Jak se loví kvantové příšerky a proč už jich více nebude 1

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

po přečtení článku o kvantové ZOO jsi mi říkal, že bys velmi rád věděl, jak na tohle všechno fyzikové přišli. Takže si dnes uděláme menší výlet do historie a popovídáme si o tom.

Elektron

Když řeknu, že jako první subatomární částici se podařilo objevit elektron, nebude to úplně přesné. Vědci totiž měli v ruce objevy i jiných částic, jako je foton, neutron, ale doba na to ještě nenazrála a tak projevy těchto částic mylně připisovali naprosto jiným jevům. Na počátku byly pokusy se žárovkou Tomáše Alvy Edisona. Pokud jste už žárovku nezažili - byla to skleněná koule, ze které byl vyčerpán vzduch a uvnitř proud protékal tenkým vláknem kovu, které rozžhavil do červena. Hodně to topilo, trochu svítilo, v oblasti osvětlení to bylo přes sto let main stream.

Edison experimentoval s přidáním dalšího drátu, aby zabránil černání skla. K jeho údivu zjistil, že i když dráty v žárovce nejsou spojené, protéká jimi proud a tak se objevil první prapředek elektronek - dioda. Skleněná baňka, na jednom konci katoda - záporná elektroda a na druhém konci anoda - kladná elektroda. Když na oba konce aplikujeme stejnosměrné napětí okolo 100 kV (500x více než máme běžně v zásuvce), zbývající plyn v baňce se rozzáří. Původně se domnívali, že se mezi katodami putují celé atomy, ale v roce 1897 britský fyzik J.J.Thomson podle způsobu, jakým se anoda zahřívala a také podle toho, jak ten celý jev reagoval na vnější magnetické pole vypočetl, že to musí být nějaké, prozatím neznámé částice, mnohem menší než atom. Thomson se domníval, že se jedná o stavební části atomů a dal této částici jméno "částice". (Vzpomeň si, co jsem už dříve říkal o schopnosti fyziků pojmenovávat věci a jevy, pokud se to náhodou nejmenuje po něm, tak to nedopadne dobře.) Teprve později se ustálil název elektron.

Díky objevu elektronu došlo k posunu, jak vědci viděli atom, protože do té doby považovali atom za nejmenší a dále nedělitelnou věc. Výsledkem toho byl pudingový model atomu, kdy elektrony byly náhodně rozesety uvnitř atomu jako rozinky v pudingu,

Alfa a beta částice

Tyhle dvě částice nejsou přímo zvířátka z kvantové ZOO, ale byla fyzikům známa už koncem devatenáctého století, dokonce před objevem elektronu. V té době si hráli, nic zlého netuše, s takovými prvky, jako je uran nebo thorium a všimli si, že po přiblížení k fotografické desce jim tato deska zčerná. No, že z uvedeného nevyvodili žádné závěry pro své zdraví je nejvetší smůla pro madam Curie-Skłodowskou, která se celý život zaobírala právě radioaktivními prvky a kterou nejspíše tato životní vášeň zabila. Ale zpátky k alfa a beta částicím. Při radioaktivním rozpadu například uranu se může uvolnit afla čásice, kterou jak říká její název, fyzikové našli jako první. Ve skutečnosti to není částice, ale ionizované jádro atomu hélia (ionizované znamená, že mu chybí elektrony). Beta částice pro změnu je obyčejný elektron, který vzniká díky rozpadu neutronu na proton, elektron a neutrino. jenom pro úplnost, existuje i negativní beta rozpad, jehož výsledkem je anti-elektron - pozitron, ale o tom jindy.

A právě alfa částice vedly k objevu protonu. To už jsme v roku 1919, kdy fyzik Ernest Rutherford pouštěl alfa záření do baňky s dusíkem a zkoumal, co se bude dít. Zjistil, že se z dusíku uvolňují částice, které tam nebyly, jednalo se o jádra vodíku a navíc se dusík změnil v uhlík. Tento vodík se přitom podle něj musel uvolnit přímo z atomu dusíku. A vzhledem k tomu, že ho měl za částici, dal jí jméno z řeckého první - protos - tedy proton. Ve skutečnosti, nejčastěji se ve vesmíru vyskytuje právě takový vodík, který se skládá z jednoho protonu a jednoho elektronu, takže se zase tolik nespletl.

A do třetice všeho dobrého - neutron

Už jsem tu psal o pudingovém modelu atomu. Později přišli vědci (Rutherford, Bohr) s atomem, který má jádro z protonů obklopené elektrony. Ale výpočty jim pořád nevycházely, podobné atomy by měli skončit rozpadem za velmi krátkou dobu, takže se předpokládalo, že uvnitř atomu, v jeho jádře, kromě protonu, bude ještě něco. V roce 1921 tomu něčemu dal americký chemik W.D.Harris jméno neutron – z latinského „neutralis“ doplněné o řeckou příponu “on“. A začal hon na novou částici.

V roce 1931 pozorovali fyzici nezvyklou ionizující radiaci, když částicemi alfa z polonia ostřelovali berylium, bór nebo lithium. Původnímu předpokladu, že se jedná o gama záření  nevěřili kromě jiných i starší dcera madam Curie-Skłodowské Iréne Joliot-Curie s manželem, kteří objevili, že toto záření nasměřované do vosku nebo jiné látky obsahující vodík, produkuje vysokoenergetické protony. To by gama záření samo o sobě nedokázalo. James Chadwick z Cambrdge opakoval tyto pokusy a zjistil, že tou radiací je tok doposud neznámých částic o stejné hmotnosti jako je proton, které jsou ale elektricky neutrální. A tak byl objeven neutron. Chadwick za to dostal v roce 1935 Nobelovku. Kromě jiného tento objev otevřel cestu k vývoji atomové bomby v projektu Manhattan.

Koukám, že jsem se dneska už hodně rozepsal a to jsem se nedostal k tomu nejzajímavějšímu, ke kvarkům a dalším částicím. Doposud si fyzikové vystačili s aparaturou, kterou si mohli dát na stůl a tak se jim to snadno bádalo a objevovalo. K dalšímu pokroku už jsou potřeba částicové urychlovače, často velké jako dům a později i větší. Ale o tom až v příštím díle zase za týden.