Neviditeľný fotón

Rok 2025 vyhlásila organizácia UNESCO za rok kvantovej vedy a technológií. Pri tejto príležitosti sme pripravili sériu článkov o kvantovej fyzike. Začneme príbehom fotónu – myšlienkou, ktorá naštartovala kvantovú fyziku.

Teplota okrem iného určuje aj množstvo tepla, ktoré telesá vyžarujú vo forme elektromagnetického žiarenia. Naše telo svieti infračerveno a jeho žiarenie bez termokamery nevidíme. No napríklad pri zahrievaní železa vidíme, že rôzna teplota znamená jeho rôznu farbu.

Tepelné žiarenie

Fyzici 19. storočia skúmali závislosti medzi žiarením a teplotou, experimentálne výsledky však boli v principiálnom rozpore s existujúcou fyzikou. Výpočty predpovedali nekonečné množstvo ultrafialového žiarenia, no v realite je toto žiarenie minimálne. Tepelnému žiareniu naozaj dominuje práve to infračervené, ktoré si spájame s pocitom tepla, napríklad keď sa vyhrievame v slnečných lúčoch.
V roku 1900 Max Planck skúsil výpočty s predpokladom, že energia skúmaného žiarenia môže byť iba celočíselným násobkom akéhosi základného kvanta energie. Dôvodom podľa M. Plancka nie je žiarenie samotné, ale oscilácie atómov, ktoré v materiáli vytvárajú stojaté vlny (ako na gitare), a preto nemajú ľubovoľnú frekvenciu a energiu, ktorú odovzdajú formou žiarenia. Navrhol, že veľkosť vyžiareného kvanta energie závisí priamoúmerne od frekvencie žiarenia. To znamená, že ultrafialové kvantum má viac energie ako viditeľné alebo infračervené. M. Planck so svojím trikom uspel. Podarilo sa mu získať podozrivo presnú zhodu s pozorovaniami a určiť aj konštantu úmernosti medzi energiou kvanta a frekvenciou. Poznáme ju pod názvom Planckova konštanta a má hodnotu h = 6,626 070 15 × 10^-34 J · s^-1. Sám M. Planck však nespájal kvantá energie s časticovou povahou žiarenia, ale skôr s vlastnosťami látky. O principiálnej existencii kvánt elektromagnetického žiarenia ho presvedčili až ďalšie experimenty a ich vysvetlenia.

Fotoelektrický jav

Predstavte si, že dodávate atómom v látke energiu, vďaka ktorej elektróny v atómoch zvýšia svoju pohybovú energiu. Prirodzená logika nám hovorí, že existuje určitá kritická hodnota dodanej energie, pri ktorej príde k uvoľneniu elektrónov z atómov látky. Bolo prekvapením, keď fyzici zistili, že to nie je celkom úplne pravda, ak je energia dodávaná vo forme elektromagnetického žiarenia.
V roku 1887 Heinrich Hertz vo svojom experimente spozoroval, že pri ultrafialovom žiarení je iskrenie medzi dvoma hrotmi silnejšie aj pri nižších intenzitách svetla. Vyskúmal, že ultrafialové žiarenie na rozdiel od viditeľného svetla oveľa efektívnejšie uvoľňuje z kovov náboje – elektróny. Množstvo uvoľnených elektrónov v dôsledku dopadajúceho žiarenia nie je len vecou jeho intenzity. Keby sme svietili viditeľným alebo infračerveným svetlom ľubovoľnej intenzity na zinok, meď alebo železo, nijaké elektróny by sme nezískali. Keby sme však použili ultrafialové žiarenie, elektróny by boli uvoľnené a ich počet by závisel od intenzity tohto žiarenia. Pozorovali by sme fotoelektrický jav.
Ukázalo sa, že na uvoľnenie elektrónu pomocou elektromagnetického žiarenia potrebujeme, aby žiarenie malo istú kritickú frekvenciu (jej hodnota závisí od látky). Akékoľvek žiarenie s nižšou frekvenciou nemá šancu a každé žiarenie s vyššou frekvenciou elektróny uvoľní. Ďalším dôležitým pozorovaním, ktoré odporuje našej skúsenosti, je, že žiarenie s nadkritickou frekvenciou uvoľní nejaký elektrón aj pri minimálnej intenzite, t. j. netreba čakať, kým elektrón energiu nazbiera. No to ešte nie je všetko. Ďalšiu zvláštnosť fotoelektrického javu odhalil pôvodom maďarský Prešporčan Filip Lenard, ktorý pôsobil ako asistent H. Hertza práve v čase, keď objavil fotoelektrický jav. F. Lenard sa vypracoval na experta na katódové trubice, v ktorých systematicky študoval aj vlastnosti fotoelektrického javu. V roku 1902 objavil, že jednotlivé elektróny uvoľnené pri fotoelektrickom jave majú všetky úplne rovnakú pohybovú energiu a táto energia nezávisí od intenzity dopadajúceho žiarenia, iba od jeho frekvencie. Ako je to možné?