Hans Jensen: spolutvůrce slupkového modelu atomového jádra

Ačkoliv se některým lidem (bohužel i některým politikům) jeví jako neužitečný, zdrojem veškerého pokroku lidské společnosti vždycky byl a je základní výzkum a jeho nositelé. Kupodivu to názorně vystihnul bývalý francouzský president Nicolas Sarkozy: "Bez základního vědeckého výzkumu nemohou přijít žádné nové aplikace. Koneckonců, elektřina ani žárovka nebyly vynalezeny postupnými inovacemi svíčky." V historii vědy a techniky se mnohdy stávalo, že se jednotliví badatelé vynořili na různých místech a ve stejném čase, zcela nezávisle na sobě, se shodnými tvůrčími myšlenkami, hypotézami, projekty a pokročilejší technikou. Obvykle se to vysvětluje tím, že žili v době, kdy již dospěla úroveň poznání k nutnosti přijít s novými objevy a vynálezy na svět. Platí to také v případě objevu slupkové struktury atomového jádra, který zcela nezávisle na sobě učinili v letech 1948-1950 dva vědci a budoucí nositelé Nobelovy ceny: americká fyzička polského původu Marie Goeppert-Mayerová (1906 - 1972) a německý fyzik J. Hans D. Jensen (1907 - 1973), od jehož narození letos uplynulo 110 let.

Ačkoliv byli oba vědci vrstevníky (narodili se a zemřeli rok po sobě ve věku 66 let), jejich životní osudy v Evropě sevřené v první polovině 20. století fašismem a nacismem byly rozdílné. Vzhledem k přijetí norimberských rasových zákonů (1935) a předválečné vlně antisemitismu po nástupu Hitlera k moci v Německu a později také v okupovaných evropských zemích, značná část významných fyziků a matematiků - většinou židovského původu - emigrovala, především do USA a Velké Britanie (Goeppert-Mayerová, Einstein, Bohr, Fuks, Teller, Bothe, Segrè, Hertz, Gabor, Fermi, von Neumann, Stern, Weyl, Rabi, Schrödinger, Hevesy, Herzberg, Franck, Pauli, Wigner a desítky dalších vědců, kteří představovali značnou část elity evropské vědecké obce). Nicméně řada vynikajících fyziků a chemiků, kteří ve vědě již něco znamenali, z nejrůznějších důvodů hitlerovské Německo neopustila; někteří se v letech 1939-1945 zapojili do dalšího teoretického a experimentálního výzkumu na půdě tzv. Uranového klubu, jiní se "rozumně" mlčenlivě přizpůsobili nacismu (Jansen, Heisenberg, W. Bothe, Nernst, Planck, von Laue, Wirtz, Korsching, Harteck, Hahn, Gerlach, von Weizsäcker, Geiger, Meissner, Bagge, Diebner a další badatelé a technici), kteří se později u poválečných denacifikačních soudů svorně nacistickými vědci necítili. V prosinci 1946 napsal Albert Einstein dopis Arnoldu Sommerfeldovi, kde se také vyslovuje k těmto citlivým otázkám: "Poté, co Němci zmasakrovali mé židovské bratry v Evropě, nemám už s Němci co do činění... Kromě těch několika, kteří zůstali v rámci možností čestní". Mezi čestné Němce počítal vedle Otto Hahna, Maxe von Laue, Maxe Plancka a Arnolda Sommerfelda také Hanse Jensena.

Německý jaderný program

Ironií osudu zůstává skutečnost, že se o první jadernou bombu na světě zasloužili značnou měrou ti, které donutil k emigraci předválečný německý antisemitismus. Přitom před druhou světovou válkou měli němečtí vědci v jaderném výzkumu před zbytkem světa značný náskok, což zprvu platilo i v období Třetí říše, ve které probíhal rozsáhlý a velmi úspěšný jaderný program. Oficiální poválečná historie celá desetiletí tvrdila, že nacistický jaderný výzkum se nacházel v žalostném stavu. Přibývá ale indicií, že tomu tak nebylo. Právě mozkový potenciál zbývajících německých fyziků přiměl Alberta Einsteina již v srpnu 1939 k napsání slavného dopisu americkému presidentovi Rooseveltovi o válečných účincích atomové energie, který záhy odstartoval projekt Manhattan vedoucí k první atomové zbrani na světě.

