22-6 Comptonov jav
22-1 Emisia svetla žeravými telesami;
22-2 Infračervené a ultrafialové žiarenie; 22-3 "Ultrafialová
katastrofa"; 22-4 Zrod kvanta energie; 22-5 Záhada fotoelektrického
javu; 22-6 Comptonov jav;
22-6 Comptonov jav
Planckova myšlienka fotónov, ako balíkov energie a častíc svetla, ktoré sa zrážajú s elektrónmi prebudil záujem amerického fyzika Arthura Comptona11. Compton si predstavoval zrážku fotónu s elektrónom veľmi prakticky, ako zrážku dvoch biliardových gúľ na biliardovom stole. Bol tej mienky, že napriek väzbovým silám, ktoré držia elektrón v atóme v blízkosti kladného jadra, ako v planetárnom modeli, tieto elektróny sa chovajú takmer tak, ako voľné elektróny, pokiaľ ich fotóny sú schopné vyraziť z atómu. Predpokladajme, že čierna biliardová guľa (elektrón), je priviazaná vláknom ku klincu zatlčeného do stola. Hráč, ktorý vlákno nevidí, sa pokúsi čiernu guľu trafiť bielou guľou tak, aby ju dostal do otvoru v rohu stola (obr. 22.7). Ak hráč pošle bielu guľu s malou rýchlosťou, vlákno vstrebá silu nárazu a z pokusu nič nebude. Pokiaľ sa však biela guľa pohybuje o niečo rýchlejšie, vlákno sa môže pretrhnúť, ale čierna guľa sa bude pohybovať v nesprávnom smere. Ak teraz kinetická energia bielej gule bude výrazne väčšia, než je potrebné k pretrhnutiu vlákna, ktoré púta čiernu guľu, prítomnosť vlákna nebude významne vplývať na to, čo sa udeje po zrážke, a výsledok zrážky dvojice gúľ bude približne taký, akoby tam vlákno ani nebolo, akoby čierna guľa nebola vôbec priviazaná ku klincu.
Compton rozpoznal, že väzbová energia najslabšie viazaných elektrónov atómu je porovnateľná s energiou fotónov viditeľného svetla. Preto vo svojich experimentoch použil k zrážke mimoriadne energetické fotóny z röntgenového žiarenia, ktorých frekvencia je mnoho tisíckrát väčšia, než frekvencia (a tým aj energia) fotónov viditeľného svetla. Zrážku fotónov z röntgenového žiarenia s elektrónom atómov je možné skutočne skúmať a počítať, ako zrážku dvoch biliardových gúľ. Pri skoro čelnej zrážke čierna guľa (elektrón) sa dá do pohybu veľkou rýchlosťou v pôvodnom smere pohybu bielej gule (fotónu). Biela guľa (fotón) väčšiu časť svojej energie stratí a odrazí sa späť. Pri šikmej zrážke biela guľa stratí menej energie, a trochu sa odchýli od pôvodného smeru letu. Pokiaľ sa o seba len „šúchnu“, biela guľa pokračuje v pôvodnom smere skoro bez zmeny, a stratí len nepatrnú časť svojej energie. V reči kvantov svetla to znamená, že fotóny röntgenového žiarenia, ktoré sa v zrážke vychýlia o väčší uhol, budú mať po zrážke menšiu energiu a väčšiu vlnovú dĺžku. Comptonom vykonané experimenty potvrdili teoretické očakávania vo všetkých ohľadoch, a potvrdili kvantový charakter žiarenia.
Box 22-1 Albert Einstein
Albert Einstein [albert ajnstajn] (14.03.1879 - 18.04.1955) fyzik narodený
v Nemecku, Nobelovu cenu za fyziku získal za rok 1921 za zásluhy
v oblasti teoretickej fyziky s dôrazom za jeho zásluhy za vysvetlenie
fotoelektrického javu. Nedostal teda Nobelovu cenu za špeciálnu
ani všeobecnú teóriu relativity. Zvláštnosťou bolo,
že cenu dostal až v roku 1922. V roku 1921 totiž Nobelova
komisia neuznala za vhodné nikomu udeliť Nobelovu cenu, a za
relativitu udeliť Nobelovu cenu nebola ochotná. Podľa závete
Alfreda Nobela komisia môže v danom roku neudeliť cenu, a
v takom prípade je cenu možné udeliť o rok neskôr
vhodnému adeptovi spätne. To sa stalo aj v Einsteinovom
prípade, keď Nobelova cena za rok 1921 mu bola udelená v roku
1922. Je dosť pravdepodobné, že v pozadí pracovali zlé
úmysly. Einstein bol známy pacifista, a silnel aj antisemitizmus.
