Louis Néel - osobnost v historii magnetismu a fyziky pevné fáze

To, co víme o světě, je výsledek lidské zvídavosti, touhy po pochopení příčin, nápaditosti a vytrvalosti. Mnoho vynikajících významných osobností zasvětilo v dějinách lidského pokolení svůj život bádání a víře, že nic není důležitějšího pro lidský pokrok, než znalosti získané prostřednictvím vědy a její technické aplikace. Vědecké poznání je nejen nekonečné, ale zároveň exponenciálně narůstá. Podle některých průzkumů se celkový objem vědeckých a technických poznatků každých deset let zdvojnásobuje. Navíc platí, že ve vědě více než v kterémkoliv lidském oboru je třeba prozkoumat minulost a prostudovat všechno, co bylo v jednotlivých oblastech objeveno. Poučení můžeme hledat i v díle francouzského fyzika Louise Eugéna Félixe Néela, který se v minulém století trvale zapsal do dějin studia magnetismu a fyziky pevné fáze a od jehož narození uplynulo letos 110 let.

Nejprve peregrinus – poutník

Prvním významným souborným pojednáním o magnetismu byl ve středověku spis francouzského šlechtice, učence a důstojníka ve službách krále Ludvíka IX. Pierre de de Maricourt zvaného „Peregrinus“ (poutník). Během obléhání jihoitalského města Lucera francouzskou armádou napsal v roce 1269 formou dopisů spisek Dopis o magnetu (Epistola de Magnete). Traktát se téměř po tři století vyskytoval jen v ručně opisovaných exemplářích. Po vynálezu knihtisku byl poprvé vydán v Augsburku v roce 1538. Peregrius se tehdy zabýval myšlenkou sestrojení perpetua mobile, k čemuž chtěl použít magnetovce. Proto studoval vše, co bylo známo v této době o magnetismu a tyto poznatky vložil do třetí části svého pojednání. Obsahuje například výklad bipolární povahy magnetů (magnetitu nebo zmagnetovaného železa), popis vzájemného působení pólů i vlastní zkušenost, že rozpůlením magnetu vzniknou dva nové magnety, každý opět se dvěma póly. Radí také, jak a z čeho dobrý magnet vyrobit. Ve středověku bylo toto dílo velmi uznávané a zřejmě také inspirovalo na přelomu 16. a 17. století londýnského lékaře Williama Gilberta (1544-1603) ke studiu magnetických a elektrických jevů, díky kterému vstoupil do dějin přírodních věd. Svoje experimentální výzkumy shrnul v latinsky psané knize O magnetu (De Magnete), která vyšla v Londýně v roce 1600. Byla vlastně prvním vědeckým pojednáním o elektřině a magnetismu a stala se východiskem pro řadu dalších badatelů a hybnou silou jejich dalšího zkoumání. Hypotézy o podstatě magnetismu měly zvláště v první polovině 17. století povahu nejasnou až mystickou a nebyl učiněn žádný vážný pokus o to, nalézt kvantitativní působení magnetických sil. Z učených mužů té doby, kteří se zajímali o magnetismus nebo se mu okrajově věnovali, jmenujeme Galileo Galilea, Johannese Keplera, Athanasia Kirchnera (jako první použil pojem „elektromagnetismus), Josepha Glanwilla, Herryho Gellibranda či astronoma Edmonda Halleyho.

Hypotézy 18. století

Počínaje 18. stoletím se s elektřinou a magnetismem experimentovalo téměř ve všech vyspělých zemích Evropy. Velmi důležitá pro rozvoj dalšího výzkumu byla technická řešení problémů spojených s generováním či uchováváním elektrického náboje a magnetismem (třecí elektrika, leidenská láhev, umělý magnet). Téměř po celé 18. století vznikají nejrůznější hypotézy pro vysvětlení magnetických jevů (Euler, Symmer, Brugmans Lomonosov, Aepinus, Wilcke aj.). Zde je třeba zdůraznit, že přes často publikované tušení souvislosti mezi elektřinou a magnetismem zůstávala i po celé 18. století ve vědeckém světě ve všeobecné platnosti Gilbertova doktrína o vzájemné nesouvislosti elektřiny a magnetismu.

