Fyzika mikrosvěta v IFLu

„Rádi bychom od podzimu otevřeli v Interaktivní fyzikální laboratoři u nás na Katedře didaktiky fyziky MFF UK Praha novou část věnovanou fyzice mikrosvěta. Než ale úlohy uvolníme pro všechny střední školy, ráda bych znala názor vybraných středoškoláků, abych věděla, jak se jim úlohy budou dařit, jak je budou bavit, jak je budou zvládat časově, … Nemáš vhodnou třídu?“ ptala se e-mailem RNDr. Zdeňka Koupilová na konci dubna.

Poté, co jsme si ujasnili, že by ráda žáky, kteří o fyzice mikrosvěta zatím moc neslyšeli, zeptal jsem se ve třídě 15M SPŠST Panská. Do IFLu by se pohodlně vešli, o fyziku zájem mají a fyziku mikrosvěta budou ve fyzice probíhat až příští rok. Proto jsem se ptal právě jich. Kluci ze třídy souhlasili, a tak jsme se v pondělí 4. 6. 2018 do IFLu do Holešovic vypravili. Horko a spalující sluneční žár cestou jsme přežili a doufali, že v budově MFF UK bude chladněji.

Po přivítání v IFLu Zdeňka Koupilová kluky instruovala, aby se rozdělili do čtyř skupin a zkusili si projít některá z pěti připravených stanovišť.

„V této místnosti můžete prostudovat fotoefekt. Buď pomocí apletu, který je velmi dobře připraven, nebo pomocí měření, které je spojeno s výpočtem Planckovy konstanty. Měřit můžete buď s profesionální aparaturou, která umožňuje osvětlovat světlem dané vlnové délky materiál, ze kterého budou uvolňovány elektrony následně detekované jako elektrický proud. A nebo můžete hodnotu Planckovy konstanty proměřit s využitím voltampérové charakteristiky LED emitujících světla různých vlnových délek a následným určením prahového napětí jednotlivých LED. Ve druhé místnosti pak můžete prozkoumat spektrum rentgenového záření a proměřit Franck-Hertzův pokus,“ představuje jednotlivá stanoviště Zdeňka.

Kluci se poté rozejdou k pracovištím, která je zaujala, a Zdeňka spolu s Mgr. Janou Machalickou, která též do IFLu přišla, jsou pak jednotlivým skupinkám k dispozici, pokud by potřebovaly pomoc či se neorientovaly v měření.

U každého pracoviště byl připraven návod na měření, popis měřicího přístroje i teorie nutná k pochopení daného jevu. Teorie přitom byla představována po částech a vždy byl prostor pro kluky, aby zodpověděli na otázky, odvodili si potřebný vztah, zaznamenali naměřená data, zakreslili graf, vypočítali hledané parametry experimentu a formulovali slovně závěr svého (třeba i dílčího) měření.

Kluci pracovali svědomitě, pečlivě vedli záznamy o provedeném měření a pokoušeli se formulovat vlastní závěry. Některé otázky je zaskočili a neuměli na ně rovnou odpovědět, ale po malé nápovědě nebo návodném dotazu odpověď zvládli zformulovat. Ne třeba zcela exaktně přesně, ale rozhodně fyzikálně dobře.

Asi za hodinu a půl od začátku měření vydala Zdeňka pokyn k ukončení měření. Ačkoliv kluci nestihli navštívit všechna stanoviště, sesedli jsme si do kroužku a zástupci jednotlivých skupin referovali ostatním o výsledcích svého měření. Zdeňka korigovala drobné nepřesnosti, vyzvídala detaily a snažila se, aby kluci (i ti, kteří dané stanoviště nenavštívili) pochopili základní princip zkoumaného jevu.

„Chápu, že jste už plně propocení,“ usmívá se Zdeňka po skončení prezentací měření, „ale ráda bych vám ukázala další jev, který s tím, co jsme vyšetřovali a zkoumali, velmi úzce souvisí.“

Zdeňka se přesunula k aparatuře, zapnula ji a na stínítku kulové elektronky se začaly objevovat zelené soustředné kroužky - neklamný znak interference.

„Aby to nebylo tak jednoduché, tak elektrony, které byly léta považovány na částice, se mohou za jistých situací chovat jako vlny. A tedy mohou vykazovat ohyb na vhodně zvolené mřížce,“ vysvětluje Zdeňka. „A jako dobrá mřížka velmi dobře fungují krystaly.“

Přitom Zdeňka mírně mění urychlující napětí elektronů, čímž mění jejich vlnovou délku, a tak se mění i výsledný difrakční obrazec.

„Takže je to vlastně analogie toho, co vymyslel Einstein. Ten prohlásil, že světlo, které bylo chápáno dlouhá léta jako vlnění, se může za jistých podmínek chovat jako proud částic. Louis de Broglie pak elektronům, které byly považovány za částice, přisoudil vlnové vlastnosti. A ty byly následně i experimentálně potvrzeny.“

„No paráda, vůbec v tom není zmatek!“ usmívá se Michal Ešše.

„Není,“ směje se Zdeňka. „Krásně to zapadá do celé té nádherné teorie! A výhodou je, že jak světlo, tak částice, lze pak popisovat stejnými rovnicemi.“

„Prima,“ usmívám se. „Zdenička nám právě ušetřila tři čtvrtiny příštího školního roku.“

„Tak neřekla jsem úplně všechno,“ namítne s úsměvem Zdeňka.

A protože už začalo odpoledne pomalu přecházet v podvečer, začínáme se loučit. Zdeňka děkuje klukům za získání zpětné vazby o svých experimentech a snad i kluci zužitkují to, co viděli a proměřili, příští rok v hodinách fyziky.

Studium vybraných jevů z fyziky mikrosvěta zobrazují fotografie.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 5. 6. 2018