Do vedy prichádza atóm

Kvantová mechanika vzišla z najzávažnejších vedeckých problémov svojej doby. Napokon ich vyriešila s neuveriteľnou presnosťou. A zároveň otvorila bránu množstvu objavov a vynálezov.

Prvopočiatok tejto cesty, ako aj pri mnohých iných vedeckých konceptoch, siaha do antického Grécka. Z úvah o podstate hmoty vzišla myšlienka o nedeliteľných čiastočkách zvaných atómy. Zakladateľmi tohto pohľadu boli filozofi Leukippos a Demokritos. Ich predstavy ale na dve tisícročia viac-menej zapadli prachom. Pomocou hypotézy o miniatúrnych čiastočkách priekopníci vedy vysvetľovali podstatu viacerých procesov v chémii a fyzike, napríklad vznik chemických väzieb. Samotné atómy sa dočkali uznania až začiatkom 20. storočia. No pôvodná predstava nedeliteľnej guľôčky dlho neprežila.



Anglický fyzik Joseph John Thomson už v roku 1897 objavil záporne nabitý elektrón. Vychádzajúc z vlastných výskumov vytvoril tzv. pudingový model atómu, v ktorom tieto záporne nabité elementy plávajú v spojito rozloženom kladnom náboji. Koncepcia ale padla, keď novozélandský fyzik Ernest Rutherford našiel v strede atómu veľmi malé jadro, v ktorom sa koncentruje kladný náboj. O sedem rokov neskôr, v roku 1918, dokázal, že pozostáva z ešte menších protónov a predpovedal existenciu neutrónov. Tie experimentálne dokázal anglický fyzik James Chadwick. Rutherford zároveň stojí za asi najznámejším obrazom atómu - elektrónov, ktoré krúžia okolo jadra podobne ako planéty v slnečnej sústave okolo slnka.

Kríza klasickej fyziky

V skutočnosti Rutherfordova predstava vykazovala značné nedostatky. Podľa elektromagnetických zákonov by mal elektrón počas obehu po kružnici vyžarovať energiu a veľmi rýchlo spadnúť do jadra. V takom prípade by ale atómy boli nestabilné a elektróny by sa zmenili na žiarenie.

No nešlo o jedinú záhadu mikrosveta. Dovtedy známe „pravidlá fyziky“ napríklad zlyhávali pri popise molekulových spektier, rádioaktivity, tepelného žiarenia telies a mnohých ďalších fyzikálnych dejov. Zoznam bol príliš dlhý. Klasická fyzika vlastne nedokázala objasniť žiaden proces spojený so štruktúrou hmoty.¹ A tak na prelome 19. a 20. storočia väčšina vedcov hľadala novú teóriu atómov a síl, ktoré tvoria svet.

Príchod kvantovej mechaniky

Prvý pokrok sa roku 1900 podaril nemeckému profesorovi teoretickej fyziky Maxovi Planckovi. Ten ukázal, že žiarenie emitované každým predmetom sa nešíri len spojito vo vlnách, ale aj v nespojitých balíčkoch. Tie dostali pomenovanie kvantá. Ich energia nemôže nadobúdať ľubovoľné hodnoty, ale je násobkom konkrétneho čísla dnes známeho ako Planckova konštanta. Ide o základnú myšlienku kvantovej mechaniky, z ktorej vychádzali všetky neskoršie rovnice tejto teórie. Paradoxne, Planck ju označil za akt zúfalstva a po zvyšok života sa usiloval o logickejšie podanie. Na nič lepšie už neprišiel.



Netrvalo dlho a kvantá obrátili v subatomárnom svete naruby prakticky všetky zákony klasickej fyziky. Päť rokov po publikovaní Planckovej práce priniesol kvantový popis svetla Albert Einstein. Dovtedy zaužívaný Maxwellovov model elektromagnetického vlnenia doplnil o fotóny, čiže svetelné kvantá.² Vďaka Einsteinovi sa podarilo pochopiť účinky svetla na kovy. Je zaujímavé, že Nobelova komisia ocenila Einsteina práve za tento objav a nie za teóriu relativity.

