Mikrosvět

* Gamma č. 063 (Výpravy do mikrosvěta (XI.))

Vydáno dne 15. 02. 2006 (3512 přečtení)

Výpravy do mikrosvěta (XI.) - Gamma záření / maximální teplota

Dopisy čtenářů

Aleš:

Bylo by taky možný obětovat jedno (nebo i víc) vydání Gammy teorii relativity, dilataci času atd.?

Rozhodně ano, ve vzácných volných chvílích už na tom zvolna pracuju. Nedávno jsem si koupil jednu moc pěknou knížku (Brian Greene: Elegantní vesmír), kde jsou tyhle věci vysvětlené tak nádherně, až mám podezření, že bych to nakonec mohl pochopit i já. Jakmile se mi to povede, zkusím to tady stručně vyložit.



Atom


Je gamma záření úplně posledním druhem záření? nebo pokračuje spektrum ještě dál... aspoň teoreticky?


Gamma záření (viz Gamma047) je jen dohodnutý fyzikální termín, pod který podle zavedené konvence spadá veškeré elektromagnetické záření s vlnovou délkou kratší než 0.1 nm (desetina milióntiny milimetru); jeho spodní energetická hranice (tj. horní hranice vlnové délky) je dána důvody spíš historickými než čistě fyzikálními a nemá žádný z kosmického hlediska univerzálně platný význam. Mimozemšťané ? jsou-li jací ? určitě mají spektrum elektromagnetického záření rozdělené trochu jinak než my.


Žádná horní energetická hranice pro fotony (elektromagnetická kvanta) neexistuje, tj. neexistuje ani minimální vlnová délka. Energie fotonů se udává v elektronvoltech; 1 eV je energie, kterou získá elektron po urychlení pomocí elektrického pole o napětí 1 voltu.


Od roku 1963 Američané pravidelně vypouštějí na vysoké oběžné dráhy (s poloměrem 120000 km) družice Vela, které v pásmu gamma-záření kontrolují dodržování smlouvy o zákazu zkoušek nukleárních zbraní v kosmickém prostoru. Každý nukleární výbuch by byl nutně doprovázen zábleskem ?měkkého? gamma-záření o energii 100 keV-2MeV. Hned od svého prvního vypuštění sondy registrovaly nepravidelné záblesky; podezření, že Rusové švindlují, se však rychle ukázalo jako liché. Porovnáním údajů (časového zpoždění) z různých družic vyšlo najevo, že záblesky přicházejí ze všech směrů; na celé obloze se jich objeví zhruba stovka ročně. Vzhledem k malé přesnosti zaměření a nepravidelnému výskytu (jen malá část záblesků je rekurentní, tj. opakovaně se objevující ve stejném místě oblohy) je identifikace zdrojů gamma-záření velmi obtížná. Za nejpravděpodobnější původce tohoto jevu jsou považovány neutronové hvězdy ? jedny z nejexotičtějších kosmických objektů (časem si o nich povíme podrobně).


Můžete se také setkat s výrazem ?kosmické záření (paprsky)?; to je širší pojem, který zahrnuje i gamma-záření a další druhy radiace, tj. nejrůznější rychle se pohybující částice, nabité i neutrální. Objevitelem kosmického záření je sudetoněmecký fyzik Viktor Hess, a jako mnozí jiní dospěl ke svému objevu spíš shodou okolností a tak trochu proti své vůli.


Na začátku dvacátého století už byla známa ionizace (odtržení jednoho nebo několika elektronů z obalu atomu ? viz např. Gamma032) a vědělo se, že tento jev je působen různými druhy mikročásticového záření. Panoval názor, že zdrojem ionizujícího záření je sama Země; Hess se rozhodl, že tuto hypotézu experimentálně potvrdí. Obstaral si vodíkový balón, naložil do něj velký citlivý elektroskop (jehož lístky se díky ionizaci od sebe odpuzovaly) a v roce 1912 se v Ústí nad Labem vznesl k obloze, očekávaje, že uvidí, jak s rostoucí výškou slábne ?zemní záření? a následkem toho i ionizace. Namísto toho k jeho překvapení ionizace rychle sílila; snadno dospěl ke správnému závěru, že zdroj záření musí ležet mimo Zemi a za svůj objev dostal Nobelovu cenu za fyziku.


Dnešní nejsilnější urychlovače dokáží generovat nabité částice o energiích až 10 teraelektronvoltů (1012 eV); z vesmíru k nám přilétají částice o energii až o několik řádů vyšší. Zatím nejvyšší zaznamenaná energie je 1022 eV; taková částice by vám dokázala vyrazit oko, kdyby se do vás trefila. Naštěstí se takoví exoti do sluneční soustavy dostávají velmi zřídka; takto energetické částice se cestou kosmickými dálkami s velkou pravděpodobností srážejí s fotony reliktního záření (=nejméně energetické, velmi dlouhovlnné fotony, které poletují vesmírem od časů ?velkého třesku? a postupně ?chladnou?); průměrná životnost těchto superenergetických částic se proto odhaduje na 10-20 miliónů let.


Mluvíme zde vesměs o částicích primárního záření, tj. o částicích přicházejících přímo z kosmu. Když taková částice vletí vysoce hypersonickou rychlostí do zemské atmosféry, srazí se s prvním atomem, rozbije ho a vyšle do okolí kuželovitou spršku sekundárního záření s mnohem menší energií. Většina ionizace, kterou před sto lety registroval ve svém balónu Victor Hess, byla způsobena právě tímto sekundárním zářením.


