pi dy, kter se uskute n od 11. do 19. ervence U zrodu obou t chto spolu souvisej c ch sout st l prof. RNDr. Rostislav Ko l, profesor fyziky na V

FYZIKA Profesor Rostislav Ko l spoluzakladatel Fyzikln olympidy

; ; ; ;

BOHUMIL VYB RAL Pedagogick fakulta Univerzity Hradec Kr lov

Prof. RNDr. Rostislav Kol (kolem roku 1950)

V tomto kolnm roce (2008/2009) probh na eskch z kladnch a st ednch kol ch (a rovn ve Slovensk republice) jubilejn 50. ro nk Fyzik ln olympi dy. Sou asn se v mexickm m st Mrida (v Yucat nu) tak rozb hla p prava na jubilejn 40. ro nk Mezin rodn fyzik ln olymMatematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

343

pi dy, kter se uskute n od 11. do 19. ervence 2009. U zrodu obou t chto spolu souvisejcch sout st l prof. RNDr. Rostislav Kol, profesor fyziky na Vysokm u en technickm v Brn a na Vysok vojensk kole ve Vy kov . Kulat vro obou t chto sout jsou p leitost k tomu, abychom se u tto osobnosti esk fyziky zastavili. Rostislav Ko l se narodil 28. prosince 1905 v Brn jako syn vrchnho inspektora a p epravnho kontrolora eleznic. Po absolutoriu II. esk st tn re lky v Brn na K enov ul. studoval v letech 1924 a 1926 inenrsk stavitelstv na esk vysok kole technick v Brn a sou asn v letech 1924 a 1929 fyziku, matematiku a deskriptivn geometrii na P rodov deck fakult Masarykovy univerzity (MU) v Brn . Po ukon en studi a zsk n u itelsk aprobace zstal na P rodov deck fakult a pracoval v letech 1929 a 1933 na stavu experiment ln fyziky jako asistent nejprve u prof. dr. Bedicha Mack a od roku 1930 u prof. dr. Josefa Zahradnka. V roce 1932 zskal doktor t (RNDr.) z teoretick a experiment ln fyziky. Pot a do roku 1945 psobil na n kolika st ednch kol ch a sou asn pokra oval ve v deck pr ci zapo at ji na P rodov deck fakult . V roce 1945, hned po 2. sv tov v lce, spole n s prof. Zahradn kem obnovoval stav experiment ln fyziky na P rodov deck fakult MU. V roce 1946 se habilitoval z experiment ln fyziky a stal se soukromm docentem. V roce 1948 byl jmenov n profesorem fyziky se zp tnou innost od roku 1946. Pov le n ivotn obdob profesora Ko la se vyzna ovalo mimo dnou aktivitou, kter v ak po roce 1948 byla poznamen na nelibost politickch p edstavitel a byla spojena se ikanov nm. Po habilitaci roce 1946 vedl a budoval stav lka sk fyziky na Univerzit Palackho v Olomouci jako mimo dn profesor lka sk fyziky. Sou asn (do r. 1950) p edn el i na P rodov deck fakult MU v Brn . Pot byl v roce 1950 p eloen do Bru perka a pov en vybudov nm Fyzik lnho stavu na zde vznikajc Vysok kole strojn. Po jejm p i len n k Vysok kole b sk psobil a do roku 1954 v Ostrav . Pak byl povol n zp t do Brna na Vysokou kolu stavebn (existovala tehdy jako pozstatek zru en techniky po vzniku Vojensk akademie A. Z potockho v Brn ). Po obnoven civiln techniky v Brn v roce 1956 (p ejmenovan na Vysok u en technick { VUT) zde nejprve vybudoval celo kolskou katedru fyziky VUT a po jejm rozd len v roce 1959 na t i katedry p e el jako adov len na katedru fyziky Fakulty elektrotechnick. V roce 1961 byl pov en vybudov nm vysokokolsk katedry fyziky na tehdej m Vy m vojenskm u ili ti ve Vy kov (tato pvodn samostatn vysok kola existovala v letech 1967 { 1972 jako 344

Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

1. fakulta Vojensk akademie A. Z potockho, v letech 1972 { 2004 op t jako samostatn Vysok vojensk kola pozemnho vojska, nyn zru en a transformovan do Univerzity obrany v Brn ). Ve Vy kov pracoval do roku 1970. Profesorsk psoben na kated e fyziky Fakulty elektrotechnick VUT mu bylo obnoveno k 1. jnu 1965. Zde pak psobil a do odchodu do dchodu v roce 1971. Poslednm jeho psobi t m byla katedra fyziky samostatn Pedagogick fakulty v Nit e, kde p edn el v akademickm roce 1977/78. Zem el po kr tk nemoci 6. nora 1980 v Brn . Manelkou prof. Ko la byla Dagmar Kolov (1910 { 1977), st edokolsk profesorka fyziky a matematiky. M li t i d ti: Dagmar provdan Rznerov (1938 { 1999) vystudovala elektrotechnick inenrstv, Rostislav (*1943) vystudoval stavebn inenrstv a je mj. p ednm eskm fotografem a Lubor (*1944) vystudoval elektrotechnick inenrstv a psob jako st edo kolsk profesor. Ve v deck pr ci, kter je zachycena ve 21 pvodnch pracch profesora Ko la, se zabval p edev m netlumenmi i tlumenmi kmity sp aench soustav a stabilizac kmit mechanickch oscil tor (11 prac), skl d nm a analzou kmit (6 prac). Tento v deck z jem jej p ivedl tak k hudebn akustice (3 pr ce). Soust edil se rovn na z kladn veli iny dynamiky: hmotnost gravita n, hmotnost setrva n a sla (1 pr ce). Vznamn je i jeho innost biogra"ck a historick (6 prac). Rozs hl byla zejmna jeho tvorba vysoko kolskch u ebnch text (37 svazk skript) a studijnch text pro e itele Fyzik ln olympi dy (11 prac). Jako kolitel v deckch aspirant v oboru aplikovan fyzika (matematicko-fyzik ln v dy) na kolicm pracovi ti Fakulty elektrotechnick VUT se zabval i v deckou vchovou (celkem vedl 6 aspirant). K nejvznamn j m z sluh m profesora Ko la, kter maj sv tov rozm r, pat , e v roce 1959 rozhodujcm zpsobem p isp l k zaloen sout e Fyzikln olympida (FO) v eskoslovensku a v roce 1966 ke vzniku Mezinrodn fyzikln olympidy (MFO). Rozvoji FO a MFO se pot intenzivn v noval a do konce ivota. Fyzik ln olympi du zakl dal nejen jako vrcholovou sout st edo kol k, nbr jako promy len systm, kter si klade za cl vyhled vat a p stovat talenty na fyziku ji od 13. { 14. roku v ku dt te. My lenkou FO se za al zabvat ji od roku 1954 (jistm vzorem mu byla ji tehdy probhajc Matematick olympi da), zpo tku v ak nena el dost pot ebnch spolupracovnk a tak prvn pokusn sout e FO probhaly a ve kolnm roce 1958/59 v tehdej ch krajch Olomouckm a Brn nskm a v Praze. Pro tuto pr ci zskal zejmna prof. Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

