Aktuální číslo:

2019/9

Téma měsíce:

Hejno

Zhmotněné světlo

Jak dodat energii fotonům?
 |  5. 3. 1998
 |  Vesmír 77, 128, 1998/3

E = mc2. Kdo by neznal notorickou Einsteinovu rovnici! Co je na ní tak fascinujícího, že se často objevuje na plakátech, na tričkách nebo v kreslených vtipech? Elegantní jednoduchost a snad i její význam – především vyjádření skutečnosti, že i tělesa v klidu mají ohromnou klidovou energii (rovnou klidové hmotnosti krát rychlost světla [3×108 m/s] na druhou) a že jsou možné přeměny hmoty na energii a naopak.

Přeměna hmoty na elektromagnetické záření je děj, který umožňuje naši existenci – fotony ze Slunce nám přinášejí životodárnou energii, jež pohání živý stroj Země. Zdrojem této energie je termojaderná reakce, která stojí Slunce 4 miliony tun hmoty každou sekundu.

Obvykle se při různých reakcích uvolňuje jen malá část klidové energie, ale existuje i děj, kdy se uvolní celá. Je to reakce částice s antičásticí, např. anihilace elektronu s pozitronem, při které vznikají fotony – částice elektromagnetického pole, které mají nulovou klidovou hmotnost.

Co však opačný děj: přeměna elektromagnetického záření na hmotné částice? Ano, i takový podivný děj zhmotnění nehmotného záření je možný. Teoretické modely s touto možností počítají, ale experimentální důkaz je velmi obtížný. Podala jej až loni skupina vědců kolem lineárního urychlovače Stanfordovy univerzity v Kalifornii (viz Physical Review Letters 79,  1626, 1997). Problém takového experimentu spočívá v získání fotonů dostatečné energie. Například pro vznik elektronu a pozitronu reakcí dvou fotonů

(děj, který poprvé popsali roku 1934 G. Breit a J. A. Wheeler) by fotony musely mít ohromnou energii – více než milionkrát větší než fotony viditelného světla – muselo by se tedy použít velmi energetické záření gama. Dostatečně intenzivní zdroje fotonů – lasery – jsou ovšem dostupné zatím pouze v ultrafialové oblasti spektra (rentgenové lasery teprve pomalu přicházejí na svět).

Jak problém vyřešili američtí vědci? Z urychlovače získali proud elektronů s vysokou energií (viz obrázek). Proti němu namířili soustředěný paprsek laseru (pulzní laser v zelené oblasti viditelného spektra s plošným výkonem 1018 W na cm2!). Některé fotony se srazily s elektrony (Comptonův rozptyl), získaly tím ohromnou energii a vyrazily proti proudu fotonů laseru. Pak stačilo, aby takový foton zreagoval se čtyřmi či více fotony laseru, a již bylo pohromadě dost energie k vytvoření elektron-pozitronového páru. Výsledný děj odpovídal schématu:

Detekce byla zajištěna vychýlením elektronů a pozitronů do opačných směrů v magnetickém poli. Vytvořené elektrony se od elektronů z urychlovače lišily malou pohybovou energií.

Současná experimentální fyzika tak opět prokázala své rostoucí schopnosti ověřovat zásadní děje, tvořící základy teoretických modelů fungování světa.

Obrázky

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika

O autorovi

Jan Valenta

Doc. RNDr. Jan Valenta, PhD., (*1965) vystudoval Matematicko-fyzikálni fakultu UK v Praze, kde se nyní zabývá optickými vlastnostmi nanostruktur, spektroskopií jednotlivých molekul a polovodičových nanokrystalů a mj. také vývojem tandemových solárních článků. Je spoluautorem (s prof. Ivanem Pelantem) monografie Luminiscenční spektroskopie.

Doporučujeme

Chůze v davu: impulzy bez doteku

Chůze v davu: impulzy bez doteku

Milan Krbálek  |  2. 9. 2019
„Nejednou nás chybný krok ponořil až ke stehnům do tmavého rosolovitého bahna, které se na metry kolem nás pod našimi kroky vlnilo. Jeho přilnavá...
Sportující faraon

Sportující faraon

Břetislav Vachala  |  2. 9. 2019
Schopný král byl zárukou, že nezvítězí síly zla a chaosu a „boží země“ Egypt bude trvale vzkvétat a bude se dařit jejímu lidu. To potvrzoval...
První obraz horizontu černé díry

První obraz horizontu černé díry

Michal Bursa  |  2. 9. 2019
Když jsme spolu s Vladimírem Karasem v roce 2010 psali o vyhlídkách radioastronomie na přímá pozorování černých děr (Vesmír 89, 226, 2010/4), byla...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné