Časopis Quark
https://www.quark.sk

Pozoruhodné pravidlá mikrosveta

V minulých dvoch číslach sme si povedali, ako ľudia zistili, z čoho sa skladá hmota. Teraz je na čase ukázať si, odkiaľ vieme, že najmenšie častice hmoty podliehajú úplne iným pravidlám, ako sme zvyknutí.

Týmto pravidlám hovoríme kvantová mechanika a jej objav je príbehom prvej tretiny 20. storočia. Rovnako je to aj začiatok príbehu tej časti fyziky, ktorá má prívlastok moderná. Ako sme si však už zvykli, všetko sa začína oveľa skôr a niekde celkom inde.

Fraunhoferove čiary v spektre Slnka (hore) a spektrálne čiary vo svetle vodíka (dole)

Spektrá chemických prvkov

Prvým náznakom zvláštnych vlastností hmoty boli čiary v svetelnom spektre. Už antickí Rimania vedeli, že biele svetlo sa dá hranolmi rozložiť na farebné spektrum. V roku 1802 si anglický chemik William Wollaston (1766 – 1828) všimol, že slnečné spektrum má medzery – dúha, ktorú tvorí po prechode hranolom, nie je kompletná, ale na niektorých miestach sa nachádzajú tmavé pruhy. Tie neskôr dôkladne študoval bavorský fyzik Joseph von Fraunhofer (1787 – 1826), ktorého meno tieto čiary nesú. Podarilo sa mu prísť na spôsob, ako veľmi presne zmerať vlnovú dĺžku, a teda aj frekvenciu chýbajúceho svetla. V druhej polovici 19. storočia chemici zistili, že ak do ohňa kahana vložíme chemikáliu, vo vzniknutom svetle sa na niektorých miestach začnú objavovať podobné čiary! Navyše, tieto čiary presne určujú, o akú chemikáliu ide. Pre každý prvok sú totiž rôzne, a niektoré zodpovedajú medzerám v slnečnom svetle. Išlo o veľmi dôležitý objav spektroskopie, pre nás však budú významné iba samotné čiary. Ako uvidíme, presné predpovedanie vlnových dĺžok spektrálnych čiar sa stalo kľúčovým testom teórií, ktoré mali ambíciu vysvetliť pravidlá a procesy vnútri atómov. Na konci 19. storočia boli vlastnosti týchto čiar pre mnohé prvky veľmi presne známe. Navyše, v roku 1885 švajčiarsky učiteľ matematiky Johann Balmer (1825 – 1898) objavil v čiarach prekvapivú štruktúru, charakterizovanú celými číslami. A ako sme si už zvykli, keď sa celé čísla objavia tam, kde by nemuseli, takmer vždy to poukazuje na čosi hlbšie.

 

Svetlo žiarovky

Schematické znázornenie Bohrovho modelu atómu

K zrodu kvantovej mechaniky viedol veľmi praktický problém, ktorý riešil nemecký fyzik Max Planck (1858 – 1947). Otázka znela: Ako presne vyzerá svetlo, ktoré vyžaruje rozžeravené vlákno žiarovky? Na konci 19. storočia bola žiarovka nový vynález a odpoveď na túto otázku priamo súvisela s jej efektívnym využívaním. M. Planck popisoval žiarenie pomocou pravidiel štatistickej fyziky a narazil na problém. Teoretický popis predpovedal, že žiarovka by vôbec nemala svietiť. Energia elektromagnetického žiarenia je úmerná jeho frekvencii, ultrafialové žiarenie má preto pri veľmi vysokej frekvencii aj veľmi vysokú energiu. Zo žiarovky by malo vychádzať žiarenie všetkých frekvencií. Keď žiarovku zahrievame, celá energia, ktorú vláknu dodáme, sa stratí vo vysokofrekvenčných módoch žiarenia a žiarovka nebude takmer vôbec svietiť. Iné, ale podobne absurdné tvrdenie by platilo pre žiarovku, ktorú sa nám nejakým zázrakom podarilo rozsvietiť. Pri akejkoľvek teplote vlákna bude svetlo žiarovky obsahovať obrovské množstvo ničivého žiarenia vysokých frekvencií – čím vyššia frekvencia, tým dokonca viac. Nič z toho sa však nedeje. Žiarovky svietia, ale nešíria ultrafialovú skazu. Niečo teda nie je v poriadku. A práve M. Planck v roku 1900 vyriešil tento problém tým, že podelil frekvencie svetla, ktoré žiarovka vyžaruje, na malé intervaly. Šírka týchto intervalov je daná konštantou, ktorá nesie jeho meno. V nich sa nemôže nachádzať ľubovoľne málo energie, a preto pri nedostatočnej teplote zostanú módy s vysokou frekvenciou chladné a bez energie. Z tohto predpokladu M. Planck odvodil výsledky v dobrej zhode s experimentálne určenými vlastnosťami vyžarovaného žiarenia, ktoré boli vtedy už dostatočne známe. A v roku 1918 dostal Nobelovu cenu. Planck zaviedol diskrétnu štruktúru energetického spektra ako z núdze cnosť. Túto myšlienku však bral len ako keby, ako užitočný trik, a v skutočné kvantovanie energie ani on, ani nikto iný neveril.