345

RNDr. Bed icha Havelku, DrSc., (Olomouc), prof. RNDr. Miroslava Valoucha (Praha), RNDr. Martu Chytilovou, CSc. (Brno), doc. Vladimra Rudolfa (Olomouc), Jana Tesa e (Praha), doc. RNDr. Bohumila Vlacha (Brno) a na Slovensku Franti ka Pchovskho (#ilina) a prof. RNDr. J na Fischera (Bratislava). V celost tnm m tku za ala FO probhat od kolnho roku 1959/60 ji ve v ech tehdej ch st edo kolskch kategorich A, B, C a pozd ji D. Od t etho ro nku FO se pod jeho vedenm sout roz ila i na dv kategorie (E, F) pro z kladn koly (a po p echodu na devtiletou Z$ to byla je t kategorie t et G { pro tehdej sedm ky). Z politickch dvod nemohl vykon vat funkci p edsedy st ednho vboru FO hned od po tku sout e. Stal se jm a od roku 1966, kdy se projevilo jist politick uvoln n. Tuto funkci pak nep etrit vykon val a do roku 1977 a pot a do konce ivota pracoval jako p edseda krajskho vboru FO Jihomoravskho kraje.

;; ;; ;; Profesor Ko l p i zah jen 3. MFO v Brn r. 1969

Hned jak mu byla v roce 1966 sv ena nejvy funkce v FO, rozhodl se zaloit Mezin rodn fyzik ln olympi du (MFO% v anglick mutaci IPhO). Oslovil prof. dr. Czeslawa Scislowskho ve Var av a prof. dr. Rezs Kunflviho v Budape ti. Spole n p ipravili kon n prvn MFO ve Var av ji v roce 1967 za asti p ti vchodoevropskch st t, druh MFO se konala v roce 1968 v Budape ti. T et MFO v roce 1969 organizoval profesor 346


Ko l v Brn . Na tento rok sice p ipadalo 10. vro n rodn FO, av ak politicky to byl nejmn vhodn termn { bylo to kr tce po okupaci p ti &sp telenmi' arm dami Var avsk smlouvy. Sout byla pl nov na pro 60 sout cch ze 12 st t, pozvan ty i z padn st ty (V. Brit nie, Francie, It lie a $vdsko) ast odmtly. Take sout ilo 40 student z osmi zem (SSR, SSSR, Polsko, Ma(arsko, NDR, Bulharsko, Rumunsko a Jugosl vie). Sout se konala od 22. ervna do 2. ervence 1969 v Brn pod vcelku slu nou patronac Vojensk akademie a kupodivu prob hla hladce. Tento &vojensk' patron t vyjednal profesor Ko l promy len , av ak nebyl v emi p ijm n pr v pozitivn % stejn tak ubytov n sov tsk delegace, kter bylo pro jistotu odd len. Pot v srpnu, jak zn mo, probhaly v Brn demonstrace proti okupaci eskoslovenska sov tskmi vojsky a n sledn pouli n boje, kter v krvi ukon ily a esk tanky. Des tou MFO v roce 1977 po dalo op t v eskoslovensko, tentokr t za asti 60 sout cch ze 12 st t. Konala se na samostatn Pedagogick fakult v Hradci Kr lov a jej z v r se uskute nil na Univerzit Karlov v Praze, v Karolinu. K vchodoevropskm zemm se postupn p ipojily i z padoevropsk st ty { Francie (1972), Spolkov republika N mecko (1974), $vdsko (1976), Finsko, atd. V roce 1991 p ekro ila Mezin rodn fyzik ln olympi da hranice Evropy (prvn mimoevropskou po dajc zem byla Kuba) a stala se tak sout sv tovou { a to jak z astn nmi st ty ze v ech p ti kontinent sv ta, tak msty svho kon n. Po Kub se sout postupn konala v t chto zemch: Finsko (1992), USA, na, Austr lie, Norsko, Kanada, Island, It lie, Velk Brit nie, Turecko, Indonsie, Tchaj-wan, Korejsk republika, $pan lsko, Singapur, )r n a Vietnam (2008). Zejmna pro mimoevropsk st ty je nyn MFO velmi prestin akc, jejho zah jen se asto z astuj p edstavitel st tu. I po ty sout cch zna n narostly, nap . 33. MFO v Indonsii v roce 2002 se z astnilo 298 student ze 67 st t, na 35. MFO v Korejsk republice v roce 2004 sout ilo 332 e itel ze 71 st t a na 39. MFO ve Vietnamu to bylo ji 376 sout cch z 81 st t a teritori. Na i studenti se ve sv tov konkurenci vdy umsuj vdy v prvn tvrtin po ad z astn nch zem. Za prvnch patn ct let existence esk republiky, tj. od roku 1993, se Mezin rodnch fyzik lnch olympi d z astnilo celkem 80 eskch student, z nich 9 zskalo zlatou, 14 st brnou a 25 bronzovou medaili a 26 sout cch dostalo estn uzn n. sp nost

len eskho drustva na MFO se tak d vy slit jako 92,5 % a je tedy Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