V roce 1820 objevil dánský fyzik Hans Christian Oersted (1777-1851) elektromagnetický jev, který zásadním způsobem ovlivnil další teoretický i experimentální výzkum elektřiny a magnetismu. Jednou provždy spojil vědu o elektřině s vědou o magnetismu. Oerstedův objev vzbudil mimořádný ohlas a odstartoval další intenzívní bádání. Mezi jeho pokračovatele patří například Biot, Savart, Laplace, Ampéŕe, Arago, Weber, Neumann, Joule a řada dalších vědců v oblasti elektrodynamiky, teorie elektrických obvodů, matematické teorie elektrických a magnetických polí či vývoje elektrických měřicích přístrojů.

Na skutečné vědecké vysvětlení magnetismu se muselo čekat až do minulého století. Základní a nosné objevy v oblasti magnetismu jsou spjaty s osobností Louise Néela.

Profesorem obecné fyziky

Louis Néel se narodil 22. listopadu 1904 v Lyonu. Po absolvování zdejšího lycea studoval v letech 1924-1928 fyziku na École normale supérieure a později na univerzitě ve Štrasburku u profesora Pierra Ernesta Weisse (1865-1940), zakladatele světoznámé školy moderního magnetismu. Na počátku její historie stojí Piérre Curie, kterému zkoumání magnetismu přineslo uznání prvních výsledků vědecké práce. Ve své disertační práci roku 1895 předložil zjištění, že magnetizace paramagnetické látky je nepřímo úměrné teplotě, feromagnetické vlastnosti látek vždy zanikají při určité teplotě (Curieova teplota). Tím také svoje angažmá v této oblasti fyziky ukončil – zřejmě předčasně – a v jeho slibně započatých výzkumech pokračoval jeho přítel Piérre Weiss.

Po něm poznávání zákonitosti tohoto přírodního jevu převzal Luis Néel. Ten vypracoval a v roce 1937 obhájil ve Štrasburku doktorskou disertaci na téma vlivu fluktuace molekulového pole na magnetické vlastnosti látek a stal se zde profesorem obecné fyziky. Souběžně pracoval ve Výzkumném středisku námořnictva (1939), kde se mu podařilo nalézt nový způsob ochrany proti magnetickým minám. Ve válečném roce 1940 začal působit na Univerzitě Josepha Fouriera v Grenoblu, proslulém univerzitním městě na úpatí francouzských Alp, kde vybudoval laboratoř pro studium magnetismu. V této laboratoři poté uskutečnil většinu svých významných objevů.

Přijetí u prezidenta Tomáše G. Masaryka

V letech 1946-1956 pracoval jako ředitel laboratoře elektrostatiky a fyziky kovů, v roce 1956 založil Středisko jaderných výzkumů a do roku 1971 zastával významné místo jeho ředitele. Také jeho zásluhou se stal Grenoble významným mezinárodním centrem atomového výzkumu. Byl zvolen členem francouzské Akademie věd a dostalo se mu řady dalších významných ocenění doma i v zahraničí. Zemřel v úctyhodném věku 96 let v Grenoblu 17. listopadu 2000.

Z jeho dlouhého života bude pro čtenáře zajímavá i skutečnost, že jej v roce 1925 ještě jako studenta spolu s již váženým teoretickým a experimentálním fyzikem Paulem Langevinem přijal na pražském hradě jako představitele francouzské vědy president Tomáš Garigue Masaryk.