Nie ako keby, ale naozaj

Ako prvý prisúdil diskrétnym energiám skutočnú existenciu v roku 1905 najznámejší patentový úradník všetkých čias – Albert Einstein (1879 – 1955). Všimol si, že Planckova hypotéza sa dá interpretovať aj inak. Svetlo sa správa, akoby sa nešírilo spojito, ale v balíčkoch s energiou úmernou frekvencii a Planckovej konštante. Slabo zahriate vlákno jednoducho nedokáže vytvoriť balíčky s vysokou energiou a nedochádza k sporom. A. Einstein odvodil Planckov výsledok, jeho úvahy sa však netýkali vlákna žiarovky, ale samotného svetla. A nerobil ich ako keby, ale naozaj. Popri tom si všimol, že šírenie svetla v kvantách, ktorých energia je úmerná frekvencii, jednoducho a priamočiaro vysvetľuje zdanlivo nesúvisiaci jav. Nemecký fyzik Heinrich Hertz (1857 – 1894) v roku 1887 pozoroval, že UV žiarenie pomáha vzniku iskier medzi nabitými vodičmi. Neskôr vedci, najmä pričinením ruského fyzika Alexandera Stoletova (1839 – 1896) a nemeckého fyzika Philippa Lenarda (1862 – 1947), mimochodom, bratislavského rodáka, zistili, že dopadajúce UV žiarenie dokáže z kovov uvoľňovať elektróny. Tieto elektróny pomáhajú viesť elektrický prúd, a tak dostalo vyrážanie elektrónov z kovu svetlom meno fotoelektrický efekt. Množstvo vyrazených elektrónov rastie s intenzitou žiarenia, ale ich energia závisí iba od jeho frekvencie. A. Einstein si uvedomil, že presne takéto správanie by sa dalo očakávať, keby jeden elektrón vedel interagovať iba s jedným balíčkom energie dopadajúceho žiarenia. Zvýšením intenzity svetla zväčšíme počet balíčkov, a teda aj počet uvoľnených elektrónov, ale ich energia zostane rovnaká. Zvýšením frekvencie zvýšime energiu, ktorú nesie jeden balíček, a teda aj energiu, ktorú si elektrón po uvoľnení odnesie. A. Einstein tým predpovedal presnú závislosť medzi energiou uvoľneného fotónu a frekvenciou dopadajúceho žiarenia, ktorá bola overená v roku 1914. Myšlienka, že svetlo má vlastnosti prúdu častíc, bola oveľa prevratnejšia, ako by sa v súčasnosti mohlo zdať. Dôkazom je, že A. Einsteinovi priniesla Nobelovu cenu, a to najmä preto, lebo minimálne sto rokov boli ľudia presvedčení, že svetlo sa správa ako vlnenie.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 03/2019.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky
FMFi UK v Bratislave
Foto Fotky&Foto, Pixabay a autor

Komentáre