347

vynikajc. Je to tak dky tradici v systematick p prav talent, zaloen ji profesorem Ko lem. Sv tov spole enstv fyzik (Mezinrodn unie pro istou a aplikovanou fyziku) ocenilo jeho podl na vzniku MFO ud lenm velk medaile u p leitosti 24. MFO konan v roce 1993 ve Williamsburgu v USA { Virginii (bohuel in memoriam). Na rubu medaile (viz obr.) je uvedeno: TO ROSTISLAV KOSTIAL FOR CREATION OF THE INTERNATIONAL PHYSICS OLYMPIAD, INTERNATIONAL COMISSION ON PHYSICS EDUCATION OF IUPAP.

;; ;;

Medaile udlen in memoriam prof. RNDr. Rostislavu Ko lovi v USA r. 1993

Profesor Ko l by m l jist velkou radost, kdyby na za tku t kch normaliza nch sedmdes tch let tu il, jakho sv tovho rozmachu Fyzik ln olympi da dos hne a jakou presti bude pro zem (zejmna asijsk) MFO sout v p slu nm roce po dat. Byl by tak p ekvapen a pot en jak p kn, n ro n a v decky aktu ln lohy univerzity po dajcch zem studentm p ipravuj k e en. ) Tak by jej jist t ilo, e Fyzik ln olympi da se i u n s st v spole ensky uzn vanou aktivitou. Sv d o tom nap . prestin ceny Premium Bohemiae ud lovan od roku 2001 mj. v em eskm sp nm e itelm na MFO v p slu nm roce. Tyto "nan n vznamn ceny ud luje Nadace B. Jana Horka eskmu r ji ). Nejlep student { fyzik tak kadoro n ) Viz nap . Volf, I., Vybral, B.: Elementy souasn vdy v lohch Fyzikln olympidy, s. as. Fyz. 52/2002/, s. 51 { 57. Roz en verze: Vybral, B., Volf, I.: Souasn fyzikln vda v lohch Fyzikln olympidy. Obzory matematiky, fyziky a informatiky. 35 (2/2006), s. 36 { 56. ) Viz nap . Ceny Premium Bohemiae pro studenty, Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 47 (2002), s. 81 { 83. Vybral, B. Ceny Praemium Bohemiae 2006 udleny.

348


dost v (spolu s ostatnmi sp nmi p rodov dci) rovn prestin cenu Nadanho fondu Jaroslava Heyrovskho. Na rok 2005, kter byl vyhl en Svtov m rokem fyziky, p ipadla dv vznamn ivotn vro profesora Ko la: 100 let od jeho narozen a 25 let od jeho mrt. Jeho z sluhy o rozvoj esk fyziky, zejmna o zaloen a rozvoj Fyzik ln olympi dy, vedly esk vbor Jednoty eskch matematik a fyzik, aby na svm prosincovm zased n v r. 2002 rozhodl za adit Rostislava Ko la k osobnostem esk fyziky v r mci Sv tovho roku fyziky 2005.

???

Ve druh sti p sp vku p ipojm n kolik osobnch post eh, kter se v k osobnosti profesora Ko la. M prvn vzpomnky na n j spadaj ji do roku 1956, kdy se stal mm u itelem fyziky na brn nsk technice. Mezi studenty se o n m tehdy ila pov st ob vanho profesora, zejmna examin tora. Av ak kdo studoval, usp l. Mne jeho p edn ky pro svou logi nost dokonce tak zaujaly, e { a milovnk techniky { se fyzika stala mm ivotnm osudem. Vzpomn m, jak vzrostlo m sebev dom po prvn sp n zkou ce u n j. Dostal jsem dokonce odvahu, e jsem el na katedru fyziky a p ihl sil se do konkursu na jm vypsan dv msta pomocn v deck sly. P i pr ci u n j jsme dostali z klady v deck pr ce na cel ivot. Profesor n s u il n ro nosti, pe livosti (n kdy a p ehnan), p esnosti vah i psemnho vyjad ov n. Dbal na to, abychom se z astovali sout o nejlep studentsk v deck pr ce. Celost tnho kola z fyziky jsem se z astnil t ikr t a kupodivu (a technik) jsem m l vdy sp ch. Pan profesor dbal tak na to, abychom vsledky sv studentsk v deck pr ce publikovali, vystupovali na v deckch konferencch a p edn eli na schzch a semin ch JMF. To v e p isp lo k tomu, e jsem se kr tce po sp nm vystudov n zajmavho technickho oboru (stavba tepelnch turbn) v noval p ev n ji jen fyzice. Po dvou letech technick praxe ve vzkumu parnch turbn jsem se roku 1963 p ihl sil do konkursu na msto odbornho asistenta fyziky na Vy m vojenskm u ili ti (pozd ji Vysok vojensk kole) ve Vy kov . Zde jsem Matematika, fyzika, informatika. 16 (6/2007), s.381 { 383. Vybral, B. Ceny Praemium Bohemiae nejlep m talentm. In: Ani jeden matematick talent nazmar. Sbornk p spvk 3. ronku konference, s. 85 { 89. Hradec Kr lov: Univerzita Karlova, JMF, 2007. Vybral, B. Ceny Praemium Bohemiae 2007. Matematika, fyzika, informatika, 17 (6/2008), s. 377 { 380.