Einsteinovi sa zavedením fotónov podarilo vysvetliť fotoelektrický jav, pri ktorom kov stráca náboj dôsledkom interakcie fotónov s elektrónmi. Za svoj objav získal v roku 1921 Nobelovu cenu.

Svet si ešte nestihol poriadne zvyknúť na svetlo tvorené vlnami a súčasne časticami, keď Francúz Louis de Broglie, predniesol oveľa odvážnejšiu hypotézu. Tvrdil, že ku každému hmotnému objektu možno priradiť akúsi materiálovú vlnu. Našťastie, prejavy vlnových vlastností s narastajúcou hmotnosťou telesa veľmi rýchlo zanikajú. Preto ich v každodennom živote nikdy nepozorujeme, ale u miniatúrnych častíc vnútri atómu je takéto vlnové správanie bežné. Teóriu experimentálne potvrdil George Thomson nezávisle na Clintonovi Davissnovi a Lesterovi Germerovi. Vedci počas pokusu pozorovali rozptyl elektrónov pod uhlom, aký by bodová častica nikdy nedosiahla. Zároveň sa objavil interferenčný obrazec typický jedine pre vlny.

Nové vyobrazenie atómu

V priebehu prvej polovice minulého storočia sa pohľad na atómy radikálne zmenil. Nedostatky Rutherfordovho modelu sa usilovalo vyriešiť mnoho vedcov, no uspel jedine mladý fyzik z Dánska, Niels Bohr. Vytvoril (viď. nižšie) tri kvantové postuláty.

Prvý postulát hovorí, že atóm zotrváva stabilný, pretože elektrón obieha okolo jadra iba v presne vymedzených trajektóriách, tzv. orbitáloch. V žiadnych iných sa jednoducho nemôže nachádzať. Tieto dráhy sú podľa druhého postulátu určené celočíselným násobkom Planckovej konštanty. Možno ich chápať ako akési úrovne, ktoré obsahujú elektróny s rovnakou energiou. Ich hodnoty rastú smerom od jadra. Tretí postulát využíva túto skutočnosť na vymedzenie okolností, kedy atóm emituje žiarenie. A to len s podmienkou, že elektrón „preskočí“ na orbitál bližšie k stredu, čím emituje fotón. Ak naopak, svetelné kvantum pohltí, presunie sa do dráhy s vyššou energiou.

Ako to v kvantovej mechanike býva, tieto formulácie nie je možné logicky odvodiť či odôvodniť. Bohr ich jednoducho uhádol. Spočiatku vyzerali ako úplne bezchybné. Striktné energetické hladiny napríklad vysvetľovali farebne odlišné čiary na svetelnom spektre. Išlo tak o vôbec prvý model atómu, ktorý sa dal overiť. Nadšenie z úspechov však netrvalo dlho. Čoskoro vysvitlo, že koncepcia nefunguje pri prvkoch zložitejších ako vodík. Ani opis pohybu elektrónu nebol správny. Dokonca sám Bohr pokladal postuláty iba za prechodné riešenie.

Najdôležitejšie kroky

Napriek všetkým nedokonalostiam predstavovali Bohrove postuláty kľúčové myšlienky, ktoré napokon viedli k dnešnej podobe kvantovej mechaniky. Tvoria základ pre rovnice Erwina Schrödingera a Wernera Heisenberga. Tí svoje práce publikovali v rozmedzí rokov 1925 až 1926. Práve toto obdobie je neraz pokladané za dátum vzniku kvantovej mechaniky.



Obaja vedci tvrdia, že mikrosvet nemožno chápať v duchu pravidiel klasickej newtonovskej fyziky. Elektrón a vlastne žiadna zo štruktúr na subatomárnej úrovni sa totiž nespráva „normálne“.

