Nobelova cena Logo Nobelovy ceny

Předávací projev profesora S. A. Arrhenia, předsedy Nobelova výboru pro fyziku Královské švédské akademie věd, 10. prosince 1922

Vaše Veličenstvo, Vaše královské Výsosti, dámy a pánové.

Od doby, kdy Kirchhoff a Bunsen (1860) zavedli spektrální analýzu, přinesla tato nesmírně důležitá pomůcka k výzkumu ty nejlepší výsledky. Na počátku byl sběr materiálu a zkoumání spekter nejen pozemských objektů, ale i nebeských těles. Byla z toho skvělá sklizeň. Pak nastala druhá etapa výzkumu. Byly podniknuty pokusy o nalezení zákonitostí ve struktuře spekter. Pro začátek bylo přirozené pokusit se porovnat různé spektrální čáry, které vyzařuje žhavý plyn, s různými tóny, které by mohlo produkovat vibrující těleso. Vibrujícími tělesy v zářícím plynu by v tomto případě byly jeho atomy a molekuly. Na této cestě se však podařilo dosáhnout jen malého pokroku. Bylo nutné se vrátit k jiné metodě, a sice pokusit se výpočtem zjistit souvislost mezi různými vibracemi, které může plyn vydávat. Vodík by měl být ze všech plynů nejjednodušší. Švýcar Balmer v roce 1885 nalezl jednoduchý vzorec pro zmíněnou souvislost mezi tehdy známými čarami vodíku. Následovala řada badatelů, jako byli Kayser a Runge, Ritz, Deslandres a zejména náš krajan Rydberg, kteří hledali podobné zákonitosti ve spektrech ostatních chemických prvků. Rydbergovi se podařilo znázornit jejich světelné vibrace pomocí vzorců, které vykazovaly určitou podobnost s Balmerovým vzorcem. Tyto vzorce obsahují konstantu, která později nabyla mimořádně velkého významu a byla zapsána mezi univerzální a základní hodnoty fyziky pod názvem Rydbergova konstanta.

Kdyby nyní bylo možné získat představu o struktuře atomu, představovalo by to samozřejmě dobré východisko pro vytvoření představy o možných světelných vibracích, které může atom vodíku vyzařovat. Rutherford, který z atomů v tak mimořádné míře vypáčil jejich tajemství, takové „modely atomů“ sestrojil. Podle jeho představy by se atom vodíku měl skládat z kladného jádra s jednotkovým nábojem, extrémně malých rozměrů, a kolem něj by měl záporně nabitý elektron opisovat oběžnou dráhu. Protože mezi jádrem a elektronem pravděpodobně působí pouze elektrické síly a protože se tyto elektrické síly řídí stejným zákonem jako gravitační přitažlivost mezi dvěma tělesy, měla by být dráha elektronu eliptická nebo kruhová a jádro by se mělo nacházet buď v jednom z ohnisek elipsy, nebo ve středu kruhu. Jádro by bylo srovnatelné se Sluncem a elektron s planetou. V souladu s klasickou Maxwellovou teorií by tedy tyto orbitální pohyby měly vyzařovat paprsky a v důsledku toho způsobovat ztrátu energie a elektron by opisoval stále menší a menší dráhy s klesající periodou otáčení a nakonec by se řítil směrem ke kladnému jádru. Dráha by tedy měla tvar spirály a vyzařované světelné paprsky, které budou vyžadovat stále klesající periodu kmitů, by odpovídaly spojitému spektru, což je ovšem charakteristické pro žhavé pevné nebo kapalné těleso, ale vůbec ne pro žhavý plyn. Z toho vyplývá, že buď musí být model atomu chybný, nebo musí být v tomto případě klasická Maxwellova teorie nesprávná. Zhruba o deset let dříve by se při volbě mezi těmito alternativami neváhalo, ale atomový model by byl prohlášen za nepoužitelný. Ale v roce 1913, kdy se Bohr začal tímto problémem zabývat, vysledoval velký fyzik Planck z Berlína svůj zákon záření, který bylo možné vysvětlit pouze na základě předpokladu, který byl v rozporu se všemi předchozími představami, že energie tepla je vydávána ve formě „kvant“, tedy malých porcí tepla, stejně jako se hmota skládá z malých porcí, tj. atomů. S pomocí tohoto předpokladu se Planckovi podařilo, zcela v souladu se zkušeností, vypočítat rozložení energie v záření hypoteticky zcela černého tělesa. Poté (v letech 1905 a 1907) Einstein zdokonalil kvantovou teorii a odvodil z ní několik zákonitostí, například zmenšování měrného tepla pevných těles s klesající teplotou a fotoelektrický jev, za kterýžto objev mu byla dodnes udělena Nobelova cena.