349

poznal profesora Ko la jako n ro nho vedoucho katedry. Pracoval bez ohledu na svj voln as i na sv pohodl. Katedru fyziky zde budoval tm z ni eho (v dob , kdy dostate n kvalitn u ebn pomcky z fyziky nebyly na eskm trhu b n k dost n). Staral se o zsk n dobrch mladch u itel na katedru% dva z nich se pozd ji stali profesory (B. Vybral a I. Ohldal) a t i docenty (M. $trunc, A. Kopal a J. Obdr lek). Intenzivn pracoval na u ebnch programech, psal skripta, organizoval n kup p stroj a za zen ( asto i jejich vrobu v mstnch kolnch dln ch) do laborato a pro demonstrace p i p edn k ch. Za zen laborato muselo bt takov, aby kad student mohl samostatn m it. Dbal na to, aby se p i p edn k ch dsledn konaly experimenty. Za n kolik let se mu katedru poda ilo vybavit tak, e to budilo obdiv nejen st edo kolskch a vysokokolskch u itel z rznch kout republiky, ale i zahrani nch delegac vysokch vojenskch hodnost , kte kolu nav tvili. Vzpomn m, jak se p i n v t v v roce 1964 s uzn nm vyj d il profesor Va ek, optik sv tovho v hlasu z P rodov deck fakulty Masarykovy univerzity v Brn , e by u nich mnoh zde prezentovan p stroje tak do vuky pot ebovali. Na n s asistenty byl profesor Ko l n ro n a zkostliv dbal o n odborn rst. Na kated e se pravideln konaly metodick zam stn n a odborn semin e. Pan profesor m l st le na mysli, aby vuka fyziky byla co nejdokonalej { aby si studenti neodn eli jen lomkovit znalosti, ale zskali schopnost logickho fyzik lnho i obecn racion lnho my len. K tomu tak slouily experimenty p i p edn k ch, kter rovn zvy ovaly pozornost a motivaci ke studiu. Podmnkou kvality vuky byl p edev m dob e p ipraven u itel. P zna n proto byl jeho poadavek, aby si kad asistent (i odborn) s nm prodiskutoval kad dl jeho obs hl srie skript. Mnohmu po hodinov diskusi ekl, aby si to znovu promyslel a p i el je t jednou. Jeho n ro nost k n m plynula p edev m z jeho n ro nosti k sob sammu. Svou velkou pracovitost a n ro nosti byl profesor Ko l pov stn. Neznal pracovn dobu, pracoval st le. Do pozdnch hodin doma, u n s na kated e ve Vy kov , na technice v Brn a tak ve vlaku p i kadodenn cest z Brna do Vy kova a op t z Vy kova. Zde ji jej prvod a n kte cestujc znali a v d li, e pro sv papry pot ebuje vce msta. Kolega RNDr. Alois Kleveta, kter d lal tajemnka katedry, bohuel n kdy musel absolvovat cestu z Vy kova do Brna (a zp t s m), aby spolu mohli dot hnout n kter katedr ln z leitosti. Zvl tn a dleitou kapitolou pedagogick innosti profesora Ko la 350


bylo psan skript z fyziky, do nich ukl dal sv dlouholet pedagogick zkuenosti. Napsal jich 37 svazk, z toho na 18 za svho psoben ve Vy kov . Rukopis nechal p ed psanm na isto n mi lektorovat a p ipomnkovat. Pot p i diskusi p ipomnku bu( p ijal anebo trp liv vysv tloval, pro nech pvodn formulaci { dn p ipomnka nezstala nepov imnuta. Velmi dbal tak na form ln str nku skript. To bylo v dob , kdy nebyly po ta e a v t inou se psalo a kreslilo na cyklostylov bl ny, velmi pracn. Sekret ka p episovala jeho n kdy m lo iteln a sloit doplovan rukopis pomoc psacho stroje p mo na bl ny. Doch zelo tak p eklepm, kter jsme my asistenti ve dvou korektur ch (a pan profesor p i t et tajn korektu e) odchyt vali. Tak pan profesor sice zachytil pravdiv nesmyl: &nejleh je vozk, nejt je vag+n' (byla e o plynech a m lo bt &nejleh je vodk, nejt je radon'). Av ak p eklep &t sto se v l' (msto &t leso se val : : : ') byl vyti t n (2. korekturu jsem bohuel d lal j ). Jako kolitel v deckch aspirant n s profesor Ko l systematicky vedl ke kandid tskm zkou k m a k v deck pr ci. Vzpomn m, jak jsme dlouh hodiny prosed li p i diskutov n jeho p ipomnek k rukopism odbornch a v deckch prac a zvl t pak kandid tsk disertace. N kdy se takov diskuse prot hla i na nucenou jzdu vlakem do Brna a asto pak skon ila i u n j v byt . Velmi dbal na p esnost formulac a p itom nejen upozornil na nedostatky, ale tak nazna il, jak je odstranit. Jako n kdej pomocn v deck sla a pozd j asistent profesora Ko la jsem m l monost sledovat od samho po tku jeho nasazen, s jakm inicioval a spoluvytv el Fyzik ln olympi du, a to jak v eskoslovensku, tak pozd ji i ve sv t . Ne lo samoz ejm jen o pozorov n { musel jsem i pat i n p iloit ruku k dlu (od vzniku olympi dy v roce 1959 jsem byl

lenem krajskho vboru v Brn a od roku 1966 lenem jejho st ednho vboru). Ne lo p itom jen o organizov n sout e v rznch stupnch kol, ale i o psan studijnch text, tvorbu sout nch loh a tak o jejich opravu po sout i. A tak o odbornou a organiza n p pravu krajskch a celost tnch soust ed n FO. Speci"ck svou n ro nost byla p prava drustev na mezin rodn sout . Pan profesor byl v administrativ punti k sky dsledn a vy izov n psemnost kolem FO byla n ro n a vskutku nez ivn pr ce (v dne n dob internetu je tato innost nesrovnateln snaz ). Post oval si m m, e za rok m asi 400 jednacch sel a k tomu dnou sekret ku. Jeho dslednost a vyadov n podrobnch ( asto nepodstatnch a zbyte nch) statistickch daj o sout i na schzch st ednho vboru vedla Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