Nobelova komisia nakoniec rozhodla udeliť Nobelovu cenu Einsteinovi za
relatívne starú prácu (spomínaná práca bola
publikovaná v roku 1905). Objavila sa však zo strany komisie
upozornenie, že cena bola udelená: „bez toho, aby bola vzatá
v úvahu hodnota, ktorá bude pripisovaná vašej teórii
relativity a gravitácie po tom, čo budú potvrdené
v budúcnosti“. Dodnes sa vedú debaty, čo táto
poznámka mala znamenať. V roku 1919 Eddington už
dokázal, že Einsteinove predpovede ohľadom teórie
gravitácie sú správne. Prvý výklad je teda ten, že
v danom okamihu komisia nepovažovala teóriu relativity a teóriu
gravitácie za vhodné udelenia Nobelovej ceny. Druhý výklad,
ktorý sa pripúšťa je, že Nobelova komisia chcela
ponechať možnosť udelenia druhej Nobelovej ceny Einsteinovi,
neskôr, práve za jeho zásluhy v tejto oblasti. Nikdy sa to nestalo.
Tvrdí sa, že poznámkou bol žiadaný, aby vo svojej
slávnostnej reči počas ceremónie prevzatia ceny sa
o špeciálnej teórii relativity a teórii gravitácie
nezmieňoval.
Posledným zvratom príbehu bolo, že Einstein sa
ceremónie predávania Nobelovej ceny nezúčastnil.
Napriek tomu, že mu bolo oznámené, že získal
cenu, pokračoval v prednáškovom turné v Japonsku.
Čiastočne to bolo preto, lebo chcel tým dať najavo, že
zdôvodnenie pridelenia neuznáva, a čiastočne preto, lebo bolo
múdrejšie sa neukazovať v Európe. Nemecký minister
zahraničných vecí, Walther Rathenau, bol zavraždený
antisemitami. Pri nasledujúcom policajnom vyšetrovaní sa
Einsteinovo meno našlo na zozname ďalších cieľov.
Vzhľadom na také smrteľné nebezpečenstvo bolo
múdrejšie stráviť pár mesiacov na Ďalekom
východe, než pár dní v Stockholme na preberaní
Nobelovej ceny. [prevzaté z The Gardien (8.10.2012), Stuart Clark: Why
Einstein never received a Nobel prize for relativity].
Podľa historika vedy Friedmana (Robert Marc Friedman), keď
Einstein mal vymenovať ocenenia, ktoré dostal, väčšinou
začal Medailou Maxa Plancka, ktorú obdržal od Nemeckej
fyzikálnej spoločnosti. Následne menoval ďalšie, ale
Nobelovu cenu za fyziku nespomenul. Po Eddingtonovom potvrdení
Einsteinovej teórie gravitácie každý očakával,
že Nobelova cena za fyziku za rok 1920 Einsteina neminie. Podľa
Friedmana Einsteinov pacifizmus a židovský pôvod však
vyvolával takú nevôľu v členoch Nobelovej
komisie, že radšej sa rozhodli pre švajčiarskeho fyzika,
ktorý objavil inertnú zliatinu niklu a oceli (Charles-Edouard
Guillaume). Friedmann uviedol vo svojej štúdii, že Guillaume bol
rozhodnutím prekvapený rovnako tak, ako celý svet. Nobelova
komisia v roku 1921 sa radšej rozhodla cenu za fyziku neudeliť.
Nakoniec v roku 1922 sa rozhodli tak, ako rozhodli, a Einstein dostal Nobelovu
cenu za fyziku za rok 1921 za jeho prispenie do kvantovej teórie
prostredníctvom vysvetlenia fotoelektrického javu, kým Nielsovi
Bohrovi udelili v tom istom roku Nobelovu cenu za fyziku za rok 1922 za jeho
zásluhy v skúmaní štruktúry atómu a jeho
žiarenia (teda tiež za prispenie do kvantovej teórie). Friedman
poukázal na to, že než aby bol hlas Nobelovej komisie
„božím hlasom“, ako o tom uvažuje tlač a verejnosť,
často boli jeho rozhodnutia v minulosti veľmi politické, a
pravdepodobne sú stále. [prevzaté z Discover (28.09.2006), Virginia Hughes: Einstein versus the Nobel Prize].
Záverom poznamenajme, že Nobelov výbor dnes eviduje
tú Einsteinovu prednášku ako ceremoniálnu (laureáti
vždy majú slávnostnú prednášku pri
prevzatí ceny), ktorú adresoval Severskému zhromaždeniu
prírodovedcov v Göteborgu (Nordic Assembly of Naturalists at
Hothengurg) z 11-ho júla 1923, ktorá je celá venovaná
teórii relativity, a nepadne v nej ani zmienka o fotoelektrickom
jave. Treba však poznamenať, že Einstein kvantovú
teóriu obdivoval, považoval ju za veľmi inšpirujúcu
napriek tomu, že ju silne kritizoval [Abraham Pais: Subtle is the Lord/
The Science and the Life of Albert Einstein, Oxford University Press
2005].
11Arthur Holly Compton [artur holly kompton] (10.09.1892-15.03.1962), americký fyzik, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 1927 (polovica ceny, druhá polovica Charles Thomson Rees Wilson). Compton dostal Nobelovu cenu za objav javu, ktorý po ňom bol pomenovaný, a o ktorom tu pojednávame. (Wilson dostal Nobelovu cenu za vypracovanie metódy registrácie trajektórie rýchle sa pohybujúcich elektricky nabitých častíc pomocou kondenzácie pár – tzv. Wilsonova komora).