Kapkový model atomového jádra

První teorie struktury atomového jádra, vypracovaná koncem třicátých let minulého století dánským teoretickým fyzikem, myslitelem a nositelem Nobelovy ceny za fyziku pro rok 1922 (za příspěvky k pochopení struktury vodíku na základě kvantových představ) Nielsem Bohrem (1885 - 1962) a dalšími vědci z tzv. kodaňské školy, byla teorie kapkového modelu. Zjednodušeně řečeno, představovala jádro jako "kapku husté homogenní kapaliny". Tato dlouho obecně přijímaná teorie sice poskytovala odpověď na řadu otázek týkajících se podstatných jevů v oblasti nukleární fyziky a stala se mostem mezi světem věku atomové struktury a světem kvantové teorie, ale přesto se dostávala do rozporu s několika experimentálně zjištěnými skutečnostmi. A právě zde se v našem vyprávění ocitáme u hlavního protagonisty.

Jak vyvinout strašlivou zbraň

Johannes Hans Daniel Jensen se narodil 15. června 1907 v severoněmeckém přístavním městě Hamburgu v rodině zahradníka. Mezi lety 1926 a 1931 studoval fyziku, matematiku, fyzikální chemii a filozofii na jedné z nejstarších a špičkových německých univerzit ve Freiburgu (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) a na univerzitě v rodném Hamburgu, kde získal v roce 1932 doktorát z fyziky (Ph. D, Dr. rer. nat.) a v roce 1936 se zde habilitoval (Dr. habil.). V roce 1937 začal přednášet jako soukromý (neplacený) docent na své alma mater a tehdy také začal spolupracovat s profesorem Paulem Harteckem (1902-1985), ředitelem fyzikálně-chemického oddělení. Tento světově proslulý vědec a jeho asistent dr. Wilhelm Groth upozornili již 24. dubna 1939 dopisem říšské ministerstvo války na možnost vyvinout novou, strašlivou zbraň. Předcházela tomu geniální Harteckova myšlenka na spoutání jaderné energie: řídit její uvolňování pomocí neutronů, jejichž zpomalení bylo tehdy technicky možné díky silným moderačním účinkům těžké vody (oxidu deuteria, D₂O). Zde je nutno připomenout, že to bylo pouze několik měsíců od objevu štěpné jaderné reakce, při níž dochází k rozbití jádra nestabilního atomu vniknutím cizí částice (většinou neutronu) za uvolnění obrovského množství energie.

Obohacování uranu

Objev jaderného štěpení uranu ²³⁵U uskutečnili roku 1938 němečtí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann v berlínském Ústavu císaře Viléma. Ihned na začátku druhé světové války 1. září 1939 se Harteck "prozíravě" zapojil do vědecké práce v německém jaderném programu a dá se říci, bohužel, zapojil do ní i svého kolegu Jensena, odsouzeného tak k mlčenlivému přizpůsobení se nacismu. V rámci společného studia poměrně značně obtížného oddělování hlavních izotopů radioaktivního prvku uranu ²³⁸U a ²³⁵U zkonstruovali dvojitou odstředivku o vysokých otáčkách umožňující na základě rozdílu v hmotnostech „obohacovat“ odstředěnou část těžším, nezajímavým izotopem ²³⁸U a tím obohacovat zbytek lehčím cenným ²³⁵U; tento systém je dodnes průmyslovým zdrojem obohaceného uranu.

Jensen profesorem

V letech 1941 až 1948 působil jako profesor teoretické fyziky na technice v Hannoveru a od roku 1949 na nejstarší německé univerzitě v Heidelbergu (Ruprecht-Karls-Universität), kde působil jako řádný, od roku 1969 emeritní profesor až do svého úmrtí 11. února 1973. Několikrát pobýval jako hostující profesor na významných amerických univerzitách: Universita of Wisconsin (1951), Institute of Advanced Study, Princeton (1952), University of California, Berkeley (1952), California Institute of Technology (1953), Indiana University (1953), University of Minnesota (1956) a University of California, La Jolla (1961). V roce 1955 napsal ve spolupráci s profesorkou Mayerovou jedno ze základních děl v oboru jaderné fyziky Elementary Theory of Nuclear Shall Structure. V letech 1955 až 1973 působil jako editor ve významném fyzikálním časopise Zeitschrift für Physick.

Slupkový model jádra

Na počátku své vědecké dráhy se věnoval problémům jaderné spektroskopie a studiu atomových jader. Pomocí speciálních spektroskopů našel určité rozpory mezi tehdy obecně přijímaným Bohrovým kapkovým modelem atomového jádra a experimentálně zjištěnými údaji. Tento model především neuměl vysvětlit jaderná magická (protonová) čísla vysoce stabilních izotopů: 2; 8; 20; 28; 50; 80; 126... Připomínají kvantová čísla obsazování energetických hladin v atomu. Vycházeje z principů kvantové teorie, navrhl v roce 1949 nový, slupkový či hladinový model jádra, kde jsou jednotlivé hladiny energie postupně obsazovány nukleony při zachování Pauliho principu. Za objevy slupkové struktury mu byla v roce 1963 spolu s Goeppert-Mayerovou udělena Nobelova cena za fyziku; druhou polovinu obdržel americký fyzik maďarské národnosti Eugene Paul Wigner (1902 - 1995) za teoretické práce v oboru jaderné fyziky (za použití teorie symetrie).

Hra s čísly

Objev hladin energie v atomovém jádře a nový slupkový model se staly odrazovým můstkem pro ostatní jaderné fyziky při zkoumání zákonitostí submikroskopického světa atomů. Není snad bez zajímavosti, že ačkoliv Jensen svoje myšlenky teoreticky propracoval, renomované světové fyzikální časopisy mu jeho práce odmítaly uveřejnit s odůvodněním, že to není fyzika, ale pouze hra s čísly. Novou teorii mu pomohl prosadit - trochu paradoxně - až velikán fyziky 20. století Niels Bohr svou jednoznačnou podporou.

"Obsah vědy se dá nepochybně pochopit a posoudit i bez znalosti individuálního vývoje těch, kdo ji vytvořili. Ale při takovém jednostranném objektivním vylíčení vypadají jednotlivé kroky jako náhodné. Pochopení, jak byly tyto kroky možné, ba nutné, získá člověk teprve sledováním duševního vývoje jednotlivců, kteří měli na vývoji vědy rozhodující účast." (A. Einstein)

Použitá knižní literatura:

Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Bratislava: Obzor 1971.

Calaprice, A. (ed.): To nejlepší z Einsteina. Praha: Nakladatelství Pragma 1998.

Cornwell, J.: Hitlerovi vědci. Věda, válka a ďáblův spolek. Praha: BB/art 2005.

Craughwell, T., J.: Nejznámější vědci ve službách války. Frýdek-Místek: Alpress 2011.

Knopp, G.: Hitlerovi pomocníci. Praha: Pragma 1998.

Kraus, I.: Století fyzikálních objevů. Praha: Academia 2014.

Kraus, I.: Fyzika v kulturních dějinách Evropy. Atomový věk. Praha: Nakladatelství ČVUT 2010.

Pacner, K.: Géniové XX. století. Kniha druhá. Praha: Motto 2016.

Sodomka, L., Sodomková, M., Sodovková, M.: Kronika Nobelových cen. Praha: Euromedia Group 2004.

(tes): Hans Jensen - spolutvůrce modelu atomového jádra. Elektrotechnika v praxi, č. 7/2007.

Weinlich, R.: Laureáti Nobelovy ceny za fyziku. Olomouc: ALDA 1998.