351

k tomu, e tyto schze (konan dvakr t ro n ) trvaly deset i vce hodin. Jarn schze (konan p ed celost tnm kolem) bvala dvoudenn. Aby mu

lenov po prvnm dnu neutekli, zajistil nap . schzi a ubytov n na odlehlej m mst , nap . na brn nsk p ehrad . V e vypovdajc nap . je, e z pis z jednodennho podzimnho jedn n VFO z roku 1975 m l 46 stran strojopisu a 12 stran p loh. Jednou, tu m v dubnu 1977, se stalo, e schze konan v zasedac sni tehdej budovy rektor tu VUT se prot hla do pozdnch ve ernch hodin. Budova u byla opu t n a vr tn zapomn l, e tam m chzi FO% zamkl ji a ode el. A tak nastal problm, jak se dostat ven. Bylo nasnad , e oknem, protoe zaseda ka byla jen v pon kud zv enm p zem. Co v ak s profesorem Ko lem a doktorkou Chytilovou, kte m li u svoje roky, byli podsadit j postavy a na sk k n z okna nebyli? Vy e ilo se to nakonec tak, e byli vynesen oknem i se idl, na n sed li. Tato &defenestrace' zajist byla zajmanou podvanou pro Br ky, protoe okna byla do ru n t dy Obr nc mru (dnes Jo tovy ulice). A zkostliv starostlivost o bezproblmov prb h FO byla pro pana profesora p zna n . Doplatil na to v dubnu roku 1962, kdy v Brn poprv organizoval celost tn kolo 3. ro nku FO. Den p ed sout skon il v nemocnici se lu nkovm z chvatem a proil zde celou sout , kter se tentokr t musela obejt i bez n j. Velkou pozornost v noval profesor Ko l tak pr ci v JMF, jejm byl lenem 56 let, ji od studentskch let. Sout FO pojmal jako jednu z dleitch innost tto organizace, zaloen roku 1862. Vzpomn m, s jakm silm nap . hledal prameny a sbral materi l pro seps n publikace &Vznik a vvoj pobo ky JMF v Brn ' (publikovan roku 1967). Jednota jeho nezi tnou innost ocenila ud lenm vyznamen n zaslouily

len (1969) a estn len (1972), kterch si velmi v il.

352


Difrakcia elektrnov na gratovej do tike ARPD KECSKS Univerzita Kontantna Filozofa, Nitra, SLOVENSKO

vod

V roku 2007 sme pripomnali 80. vro ie experiment lneho potvrdenia interferencie elektr+novch l ov. O realiz ciu tohoto experimentu sa pri inili americk fyzici G. J. Davisson (1881{1958) a L. H. Germer (1892{ 1971), ktor experiment lne vy etrovali difrakciu elektr+nov na povrchu monokry t lu niklu. Nez visle od nich v tom istom roku (1927) experiment lne dok zal vlnov vlastnosti elektr+nov aj anglick fyzik G. P. Thomson (1892{1975) { syn J. J. Thomsona objavitel'a korpuskul rnych vlastnost elektr+nov { vyhotovenm difrak nch obrazcov (eletronogramov) pri prechode elektr+nov tenkmi kovovmi f+liami. Rok 2007 je teda s asne aj 70. vro m udelenia Nobelovej ceny za uveden vsledky pre dvojicu G. J. Davisson a L. H. Germer, ako aj pre G. P. Thomsona, ktorho otec dostal Nobelovu cenu 40 rokov pred nm za objav korpuskul rnych vlastnost elektr+nov. Pripomenutie tchto objavov zo za iatku 20. storo ia povaujeme za vel'mi potrebn, nakol'ko i lo o vel'mi vznamn moment v hist+rii vvoja fyzik lneho poznania a formovania z kladov modernej kvantovej te+rie. Vyuitie poznatkov z dejn fyziky povaujeme za jednu formu z monch motiva nch prstupov k zv eniu z ujmu tudentov o tdium fyziky. asto sa st va, e poznanie hist+rie pom.e tudentovi hlb ie a pln ie pochopi d.leit z kladn pojmy aj fyzik lne z kony. Osvojenie si my lienkovch postupov tvorcov fyziky m.u pom.c tudentovi prekona naivn obraz sveta a postupne ch pa vedu, ktor vynikajci fyzici vytvorili. V prspevku pripomenieme jeden vznamn moment hist+rie vvoja fyzik lneho poznania a formovania z kladov modernej kvantovej te+rie. Je zn me, e rie enie ot zky vlnovej povahy astc je historicky sp/t s rie enm ot zky povahy svetla a vo v eobecnosti elektromagnetickho iarenia. Diskusiu o povahe svetla viedlo mnoho "lozofov a fyzikov u od staroveku. Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

353

Experiment lne sa potvrdilo, e vlnov vlastnosti svetla sa najvraznejie prejavuj pri ohybe a interferencii. Preto de Broglieho hypotza viedla k predpovedi, e aj elektr+nov l e sa bud prejavova interferen nmi a ohybovmi vlastnosami. De Broglieho hypotza bola zo za iatku ch pan ako kuriozita. Poztvne hodnotenie tejto hypotzy Einsteinom v ak natol'ko ovplyvnilo E. Schr dingera, e vych dzajc z vlnovch vlastnost

astc, vybudoval kvantov mechaniku sk.r (1926), ako boli vlnov vlastnosti astc experiment lne potvrden.

