Kdy se dívat?Ve spolupráci s televizi Prima COOL vám přinášíme upoutávky na nejnovější řadu populárního amerického sitcomu The Big Bang Theory (Teorie velkého třesku). Třináctý díl šesté série můžete sledovat dnes 13. května ve 21:20 (český dabing) nebo hodinu a dvacet minut po půlnoci v originálním znění. |
V dnešní ukázce je důležité to, čemu obvykle nevěnujete pozornost: znělka před samotnou scénkou. Pokud sledujete Teorii Velkého třesku pravidelně, znáte ji dobře. Jediným výrazným objektem na obrazovce jsou atomy otáčející se jako malé "planetky" s několika obíhajícími "měsíci" elektronů.
Je to pro nás všechny zcela běžný obrázek, který je přístupný i intuitivně: atomy jsou v podstatě malé mikrosvěty se svými planetami a oběžnicemi. Ale ve skutečnosti je tento model atomu triumfem fyziky, která je našemu okolí zcela cizí, fyziky kvantového světa.
Letos v červenci uplyne přesně jedno století od chvíle, kdy dánský fyzik Niels Bohr zveřejnil práci, ze které se zrodila nejen znělka jednoho televizního seriálu, ale která změnila fyziku jako takovou.
Ach, ta moje odvaha
Příběh se odehrál v Anglii, ale začal v Dánsku v době, kdy Niels Bohr v roce 1911 obhájil svou závěrečnou vysokoškolskou práci. Práci psal v dánštině, tehdy to v Dánsku jinak nešlo, a tak zůstala i přes svou vysokou úroveň v podstatě neznámá. Po obhajobě byl de facto nucen odejít ze své domoviny, protože dánská fyzika mu neměla co nabídnout.
Ad fontesBohrova klasická práce "On the Constitution of Atoms and Molecules" vyšla v časopise Philosophical Magazine postupně ve třech dílech na celkem 71 stranách. Jak dokládá název, neměla se zabývat jen modelem atomu, ale i dalšími problémy, které se tehdy pohybovaly na pomezí chemie a fyziky. Nejdůležitější je první část z července 1913, která se zabývala vysvětlením spektrálních čar vodíku. Kdo se chce vydat k pramenům, může si dnes práci stáhnout na internetu. On the Constitution I; On the Constitution II Bohužel se nám nepodařilo najít volně ke stažení III. díl. |
Bohr zamířil na jakousi neoficiální "stáž" do Anglie, která byla v té době jedním z hlavních center experimentální i teoretické fyziky. Od roku 1911 byl nejprve v Cambridge, ale pobyt tam mu nevyhovoval, přestože měl za vedoucího skvělého fyzika Josepha Johna Thomsona. Ten už za sebou měl objev elektronu a zisk Nobelovy ceny v roce 1906. Tehdy ještě za chemii, protože zkoumání atomových jader bylo považováno spíše za odnož chemie než fyziky.
V době Bohrova příchodu Thomson stejně jako mnozí další pátral, jak z elektronů a dalších částic vznikají atomy. Model britského fyzika byl "pudingový": atom měla být kladně nabitá koule, uvnitř které jsou rozptýleny elektrony. Jejich náboje dohromady vyruší kladný náboj atomu. Pudingový model to byl proto, že Thomson atom přirovnal k pudingu s rozinkami (elektrony).
Bohr Thomsona obdivoval a chtěl mu pomoci kritikou pudingového modelu. Ovšem obě osobnosti si nevyhověly. Ne, že by Thomsona Bohr rozčiloval, měl však dost vlastních nápadů a Bohr ho nedokázal zaujmout.
Zpopularizovaný Bohrův model atomu. V době jeho objevu by asi jádro vypadalo jinak, Bohr například nemohl vědět, že existují neutrony.
