Česky
100 let jednoho z nejvtipnějších kousků fyziky
Řadu večerů se v březnu 1912 scházeli v jedné z laboratoří fyzikálního ústavu univerzity v Mnichově dva mladí badatelé Walter Friedrich a Paul Knipping a náruživě tam „po práci“ experimentovali. Co prováděli? Stručně řečeno, svazečku rentgenových paprsků zacílenému na citlivou fotografickou desku stavěli do cesty krystaly a po mnohahodinové expozici sledovali, co se na vyvolané desce ukáže.
Zdroj: Převzato z Ann. D. Physic
První laueogram krystalu modré skalice
Začali obyčejnou modrou skalicí (pentahydrát síranu měďnatého), která byla prostě zrovna po ruce; a vida – hned na druhém snímku se objevila soustava skvrn kolem temného středu. Střed byl místo, kam dopadal hlavní paprsek. Skvrny představovaly stopy dopadu paprsků vychýlených. Krystal odchýlil rentgenové záření!
Rentgenové záření bylo objeveno v listopadu 1895 a záhy se stalo středem četných teoretických úvah i praktických aplikací (od počátku také medicínských). Jeho fyzikální podstata však zůstávala neznáma. Je to vlnění, nebo proud tělísek? A co bylo zvlášť deprimující, nerýsoval se žádný reálný způsob, jak tomu přijít na kloub!
Mineralogie, přírodovědecký obor s fyzikou rentgenového záření ani zbla nesouvisející, si zase během 19. století vytvořila lákavou představu krystalu jako souboru pravidelně se opakujících uzlů, jakýchsi středobodů určitých geometrických těles (tvořících tzv. krystalovou mřížku), přičemž oněmi centry by mohly být atomy sloučeniny, která krystal tvoří. Opět ale k ověření nebo vyvrácení hypotézy o krystalové mřížce z atomů neexistoval žádný známý způsob, ba co víc – mnozí i velmi renomovaní vědci, kupříkladu brněnský rodák Ernst Mach či nobelovský laureát Wilhelm Ostwald, nepřipouštěli ani samu existenci atomů!
Mladý německý teoretický fyzik Max Laue, tehdy soukromý docent mnichovské univerzity, tohle všechno věděl a znal také objev Ernesta Rutherforda z roku 1911, že atom není homogenní, jak se dosud myslelo, nýbrž sestává z malého těžkého jádra obklopeného relativně objemnou „prázdnotou“ obývanou pouze zanedbatelně hmotnými elektrony.
V únoru 1912 navštívil Laueho jeden z doktorandů, aby se s ním poradil o své disertaci z oboru optiky. Maxe Laueho v debatě napadlo, že by se krystaly měly prosvítit rentgenovými paprsky. Pokud jsou totiž skutečně povahy vlnové a pokud jejich vlnová délka alespoň trochu odpovídá dosavadním odhadům (10–11–10–10 m) a jsou-li zároveň krystaly skutečně zbudovány z elementárních prostorových mřížek o předpokládaných rozměrech (10–10–10–9 m), tedy srovnatelných s rozměry rentgenové vlny, pak by se při prosvícení krystalu rentgenovými paprsky měly projevit stopy jejich interference (ohyb a skládání vln v silnější, snáze detekovatelné). Laue tak soudil proto, že ve viditelné oblasti spektra byly tyto jevy dávno známy; už v roce 1821 Joseph Fraunhofer ryl do skla mikroskopické mřížky a rozptyloval na nich světlo v barevné spektrum… Žel, tisíckrát hustší mřížky pro ohyb rentgenového záření takhle dělat nešlo. A nyní přichází Laueho hvězdný okamžik: Místo uměle ryté mřížky pro odraz záření si intuitivně představil o několik řádů jemnější krystalovou mřížku pro průchod záření a tuto přírodninu „přesadil“ z mineralogie do – nikoli už světelné, nýbrž rentgenové – optiky. „Návod“ pro kolegy Friedricha a Knippinga byl na světě. Ještě během roku 1912 Laue, Friedrich a Knipping objev publikovali a dokázali tak i celému vědeckému světu jak vlnovou podstatu rentgenového záření, tak existenci krystalové mřížky z atomů, a tím pádem i samu existenci atomů.
Max Laue dostal v roce 1914 Nobelovu cenu. Syn a otec Braggovi (Nobelova cena 1915) poté interakci rentgenového záření s krystaly rozpracovali v metody rentgenové spektroskopie (určování vlnové délky záření na známém krystalu) a zejména rentgenové strukturní analýzy (určování prostorového uspořádání sloučenin), která vedla k určení struktury řady významných biologicky aktivních látek v čele s DNA.
FRANTIŠEK HOUDEK