Neurčitosti

Vedci sa spočiatku usilovali pohyb elektrónov opísať pomocou bežných pohybových rovníc. V takom prípade by sa jednoducho pohybovali po spojitej trajektórii ako každý iný objekt. Avšak výpočty vôbec nekorešpondovali s experimentálnymi výsledkami. Heisenberg preto navrhol, aby sa do formulácií zaviedli matice. Elektrónu je v určitom okamihu priradený celý súbor čísel a nie iba jedna súradnica. Čo to znamená? Častica ako keby prechádzala viacerými úsekmi súčasne. Pre niektoré miesta ale platí vyššia pravdepodobnosť jej výskytu.

Veľmi zvláštne veci sa začnú diať, keď sa experimentátor rozhodne zmerať túto polohu. Z Heisenbergových rovníc totiž vyplýva, že pokiaľ vieme presne určiť polohu elektrónu, nie je možné povedať nič o jeho rýchlosti. S lepším poznaním jednej veličiny zanikajú informácie o tej druhej a naopak.

Inými slovami, nie je možné presne stanoviť obe súradnice naraz, a to platí pre každú vlastnosť častíc. Zoznámte sa so slávnym princípom neurčitosti.

Základom sú vlny

Heisenbergove rovnice fungovali dokonale, avšak mali jednu obrovskú nevýhodu. Z pohľadu matematiky boli nesmierne zložité. Oveľa jednoduchšiu ekvivalenciu predstavovali formulácie Erwina Schrödingera.



Ten vnímal častice ako entity, ktoré možno interpretovať ako vlny. Na ich opis zaviedol vlnovú funkciu vyjadrenú v pohybovej rovnici, ktorá dnes nesie jeho meno. Paradoxne, spočiatku ani samotný Schrödinger nevedel, čo táto vlnová funkcia vlastne znamená. Problém vyriešil až nemecký fyzik Max Born.

Ilustrácia vlnovej funkcie elektrónu v určitom mieste.

Dospel k záveru, že vlna nepredstavuje časticu ako takú, ale vyjadruje pravdepodobnosť jej výskytu. Situáciu možno prirovnať k búrkovému oblaku – najvyššia pravdepodobnosť, že narazíte na častice, je v najtmavšom mieste, kde je najhustejší. Tieto „mračná“ z možného výskytu častíc nadobúdajú v atómoch rôzne tvary. Presná poloha elektrónu ale ostáva naďalej neznáma. Častica sa totižto môže s nenulovou pravdepodobnosťou nachádzať na hociktorom mieste v priestore.

Heisenberg aj Schrödinger v konečnom dôsledku dospeli k rovnakému záveru - svet vnútri atómov bude vždy určitým spôsobom zahalený rúškom tajomstva. Na druhej strane, kvantová mechanika vyriešila tie najzávažnejšie súdobé problémy fyziky a významne prispela k rozvoju technológií.

-

Poznámky
1. Paradoxne, takmer celé 19. storočie sa ešte nieslo v duchu, že fyzika čoskoro dosiahne svoj vrchol. Myslelo sa, že stačí vysvetliť už len niekoľko posledných nepodstatných otázok.
2. Teória o svetle zloženom z malých čiastočiek vlastne nebola vo fyzike ničím novým. Prišiel s ňou už Newton. S kvantovou mechanikou ale nemala nič spoločné.

Zdroje
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/davger2.html
http://kf-lin.elf.stuba.sk/~ballo/STU_online/Fyzika%20II/13%20kapitola/13.2/kvantF2-2-1.htm

Úvod do kvantové mechaniky, Lubomír Skála, Karolinum (2012)
Kvantový vesmír (Vše, co se může stát, se také stane), Brian Cox, Jeff Forshaw, Dokořán (2014)

Odborný dozor: Jana Chupáčová

Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok

Tweet