Vlnov vlastnosti astc

Z hist+rie vvoja fyzik lneho poznania je zn me, e svetlo ukazuje z rove vlastnosti, ktor by sme v klasickej fyzike prira(ovali aj vln m (interferencia) aj asticiam (&d vky' energie a hybnos). spe n vchodisko z tchto zdanlivo si odporujcich vlastnost svetla podala a kvantov te+ria. Podl'a nej svetlo nie je vlnou, ani asticou klasickej fyziky, ale kvantovm objektom, ktor m v nie om vlastnosti klasickch v0n a v nie om vlastnosti klasickch astc. Fyzika sa na za iatku 20. storo ia len vel'mi ako vyrovn vala s korpuskul rno-vlnovm dualizmom. Predstava o fot+noch bola prijat tm, e kad fot+n m pri pohybe tie svoju hmotnos a e svetlo m z rove povahu vlnovho aj korpuskul rneho iarenia. Pri ren svetla priestorom m prevahu vlnov charakter, pri om pri interakcii s l tkovm prostredm sa viac uplatuje asticov charakter. Hist+ria fyzik lneho poznania pouk zala na to, e aj v prpade elektr+nov a inch astc mikrosveta pri rie en ich povahy sa stret vame s analogickou situ ciou, ak pozn me v prpade elektromagnetickho iarenia. Pripomna to spor zo 17. storo ia o povahe svetla. Av ak v 17. storo prebiehal spor z stancov dvoch te+ri na b ze javov, ktor bolo mon vysvetli v r mci jednej te+rie, v tomto prpade v ak fakty nezapadali do r mca nejakch ur itch predst v vlnovch alebo korpuskul rnych. Je zn me, e v roku 1923, ako vsledok tdia fotoefektu, Einsteinovej te+rie iarenia, pr c Nielsa Bohra (1885{1962) o stavbe at+mu, sa objavil medzi fyzikmi problm, ktor mono nazva problmom vlna { astica. Pokus zachr ni klasick fyziku urobil N. Bohr. Prezentoval dualistick stanovisko, podl'a ktorho at+m vysiela diskrtne kvant iarenia, ale iarenie vysielan zo zdroja sa spr va podl'a z konov klasickej te+rie elektromagnetickho pol'a. Predpokladal, e z kony zachovania s splnen pre cel iarenie, a nie pre jednotliv akty emisie alebo absorpcie. 354


Na existujcu rozdielnos medzi f zovou a grupovou rchlosou svetla upozornili J. C. Maxwell a G. Stokes. Matematick vzahy pre disperzn prostredie odvodil lord Rayleigh a ich experiment lne potvrdenie viedlo k istm zaujmavostiam. A. A. Michelson zmeral rchlos svetla vo vode a potvrdil Foucaultove a Fizeauove vsledky, teda tm aj vlnov te+riu svetla. Nesk.r merania rchlosti svetla opakoval, ale v inom prostred { v sul"de uhli itom, pri om na svoje prekvapenie nenameral o ak van hodnoty. Lord Rayleigh a J. W. Gibbs (1839{1903) uk zali, e Michelsonove vsledky s v plnej zhode s te+riou, ak sa zoberie do vahy nie f zov , ale grupov rchlos svetla (vzhl'adom na vel'k disperziu svetla v sul"de uhli itom). Rayleighove my lienky o grupovej rchlosti vyuil nesk.r vo svojich pr cach mlad franczsky fyzik Louis de Broglie (1892{1987). Louis de Broglie sa v laborat+riu svojho star ieho brata za al venova kvantovej te+rii, na ktor ho upozornil brat u v roku 1911, ke( mu dal tudova refer ty, ktor odzneli na prvom Solvayovom kongrese v Bruseli. Pod vplyvom Einsteina a l nkov M. Brilouina (1854{1948) Louis de Broglie prem lal o paradoxoch vlnovo-korpuskul rnych vlastnost svetla a za al hl'ada svislosti medzi vlnovm a korpuskul rnym aspektom elektromagnetickho iarenia. Louis de Broglie sa zam l'al nad tm, ako je mon, e niektor javy dokazuj vlnov a in zas korpuskul rny charakter elektromagnetickho iarenia? Je teda svetlo vlnenm, alebo asticami? Na vlny a astice hl'adme ako na dva protikladn, vz jomne sa vylu ujce formy pohybu. Je v ak mon, e toto protire enie je iba zdanliv, e je to iba predsudok, ktorho sa treba zbavi. Jeho korene s v historickom vvoji fyziky. Je zn me, e prvou ucelenou fyzik lnou te+riou bola n uka o mechanickom pohybe

astc. N uka o vlnovom pohybe vznikla neskor ie a vyvjala sa nez visle od mechaniky, neboli objaven nijak svislosti medzi mechanickm a vlnovm pohybom. A na tomto mieste vznikla podstata de Broglieho my lienky. Uvaoval toti nasledovne: Najprv boli zn me ohybov a interferen n javy, ktor sa dali vysvetli predpokladom vlnovej povahy svetla. Z konitosti iarenia telies a fotoelektrick jav v ak vyadovali zavedenie svetelnch astc { fot+nov. Je mon si v ak predstavi historicky opa n situ ciu: najprv by sme pochopili z kony iarenia telies a fotoelektrickho javu a zaviedli sveteln astice, a nesk.r by sme sa udovali, e na vysvetlenie ohybovch javov musme tmto asticiam pripsa vlnov vlastnosti. Ot zku, i je Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