Mladý Dán tak zhruba po roce odešel z Cambridge k Ernestu Rutherfordovi do Manchesteru. To je dnes další mytická postava, jeden z největších experimentálních fyziků nejen své doby. Objevil koncepci poločasu rozpadu radioaktivních prvků a jako první například ukázal, že alfa záření nejsou nic jiného než jádra helia zbavená elektronů. Bohr své snoubence v očekávání nového pracoviště napsal: "Hořím odvahou, jak já hořím."
Netrefený atom
Rutherford měl v té době také představu, že atomy jsou malé "planety" s pevným jádrem a spoustou volného prostoru okolo. Tuhle představu podporoval především jeho tzv. rozptylový pokus. Když vědci ozařovali tenké destičky materiálu zářením alfa (tedy de facto ionty helia), ukázalo se, že většina záření projde zdánlivě pevnou překážkou bez zastavení. Jen malá část z nich (asi jedna z osmi tisíc) výrazně změnila směr.
Nebuďte jako PennyKdyž se v seriálu Teorie velkého třesku mluví o vědě, s námi víte, která bije. Ve spolupráci s televizi Prima COOL vám přinášíme upoutávky na nejnovější řadu populárního amerického sitcomu Thé Big Bang Theory (Teorie velkého třesku). V každé epizodě jsme pro vás vybrali jednu zajímavost z vědy nebo techniky a rozebrali ji jako skoro jako Sheldon Cooper... Bazinga! Přece jen, neomylnému géniovi samozřejmě konkurovat nemůžeme. Zatím došlo na: |
Fyzici z toho usuzovali, že pevné látky musí být z pohledu částic vlastně "děravé". Rutherfordova skupina však byla překvapena tím, že nejsou ještě děravější. Počet částic alfa, které se při rozptylu na atomech zlata rozptylovaly do velkých úhlů (některé dokonce zpět ke zdroji), mnohonásobně převyšoval předpovědi Thomsonova "pudingového" modelu.
Podle něj měl být náboj rozprostřený rovnoměrně po celém modelu a ostřelování atomu alfa částicemi mělo být prakticky doslova něco jako střelba do měkkého pudingu. Z výsledku rozptylového pokusu však bylo zjevné, že čas od času alfa částice narazí na opravdu pevnou překážku, která musí být hmotnější a s větším nábojem než částice záření.
Rutherford a jeho teoretici správně odhadovali, že tyto pevné překážky jsou jádra atomů. A dospěli k závěru, že v podstatě všechna hmota atomů je soustředěna v malé oblasti jádra s kladným nábojem, kolem kterého obíhají elektrony. Tento model zveřejnili Rutherford a spol. už v roce 1897.
Malý problém
Ovšem kdyby Rutherfordův model byl opravdu ten pravý, náš svět by neexistoval. Rychle se pohybující elektrony by měly podle stávajících poznatků při rotaci kolem jádra postupně vyzařovat elektromagnetické záření, ztrácet energii a "padat" směrem do jádra, což by nakonec mělo vést k rozpadu atomu. To se však evidentně nedělo. Elektrony se v něčem musely chovat jinak.
Spektrální čárySpektrální čáry vzniknou tak, že prosvítíte vzorek plynné látky přes optický hranol. Ve vzniklé "duze" (přesněji spektru) bude část barev chybět a místo nich tam budou černé čáry (v ideálním případě, doma dokonalé výsledky nečekejte). Tyto tzv. spektrální čáry budou u složitějších sloučenin obvykle větší, u prvků půjde obvykle jen o pár slabých čárek na několika mítech spektra. Důležité je, že budou u každého prvku jinde. Každý prvek je tedy evidentně "neprůhledný" pro jiné vlnové délky, ale každý jenom pro některé. |
Bohr v rámci debat v Rutherfordově skupině navrhl vlastní model a od června 1912 ho rozpracovával. Ale zásadní průlom přišel zřejmě až na začátku roku 1913. Tehdy se začal věnovat problému spektrálních čar vodíku. Podle všeho se jím vůbec zabývat nechtěl, protože mu přišel pro první verzi jeho modelu příliš složitý. Ale když ho kolega požádal, vyšel mu Bohr vstříc. Bylo to šťastné rozhodnutí. Při prvním pohledu na spektrální čáry vodíku měl údajně jasno.
