Gamma č. 046 (Výpravy do mikrosvěta (VII.))

Elektromagnetické záření (nebo vlny, což je totéž) je tvořeno proudem fotonů - jednou ze základních mikroskopických částic. Jak jsme si už kdysi řekli, foton je částice pohybující se ve vakuu rychlostí světla, tj. 299 792 km/s; v jiných, méně průzračných prostředích, se tato rychlost úměrně snižuje. V každém případě foton nemůže existovat v rychlosti nižší (ani vyšší) než je rychlost světla pro dané prostředí. Říkáme proto, že je to částice s nulovou klidovou hmotností (v klidu nemůže existovat). Jakmile se o něco zastaví, je pohlcen a předá svou energii překážce, do které narazil.

Vlnový charakter elektromagnetického záření - teď prosím o chvíli pozornosti, tady to bude trochu těžší na představivost - je dán skutečností, že foton je spojen s vektorem elektromagnetického pole (vektor si můžete představit jako šipku, jejíž směr udává orientaci příslušné fyzikální veličiny a jejíž délka stanoví intenzitu čili velikost této veličiny; nejnázornější je to u vektoru rychlosti, který ukazuje směr pohybu, a čím je grafické znázornění vektoru delší, tím je rychlost vyšší). Zmíněný vektor elektromagnetického pole je kolmý na směr pohybu fotonu a kmitá příčně k němu. Můžete si to představit tak, jako by si strojvedoucí rozjetého expresu v kabině pouštěl na provázku jójo - s tím rozdílem, že pohyb ?fotonového jója? nemusí probíhat jen nahoru a dolů, ale třeba zleva doprava, nebo i šikmo, prostě v libovolné rovině kolmé na směr pohybu vlaku. Intenzita tohoto elektromagnetického vektoru, tj. v grafickém znázornění jeho délka, je vždy stejná; různá je ale rychlost jeho kmitání, tj. frekvence: ta určuje množství energie, kterou foton nese (u normálních částic s nenulovou klidovou hmotností je pohybová energie dána rychlostí pohybu částice; u fotonu tomu tak být nemůže, protože všechny fotony, jak už víme, se v daném prostředí musejí pohybovat stejnou rychlostí).


Když si pak nakreslíte průběh takto kmitajícího hrotu vektoru elektromagnetického pole podél dráhy fotonu, vyjde vám čára ve tvaru vlny. Čím má foton větší energii, tím je frekvence jeho příčného kmitání vyšší a délka vlny kratší; to je nejdůležitější zákonitost elektromagnetického vlnění. Je z toho zároveň vidět, že pojem elektromagnetické vlny je velmi abstraktní; přesto lze najít jistou analogii například s vlněním vodní plochy, kde je vlna reprezentována svislou (tj. také příčnou) výchylkou hladiny. (Naopak - pro srovnání - při šíření zvuku částice kmitají ve směru shodném s šířením vlny [nikoliv nahoru a dolů, ale dopředu a dozadu] a prostředí, ve kterém se vlna šíří [například vzduch] se v každém bodě pravidelně stlačuje a zase zřeďuje, takže ?vlna? je pak reprezentována pouze grafickým průběhem tlaku podél dráhy svého šíření; v takovém případě se pak jedná o takzvané podélné vlnění.)


Foton je takzvaným kvantem energie; je to základní nástroj pro předávání energie na dálku a zároveň forma ?čisté? energie nesvázané s látkou. Kvantová teorie, formulovaná Maxem Planckem na začátku dvacátého století, spočívala právě v tomto tvrzení - že totiž energie se při fyzikálních procesech nepřenáší spojitě, ale po určitých malých, přesně odměřených dávkách, takzvaných kvantech - což jsou právě zmíněné fotony.


To umožnilo Albertu Einsteinovi objasnit do té doby nepochopitelný fotoelektrický jev, při kterém klesá elektrický odpor polovodičové destičky v důsledku osvětlení, a je-li na ni přiloženo stálé napětí, protékající proud v ní následkem toho roste. Už před Planckem se vědělo, že dopadající světlo působí tento efekt vyrážením elektronů z atomových obalů, čímž je takto uvolněným elektronům umožněno pohybovat se po krystalové mřížce a zvyšovat tak vodivost látky. Naprostou záhadou ale bylo, proč intenzita takto vzniklého proudu závisí především na barvě dopadajícího světla, zatímco síla osvětlení měla podružný význam: od jisté vlnové délky nahoru už dopadající paprsek nepůsobil fotoelektrický efekt ani při libovolném zvyšování intenzity osvětlení. Bylo-li světlo spojitým vlněním, za které bylo do té doby pokládáno, pak na barvě vůbec nemělo záležet a směrodatná měla být jen jeho intenzita.


Einstein to vysvětlil tím, že světlo dopadající na destičku se v tomto případě nechová jako spojitá vlna (jako je tomu například při lomu nebo ohybu světla), ale jako proud jednotlivých fotonů. Každý dopadnuvší foton (tj. každé kvantum energie) vyrazí z atomového obalu právě jeden elektron. K tomu je ale potřeba jisté minimální energie, a jak už jsme si řekli, energie fotonu je dána jeho frekvencí (a klesá tedy s rostoucí vlnovou délkou). Pokud má foton nižší frekvenci než je spodní nutná hranice (a tedy delší vlnovou délku), elektron z atomu vyrazit nedokáže, a zvyšování intenzity světla znamená jen to, že takové ?neschopné fotony? bezvýsledně dopadají do daného místa častěji. Když se ale barva světla změní například z červené na žlutou, vlnová délka se zkrátí, frekvence fotonů vzroste, každý jednotlivý foton má vyšší energii a v osvětlené destičce se začnou objevovat vyražené volné elektrony.


Za toto vysvětlení fotoelektrického jevu (nikoliv za pozdější speciální a obecnou teorii relativity) dostal Einstein Nobelovu cenu za fyziku; byla to jedna z prvních úspěšných aplikací nové Planckovy kvantové teorie, a fyzika už od té doby nikdy nebyla stejná jako po Newtonovi.

(pokračování příště)