355

svetlo vlnenm, alebo prdom astc, je potrebn obr ti: a pta sa, o s to tie astice? Pri elektromagnetickom iaren sme sa stretli s dualizmom v0n a astc. Je mon, e tento dualizmus je v eobecnou vlastnosou, e existuje i v obr tenom smere: fyzik lne objekty (at+my, elektr+ny, a pod.), ktor nazvame asticami (korpuskulami), maj s asne aj vlnov vlastnosti. Tento my lienkov sled charakterizuje vahy de Broglieho, ktor n sledne sa za al venova my lienke ako uplatni tento dualistick pohl'ad aj na astice s nenulovou pokojovou hmotnosou a za al hl'ada ak vlnov d0ku mono priradi astici s hmotnosou m pri rchlosti v? K odpovedi na tto ot zku pouil Planckovu kvantov hypotzu, Einsteinove predstavy o svetelnch kvant ch a z very peci lnej te+rie relativity. Planckov zn my vzah E = }! = h c pre energiu svetelnho kvanta bol v dvadsiatych rokoch 20. storo ia potvrden mnohmi experimentmi. De Broglieho z kladn my lienka spo vala v pouit uvedenho vzahu aj pre elektr+ny a in astice s nenulovou pokojovou hmotnosou pri ich pohybe rchlosou v a hybnosou p = mv, ktor viedlo k napsaniu zn meho de h. Broglieho vzahu = hp = mv Na tto tmu uverejnil v roku 1923 tri vedeck l nky, ktor zostali bez odozvy. O rok nesk.r my lienky a vpo ty z tchto l nkov zhrnul do svojej doktorskej dizerta nej pr ce na tmu: &Recherches sur la Thorie des Quanta', ktor obh jil na Sorbonne v novembri 1924. Komisia hodnotila dizert ciu ako zaujmav a odv nu, hoci jej lenovia boli dos skeptick v ot zke experiment lneho overenia vlnovch vlastnost astc. Pr ca bola publikovan v roku 1925 v asopise Annales de Physique pod n zvom &Vskumy v kvantovej te+rii'. Dizerta n pr ca Louis de Broglieho za na slovami: &Hist+ria optickch te+ri ukazuje, e vedeck n zor dlho kolsal medzi mechanickm a vlnovm ponmanm svetla. Mono v ak medzi oboma tmito n zormi je ovel'a men ie protire enie ako sa vol'akedy myslelo. Zd sa najm/, e tak n zor potvrdzuje vvoj kvantovej te+rie'. Vznamn franczsky teoretick fyzik P. Langevin, ktor bol lenom rigor+znej komisie, upozornil na tto de Broglieho pr cu A. Einsteina, ktor vel'mi rchlo pochopil jej revolu n vznam a pouil ju pri svojich vskumoch o kvantovej tatistike. Tmto udalosti dostali vel'mi rchly sp d: po as jednho roka bola vytvoren prslu n mechanika mikrosveta { kvantov mechanika. Rak an Ervin Schr dinger (1887{1961) odvodil v roku 1926 v explicitnom tvare rovnicu pre de Broglieho vlny, ktor uve356


rejnil v 79. zv/zku asopisu Annalen der Physik pod n zvom &Quantiesierung als Eigenwertproblem'. M. Planck po uverejnen pr ce Schr2dingerovi napsal: &tam V l nok vzru ene ... Koch m sa kr sou, ktor sa mi odhal'uje pred o ami ...' Po potvrden vlnovch vlastnost astc udelili Louisovi de Brogliemu v roku 1929 Nobelovu cenu.

Overenie de Broglieho vzahu { demontrcia vlnovch vlastnost elektr nov

Interferen n vlastnosti elektr+novch v0n experiment lne potvrdili americk fyzici C. Davisson a L. Germer pri ich difrakcii na monokry t li niklu. Analza experimentu vykonan Davissonom a Germerom presved ivo potvrdila de Broglieho hypotzu pre elektr+ny pri nzkych energi ch (okolo 50 eV). Nez visle od nich vlnov vlastnosti elektr+nov pri vy ch energi ch experiment lne potvrdil aj anglick fyzik G. P. Thomson, ktor pozoroval difrak n krky (elektronogramy) pri rozptyle kat+dovch l ov na zlatej, hlinkovej, celuloidovej a (al ch f+li ch. G. P. Thomson uk zal, e tento efekt je analogick rozptylu r2ntgenovch l ov na kry t loch pri Debey-Scherrerovej pr kovej met+de pre vlnov d0ky elektr+nov ur ench z de Broglieho vzahu. Vzhl'adom na to, e v prpade takchto experimentov ide o dos netradi n a na m lo univerzitnch pracovisk ch prezentovan demon tra n experimenty, ktor s ale z hl'adiska fyzik lneho pozn vania a motivovania z ujmu tudentov pre kapitoly modernej fyziky vel'mi d.leit, ich prezent ciu povaujeme za vel'mi inn a prospe n aktivitu. Katedra fyziky FPV UKF v Nitre m v invent ri v kuov trubicu vysujcu do gul'ovho tvaru, do ktorej bola vloen polykry talick gra"tov f+lia, ktor sli ako difrak n mrieka a na nej doch dza k difrakcii elektr+novch l ov vych dzajcich z elektr+novho dela trubice. Distribtorom u n s pouvanej trubice je renomovan nemeck "rma na vrobu u ebnch pom.cok LEYBOLD-Heraeus GMBH. Pripomnam v ak, e v s asnosti existuj aj nov ie modi"kovan verzie tejto trubice nie len u "rmy Leybold 33], ale aj u "rmy Phywe, ktor m obchodn zastpenie v Prahe pre esk republiku aj Slovensko (objedn vky vybavuje "rma Artemis spol. s r. o., 34]) a (al ch. Istm problmom realiz cie experimentu je n kup difrak nej trubice a zdroja urchl'ujceho nap/tia pre ich pomerne vysok cenu. Trubica je opatren 5uorescen nm tienidlom. Vrobca ud va polomer gule R = 65 mm. Na katedre je k dispozcii aj potrebn zdroj urchl'ujceho nap/tia elektr+nov do 5 kV. Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

357

Experiment realizujeme v r mci predn ok z fyziky mikrosveta ako demon tra n experiment (obr. 1), ale je vhodn aj na pouitie v r mci fyzik lneho praktika. V (al om predklad me stru n anot ciu a re lne prevedenie tohto experimentu.