Nejčastěji se v kosmickém záření vyskytují nabité částice (elektrony, protony, nabité mezony atd.); s těmi mají astrofyzikové velikou potíž, protože je prakticky nemožné zjistit, odkud taková (i primární) částice přiletěla. Díky svému elektrickému náboji jsou tyto částice vychylovány magnetickými poli Galaxie, sluneční soustavy i Země a do pozemských registračních přístrojů přilétají po mnohokrát zahnutých drahách.

A jiná otázka, co mi vrtá hlavou už dost dlouho: minimální možná teplota je ohraničená, existuje i maximum? Teoreticky by mělo, mam pravdu?


Hmota se skládá z atomů, případně jednotlivých volných částic - protonů, neutronů, elektronů atd. Všechny tyto částice i z nich se skládající atomy a molekuly jsou v neustálém pohybu: vykonávají za všech okolností v podstatě chaotické kmitavé pohyby. (Krystalovou mřížku pevné hmoty si můžete představit jako kuličky [atomy/molekuly] svázané navzájem pružinami [chemickými vazbami]; jednotlivé kuličky vůči sobě neustále pérují do všech směrů.)


Námi používaný pojem ?teplota? není ničím jiným než vyjádřením intenzity tohoto pohybu a teploměr je proto vlastně ?atomový rychloměr?. To je mimořádně důležitá skutečnost, z níž plyne, že teplo nepředstavuje samostatnou fyzikální kategorii, ale je vlastně jen speciálním případem pohybu. Pohybem v makrosvětě se zabývá kinematika, kterou znáte ze školy; pohyb na úrovni atomů a molekul je teplo a pohyb ve světě mikročástic patří do sféry částicové fyziky a nukleární energie. Všechny tyto druhy pohybu se mohou vzájemně ovlivňovat: nukleární výbuch rozkmitá atomy a vyvolá teplo, ale také tlakovou vlnu ? a ta zase rozhýbe makroskopické předměty. Naopak vysoký tlak v nitru hvězd nutí atomy k rychlému pohybu, tj. teplotě, jejímž důsledkem je nakonec zažehnutí termonukleární reakce ? ale o tom zas někdy příště.


Jak správně píšeš, existuje absolutní nula, tj. nejnižší možná teplota. Její hodnota je rovna mínus 273.15 stupňů Celsia a vyjadřuje stav, kdy se veškerý vzájemný pohyb atomů zastaví. V praxi je možné se tomuto stavu jen libovolně blízko přiblížit (rekord leží tuším někde v řádu setin stupně nad absolutní nulou), dosáhnout absolutní nuly (aspoň podle dnešních znalostí) však není možné.


Ve fyzice se často používá takzvaná absolutní teplotní stupnice, udávaná v Kelvinech (nikoliv stupních Kelvina). Jeden Kelvin je dílek stejně velký jako stupeň Celsia (dělení stupnice je věcí dohody, ale Lord Kelvin si nejspíš pomyslel, že když už je po Reaumurovi, Celsiovi a Fahrenheitovi nucen zavádět zase další teplotní stupnici, nechá aspoň její krok stejný jako u Celsiovy, aby ten zmatek nebyl tak velký), obě stupnice jsou však vůči sobě posunuté o oněch 273.15 dílků, protože Kelvinova stupnice začíná na absolutní nule (a nemá tedy záporné hodnoty). Bod tání vody (0 st.Celsia) tedy odpovídá 273.15 K. U vysokých teplot (například v nitrech hvězd a podobně) je rozdíl mezi oběma stupnicemi pochopitelně zanedbatelný.


Obecně je známo, že nejvyšší rychlostí pohybu je rychlost světla (cca 300 000 km/s); je-li tedy teplota ekvivalentem rychlosti pohybu atomů, měla by opravdu existovat i nejvyšší možná teplota. Tak jsem si to aspoň představoval, když jsem uvažoval o odpovědi na Tvoji otázku, než mě z omylu vyvedl můj švagr emeritní profesor, s nímž jsem ? poněkud nejistý svým úsudkem - věc konzultoval. Háček je v tom, že přesně vzato teplota není mírou samotné rychlosti pohybu, ale pohybové energie. Ta je dána vzorcem

       m.v2
E = --------
         2

neboli je přímo úměrná hmotnosti tělesa a druhé mocnině jeho rychlosti. Ze speciální teorie relativity ale plyne, že hmotnost tělesa při těsně podsvětelných rychlostech s rostoucí rychlostí prudce roste (hmotnost tělesa pohybujícího se rychlostí světla by byla nekonečná; proto nelze až na samou rychlost světla urychlit žádné těleso, bez ohledu na množství energie, která se mu dodá). Rychlost pohybujícího se tělesa (např. i atomu) je tedy skutečně ohraničena rychlostí světla, jeho energie však omezená není ? a proto neexistuje ani horní mez teploty.


Proč je to právě takhle, si vysvětlíme někdy jindy ve výše slíbeném seriálu o teorii relativity; do té doby vás musím požádat, abyste mi tuhle odpověď uvěřili zatím bez důkazu.





Celý článek | Autor: Jarda Pecka | Počet komentářů: 1 | Přidat komentář | Informaèní e-mailVytisknout článek


©2001 Zbyněk Slába, grafické prvky - Renáta Řehová
Stránky byly vytvořeny s využžitím redakčního systému: PhpRS