zmíněného pozorování Rutherford vypracoval v krátké době model atomu, v němž byl veškerý kladný elektrický náboj a také velká většina hmotnosti atomu soustředěna ve velmi malém (ve srovnání s rozměry atomu) jádře ve jeho středu. Kolem tohoto jádra pak obíhaly elektrony, podobně jako planety kolem Slunce. Tento Rutherfordův model se proto často nazývá „planetární model atomu“.  Pomocí zákonů klasické mechaniky spočítal, jak se budou v elektrickém poli tohoto jádra alfa částice při rozptylu pohybovat a z toho odvodil výraz pro jejich úhlové rozdělení. Výraz, který dostal, dával pro rozptyl na malé úhly to samé jako Thomsonův pudinkový model, ale na velké úhly mnohem větší pravděpodobnost. Své výpočty publikoval v práci z května 1911 a svým asistentů Geigerovi a Marsdenovi uložil podrobně proměřit závislost počtu rozptýlených alfa částic na úhlu rozptylu a jeho předpovědi prověřit. To se jim podařilo a v roce 1913 publikovali výsledky, které Rutherfordovy předpovědi plně potvrdily. V levé části obrázku je dobová fotografie experimentálního uspořádání jejich experimentu, v pravé části jeho schéma. Fólie zlata byla obklopena kruhovým stínítkem pokrytým sirníkem zinečnatým, na němž vyvolával dopad rozptýlených alfa částic záblesk. Tyto záblesky pozorovali Geiger s Marsdenem otočným okulárem a zaznamenávali počet záblesků jako funkci úhlu rozptylu. Výsledky jejich měření jsou na dalším obrázku. Tabulka je z originální práce, grafy a doprovodný komentář jsou dílem mého kamaráda Jiřího Dolejšího z MFF UK.

Krále je mrtev, ať žije král

Model pudinku byl tak nahrazen modelem, v němž atom silně připomínal planetární soustavu. To byl zásadní pokrok, ale od začátku bylo jasné, že atom sice planetární soustavu připomíná, ale v několika aspektech se od ní zásadně liší a že tyto odlišnosti budou zdrojem vážných problémů. První z nich byl v tom, že všechny atomy daného prvku jsou stejné, a elektrony by tedy v nich  měly obíhat po zcela stejných drahách. V planetárním modelu atomu pro to ale nebyl žádný důvod, stejně jako není žádný hlubší důvod, proč by musela Země obíhat kolem Slunce zrovna po dráze, po níž obíhá. S tím byl spojen druhý a ještě větší problém, spočívající v tom, že v klasické fyzice musí elektrický náboj obíhající kolem jádra spojitě vyzařovat elektromagnetické záření, ztrácet energii a po spirále se v důsledku toho zhroutit do jádra. Nic takového v přírodě nepozorujeme a většina atomů je v základním stavu absolutně stabilních. Bez identity a stability atomů by neexistoval vesmír kolem nás a samozřejmně ani my sami. Atomy, jsou-li vybuzeny ze základního stavu, vyzařují elektromagnetické záření, ale to má diskrétní, pro daný atomu zcela charakteristické frekvence.

Překonat tyto problémy se pokusil ještě v témže roce 1913 mladý dánský teoretik Niels Bohr. Jeho model atomu, který vychází ze základní představy Rutherfordova planetárního modelu atomu, je pozoruhodným pokusem skloubit zákony klasické mechaniky s Planckovou hypotézou existence kvant energie a druhým Einsteinovám zákonem. Na tomto místě je vhodné připomenout, že do té doby byla Planckova hypotéza použita pouze při výpočtu  hustoty záření absolutně černého tělesa a vysvětlení fotoefektu.

V Bohrově modelu obíhají elektrony po klasických drahách, ale jen některých a vyzařují, ale jen při přechodu z jedné dráhy na druhou a v základním stavu vůbec ne. Tyto z hlediska klasické fyziky neslučitelné předpoklady přesto vedly k předpovědi spekter atomů, které byly ve velmi dobré shodě s experimentem. Bohr a další se další desetiletí snažili jeho model atomu vylepšovat, ale základní nekonzistenci předpokladů, na nichž je založen se odstranit nepodařilo. Přesto je historie těchto, mnohdy zoufalých a vždy neúspěšných, snah vysvětlit atom v rámci pojmů a zákonů klasické fyziky zajímavá, neboť ukazuje, proč jsou tyto pojmy jsou pro popis mikrosvěta nevhodné a proč je třeba je nahradit něčím zcela jiným.

To něco zcela nového přinesla v polovině 20. let kvantová mechanika, jež opustila základní pojem klasické fyziky, jímž je dráha částic a nahradila ho pojmem vlnová funkce, s jejíž interpretací se řada fyziků dodnes jen obtížně smiřuje. Ale to je na jiný blog.

Kámen mudrců

Je zajímavé, že ačkoliv objev atomového jádra měl bezpochyby epochální význam, Nobelovu cenu za fyziku za něj Rutherford nedostal, pravděpodobně právě proto, že jednu již měl, byť z jiného oboru. A zasloužil si ji i potřetí, neboť v roce 1919 se mu jako prvnímu člověku podařilo napodobit přírodu a uskutečnit přeměnu jednoho prvku na jiný. To když při ostřelování jader dusíku jeho milovanou alfa částicí vzniklo jádra kyslíku a vodíku (tedy proton). Alfa částice, předmět jeho celoživotního zájmu, v této reakci sehrál obrazně řečeno roli onoho kamenem mudrců a Rutherford se tak vlastně stal prvním úspěšným alchymistou.

Epilog

Nejde tedy o to, zda je Rutherfordův objev jádra atomu skutečně objevem století, ale o to, že tímto objevem jsme se vydali na cestu do mikrosvěta, kde panují zákony, které nám mohou připadat bizarní a z hlediska našich zkušeností až absurdní, ale bez nichž by svět kolem nás ani my sami neexistovali. Proto si příležitosti stého výročí tento objev zaslouží připomenout. Mimo jiné i proto, že není vyloučeno, že na další etapě této cesty do neznáma, na níž se nedávno fyzikové vydali s pomocí urychlovače LHC v CERN, se bude situace z roku 1911 opakovat. Docela bych si to přál. Možná, že našim potomkům budou připadat naše dnešní představy o mikrosvětě stejně neudržitelné, jako připadal Rutherfordovi Thomsonův pudinkový model atomu.

Jiří Chýla

ValonisUž 100 let !22:4731.7.2011 22:47:59
LRsKJWcsHtUIPUKKwXbHHjkgL21:2828.7.2011 21:28:53

Počet příspěvků: 2, poslední 31.7.2011 22:47:59 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.

Jiří Chýla

Jiří Chýla

Nejen o vědě, ale také o roli vzdělanosti v dnešní společnosti, o věcech veřejných, které se nás týkají a které by nás měly zajímat.

Zabývám se teorií elementárních částic orientovanou na úzkou spolupráci s experimenty. Od počátku 90. let přednáším na Matematicko-fyzikální fakultě UK a společně s kolegy z této fakulty a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské vedu Centrum částicové fyziky, jehož pracovní týmy se podílejí na řadě důležitých experimentů v hlavních světových laboratořích fyziky částic. Do zvolení členem Akademické rady AV ČR v březnu tohoto roku jsem byl předsedou Rady Fyzikálního ústavu AV ČR. Jsem členem vědecké rady Nadačního fondu NEURON na podporu vědy.

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik

Tipy autora

tento blog
všechny blogy