V červenci 1913 pak v časopise Philosophical Magazine zveřejnil práci, která planetárnímu modelu atomu zajistila místo ve fyzikálním Pantheonu (v učebnicích kvůli chybám přece jen nevydržela). Elektrony se podle ní mohou okolo jader pohybovat jen po určitých drahách.
Navíc elektrony nepřecházejí z jedné dráhy na druhou plynule, ale "skočí" z jedné na druhou přímo. Na vyšší, pokud se mu energie dostane, na nižší, pokud o ni přijde. Proto je spektrum prvků nespojité: elektrony nejsou kolem jádra umístěny na nějakých náhodných či nepravidelných drahách, ale jen v určitých koridorech. A je zapotřebí světla určité vlnové délky, abychom se "trefili".
Inspirací pro Bohrův model byla teorie záření. V ní byla představa "kvant", tedy nedělitelných množství energie, známá od začátku 20. století. Za počátek vývoje kvantové teorie záření se považuje přednáška Maxe Plancka 14. prosince 1900.
Jak to vidíme dnesDnes už na rozdíl od Bohra nejsme odkázáni jen na modely a můžeme vidět atomy vodíku přímo. Jak vypadají, ukazuje snímek v tomto boxu. Jde o koláž z mnoha záběrů elektronového mikroskopu, která zachycuje vodík s jednotlivými energetickými hladinami pro elektrony okolo. Atom byl "nabuzený" energií zvenčí, aby elektrony poskočily i na vyšší hladiny. Zjednodušeně si to můžeme představovat tak, že světlé body zobrazují jakousi pravděpodobnostní mapu, kde se elektron může vyskytovat ve chvíli, kdy ho začneme hledat. Červená jsou místa, kde se vyskytne nejspíše (na nejnižší energetické hladině nad jádrem).  Snímek pochází z práce Hydrogen Atoms under Magnification..., která vyšla letos v časopise Physical Review Letters. |
Bohrovou inspirací byl i Einstein (přesněji jeho vysvětlení fotoelektrického jevu z roku 1905). K vytvoření Bohrova modelu výrazně přispělo také to, že se v měsících před tímto úkolem zabýval studiem prací Johna Williama Nicholsona, který se věnoval spektroskopickému problému.
Představa "teleportujících se" atomů byla pro klasickou fyziku těžko stravitelná. Rutherford se například podivoval, jak elektrony "vědí", na jakou dráhu přesně skočit. Bohr měl kuráž podobné námitky odmítnout. Řekl svému nadřízenému, že fyzika by se neměla bát toho, že některé jevy v mikrosvětě nedokáže nikdy přesně popsat.
Přesto byl s výjimkou pohybu elektronů Bohrův model nekvantový, což byla chyba, jak se brzy ukázalo. Trpěl i řadou dalších nedostatků. Složitější atomy než vodík v podstatě popsat nedokázal. Výsledkem této snahy byl "dokonalý zmatek", abychom si vypůjčili termín fyzika Luboše Motla.
Ale v mnoha ohledech teorie dávala smysl. Navíc experimenty ji podporovaly, a tak Bohrova představa rychle získávala na významu. Když se ukázalo, že je až příliš "klasický", nahradily ji jiné modely, např. Schrödingerův kvantově-mechanický. Ale to se týká je fyziky samotné, ne její popularizace. Zatímco elektron jako stojatou vlnu (Schrödinger) si dokáže představit málokdo, malé "měsíce" rotující kolem atomového jádra můžete dát i před reklamu, aniž by se nám, potenciálním zákazníkům, zamotala hlava.