Bohr tedy nemusel při své volbě váhat: předpokládal, že Maxwellova teorie v daném případě neplatí, ale že Rutherfordův model atomu je správný. Elektrony tedy nevyzařují světlo, když se pohybují po svých drahách kolem kladného jádra, drahách, o nichž na začátku předpokládáme, že jsou kruhové. K emisi světla by docházelo, když elektron přeskočí z jedné dráhy na druhou. Množství energie, které je takto vyzářeno, je kvantum. Protože podle Plancka je kvantum energie součinem počtu světelných kmitů s Planckovou konstantou, kterou označujeme písmenem h, je možné vypočítat počet kmitů, který odpovídá danému přechodu z jedné dráhy na druhou. Pravidelnost, kterou Balmer zjistil pro spektrum vodíku, vyžaduje, aby poloměry různých orbitů byly úměrné čtvercům celých čísel, tedy jako 1 až 4 až 9 atd. A skutečně, Bohrovi se v jeho prvním pojednání o této otázce podařilo vypočítat Rydbergovu konstantu z jiných známých veličin, a to hmotnosti atomu vodíku, Planckovy konstanty a hodnoty elektrické jednotky náboje. Rozdíl mezi hodnotou zjištěnou pozorováním a vypočtenou hodnotou Rydbergovy konstanty činil pouhé 1 procento; a tento rozdíl se novějšími měřeními ještě zmenšil.

Tato okolnost okamžitě upoutala obdivnou pozornost vědeckého světa k Bohrově práci a umožnila předvídat, že do značné míry vyřeší problém, který před ním stál. Sommerfeld ukázal, že to, co je známo jako jemná struktura čar vodíku, čímž se rozumí, že čáry pozorované silně disperzním spektroskopem jsou rozděleny do několika těsně sousedících čar, lze v souladu s Bohrovou teorií vysvětlit následujícím způsobem. Různé stacionární dráhy pro pohyb elektronů – pomineme-li tu nejvnitřnější, která je běžná a nazývá se „dráha klidu“ – mohou být nejen kruhové, ale i eliptické, s hlavní osou rovnou průměru příslušné kruhové dráhy. Když elektron přechází z eliptické dráhy na jinou dráhu, změna energie, a tedy i počtu vibrací pro příslušné spektrální čáry, je poněkud jiná, než když přechází z příslušné kruhové dráhy na jinou dráhu. V důsledku toho získáme dvě různé spektrální čáry, které však leží velmi blízko sebe. Přesto pozorujeme jen menší počet čar, než bychom podle tohoto pohledu na věc očekávali.

Takto odhalené obtíže se však Bohrovi podařilo odstranit zavedením tzv. principu korespondence, který otevřel zcela nové perspektivy velkého významu. Tento princip do jisté míry přibližuje novou teorii staré klasické teorii. Podle tohoto principu je určitý počet přechodů nemožný. Zmíněný princip má velký význam při určování drah elektronů, které jsou možné v atomech těžších než atom vodíku. Jaderný náboj atomu helia je dvakrát větší než u atomu vodíku: v neutrálním stavu je obklopen dvěma elektrony. Je to nejlehčí atom vedle atomu vodíku. Vyskytuje se ve dvou různých modifikacích: jedna se nazývá parhelium a je stabilnější, druhá se nazývá orthohelium – zpočátku se předpokládalo, že jde o dvě různé látky. Princip korespondence říká, že dva elektrony v parheliu se ve svých klidových drahách pohybují po dvou kružnicích, které k sobě svírají úhel 60°. Naproti tomu v orthoheliu leží dráhy obou elektronů ve stejné rovině, přičemž jedna je kruhová, zatímco druhá eliptická. Následujícím prvkem s atomovou hmotností, která se velikostí blíží heliu, je lithium se třemi elektrony v neutrálním stavu. Podle principu korespondence leží dráhy dvou nejvnitřnějších elektronů stejně jako dráhy dvou elektronů v parheliu, zatímco dráha třetího je eliptická a má mnohem větší rozměry než vnitřní dráhy.

Podobným způsobem je Bohr schopen s pomocí principu korespondence stanovit v nejdůležitějších bodech situaci různých drah elektronů v jiných atomech. Právě na poloze vnějších drah elektronů závisí chemické vlastnosti atomů a na tomto základě byla částečně určena jejich chemická valence. Můžeme si dělat ty nejlepší naděje na budoucí rozvoj tohoto velkého díla.

Profesor Bohr. Dovedl jste k úspěšnému řešení problémy, které se naskýtaly badatelům spekter. Přitom jste byl nucen využít teoretických myšlenek, které se podstatně liší od těch, jež vycházejí z klasických Maxwellových doktrín. Váš velký úspěch ukázal, že jste našli správné cesty k základním pravdám, a tím jste stanovili zásady, které vedly k nejskvělejším pokrokům a slibují hojné ovoce pro budoucí práci. Kéž je vám dopřáno, abyste ještě dlouho pěstoval ku prospěchu výzkumu široké pole práce, které jste vědě otevřel.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.