;;; ;; ;; ; Obr. 1

Elektr+ny emitovan zo eravenej kat+dy a urchlen urchl'ujcim nap/tm Ua zskavaj rchlos

v=

r 2eU

a m

(1)

omu zodpoved de Broglieho vlnov d0ka dan vzahom

=

h : 2meUa

p

(2)

Pri pouvanch uchl'ujcich nap/tiach (do 5 kV) m.eme relativistick hmotnos elektr+nu nahradi jeho pokojovou hmotnosou s chybou pribline 0,5 %. 358


Elektr+ny s de Broglieho vlnovou d0kou ur enou vzahom (2) po prechode cez f+kusa n zariadenie dopadaj vo forme monochromatickho l a na polykry talick gra"tov f+liu, ktor tvor difrak n mrieku (obr. 2). V polykry talickom gra"te je v/zba medzi jednotlivmi vrstvami poru en , preto ich orient cia je n hodn . V d.sledku toho elektr+nov l

je roztiahnut do tvaru kuel'a, preto na 5uoprescen nom tienidle sa objavia dve koncentrick krunice sstreden okolo neohbanho elektr+novho l a. Priemer tchto krukov sa men s vlnovou d0kou z vislou od nap/tia Ua podl'a vzahu (2), pri om pre obidva krky je splnen podmienka difrakcie na gra"tovej do ti ke 2d sin # = n

;; ; ;

(3)

kde d je vzdialenos at+movch rovn gra"tu a # difrak n uhol, n = = 1 2 3 : : :

Obr. 2

Zo vzahu (3) vidie, e interferen n obraz sa vytvor len vtedy, ak sa dr hov rozdiel rovn celo selnmu n sobku . Ak dopadaj elektr+nov l e na gra"tov f+liu, vdy existuje tak uhol #, ktor sp0a podmienku (3), v d.sledku l'ubovol'nho usporiadania mikrokry t lov gra"tu. V etky takto odrazy vytv raj kuelovit tvar so spolo nou osou. Fluorescen n tienidlo predstavuje rez tmto tvarom, preto ohban elektr+nov l e Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

359

tvoria sstredn krunice okolo neohbanho l a (pozri obr. 3 a 4). Takto zskan obrazce nazvame elektronogramy. Braggov uhol sa d ur i z polomeru interferen nho krku, ale treba ma na pam/ti, e uhol devi cie (odchlenia) = 2#.

; ; ;; ; Obr. 3

Obr. 4

Zo schematickho n rtu na obr. 3 mono psa sin 2 = Rr 360


resp.

sin 2 = 2 sin cos = 2 sin = Rr

nakol'ko vzhl'adom na mal uhly cos = 1. Vzhl'adom na vy ie uveden vzahy pre mal difrak n uhol # plat: sin = sin 2# = 2 sin # = 2rR . Zo vzahu (3) po dosaden dostaneme

exp. = 2rd Rn :

(4)

Nakol'ko vrobca ud va pre oba krky difrakcie prvho r du (n = 1) vzdialenosti at+movch rovn d1 = 213 10;10 m, resp. d2 = 123 10;10 m, mono po odmeran polomerov krkov na 5uorescen nom tienidle r1 = = 105 mm, resp. r2 = 190 mm, podl'a vzahu (4) vypo ta meran exp. = 177 10;12 m. Ak pomocou vzahu (2) vypo tame teoret. = = 174 10;12 m, pouitm hodnoty napr. Ua = 495 kV nastavenej pri meran, dost vame sa k priamej konfront cii vel'kosti experiment lne nameranej de Broglieho vlnovej d0ky elektr+nov a vypo tanej hodnoty z de Broglieho vzahu (2). Zo zistenej dobrej zhody, exp. = 177 10;12 m teoret. = 174 10;12 m, m.eme povaova overenie platnosti de Broglieho vzahu za potvrden.

Zver

Zo sksenosti m.eme kon tatova, e popsan experiment tudentov zaujma a s nm nad en, nakol'ko m.u priamo pozorova jav, ktor je dos ako n zorne predstavitel'n a ani samotn experiment nepatr do skupiny bench klasickch, tradi nch fyzik lnych experimentov. To, e v tomto experimente ide skuto ne o difrakciu elektr+nov, mono n zorne uk za pomocou malho permanentnho magnetu, nakol'ko jeho priblenm k elektronogramom sa ich tvar okamite deformuje (obr. 5), o dokazuje ich elektr+nov p.vod. N zorne mono uk za aj zmenu vlnovej d0ky de Broglieho v0n elektr+nov zmenou urchl'ujceho nap/tia, o umouje pouk za aj na vel'mi jednoduch sp.sob f+kus cie elektr+novch v0n, o sa vyuva napr. v elektr+novej mikrosk+pii. Matematika - fyzika - informatika 18 2008/2009

361

;; ; Obr. 5

Literatra 1] Simonyi K.: A zika kult rt!rtnete. Gondolat Kiad". Budapest 1986. ISBN 963 281 583 1 2] General Catalogue Physics: Atomic and Nuclear Physics (555 17 Electron beam di#raction tube) Leybold Didactic GMBH, 1992. 3] http://www.leybold-didactic.de/phk/produkte.asp?Natur=1, VP6.1.5 Dualismus von Welle und Teilchen 4] http://www.artemis-ucebnipomucky.cz Predlo&en prspevok vznikol v r mci rieenia grantovho projektu KEGA . 3/3182/05.

362


pi dy, kter se uskute n od 11. do 19. ervence U zrodu obou t chto spolu souvisej c ch sout st l prof. RNDr. Rostislav Ko l, profesor fyziky na V

Recommend Documents