Nobelova cena za fyziku

Ačkoliv zastával celou řadu významných časově náročných společenských a řídicích funkcí, nikdy nepřestal vědecky pracovat. Již ve své doktorské práci se věnoval některým myšlenkám, které měly vliv na jeho pozdějších více než 200 původních prací, týkajících se problémů antiferomagnetismu, ferimagnetismu a vlastností feritů. Většina z nich je věnována teoretickým základům nutným pro pochopení pozorovaných jevů. Již v roce 1930 poprvé vysvětlil domněnku o existenci magnetického chování zvaného antiferomagnetické v protikladu k feromagnetismu. Toto chování mizí nad určitou teplotou zvanou Néelova teplota (je analogií k Curieově teplotě pro ferromagnety a ferimagnety), kdy se stávají paramagnetickými (např. hliník, báryum, vápník, mangan, kyslík, síran měďnatý, chlorid železitý aj.). Pro úplnost ještě dodejme, že diamagnetické látky jsou složeny z částic (atomů), jejichž výsledný magnetický moment je nulový (uhlík, bizmut, měď, síra, voda aj.).

K dalším Néélovým úspěchům patří teorie magnetismu v malých částicích a její aplikace na geomagnetismus, teorie ferimagnetismu (1948), teorie magnetického zpožďování (1952) a lokálního anisotropního uspořádání (1954) a teorie hysteresních jevů.

Spíše jako ocenění celoživotního díla než převratnosti jeho objevů mu byla v roce 1970 udělena Nobelova cena za fyziku (společně se švédským astrofyzikem H. Alfvénem) za základní výzkum a objev ferimagnetismu a antiferomagnetismu a jejich důležité aplikace (ferity) ve fyzice pevných látek.

Zdroje

Goldsmith, M.: Vědci a jejich tajemství. Brno 2012.

Heřman, J.: Od jantaru k tranzistoru. Elektřina a magnetismus v průběhu staletí. Praha 2006.

Kraus, I.: Fyzika od Thaléta k Newtonovi. Praha 2007.

Mayer, D.: Pohledy do minulosti elektrotechniky. České Budějovice 1999.

Objevy&Vynálezy. Světová kronika. Dobřejovice 2005.

Sodomka, L. aj.: Kronika Nobelových cen. Praha 2004

Štoll, I.: Dějiny fyziky. Praha 2009.

Z historie zkoumání magnetického pole

Ačkoliv člověk svými smysly nedokáže magnetické pole vnímat, jeho existenci objevil již v 5. století př. n. l. Některé magnetické jevy byly známy už ve starověku v období antiky. Patrně první písemnou zprávu o nich přináší řecký filozof, matematik a fyzik Thales z Milétu (podle některých pramenů žil asi v létech 624 až 543 př. n. l.), jehož výklad vzniku a uspořádání hmotného světa byl poprvé založen na pozorování přírodních jevů. Přisuzován je mu název „magnet“, odvozený (snad) od jména osady Magnésia v maloasijské Lýdii na řece Hermos s bohatými nalezišti železné rudy (magnetovce). Římský filozof, spisovatel a politik Lucius Annaeus Seneca Mladší (jeho kompilační spíše popularizační než vědecký přírodovědný sedmidílný spis Otázky přírodní filozofie byl využíván ve středověku jako učebnice fyziky), Titus Lucretius Carus (1. stol. př. n. l., hlavní dochovanou prací je šestidílná didakticko-epická báseň O přírodě) a polyhistor Plinius Starší (autor 32 svazků díla Přírodní historie) se zmiňují o některých magnetických projevech. Již na počátku našeho letopočtu Číňané používali magnetickou střelku k námořní navigaci a objevili magnetickou deklinaci.

Feromagnetismus

Vlastnost některých kovů (zejména železa, niklu a kobaltu, určitých sloučenin manganu a vzácných zemin) vykazovat mnohonásobně vyšší schopnost magnetování než ostatní látky, je označována jako feromagnetismus. Jeho podstatou je podle teorie (využívající kvantovou mechaniku) německého fyzika a nositele Nobelovy ceny Wernera Heisenberga spontánní uspořádání magnetických (spinů) určitých (volných) elektronů ve vnitřních elektronových slupkách v atomech dané látky, a to zejména v malých oblastech (magnetické domény). Ve vnějším magnetickém poli se momenty v jednotlivých doménách postupně při zesilování pole natáčejí do směru tohoto pole až do stavu nasycení. Antiferomagnetismus nebo ferimagnetismus jsou typy magnetického uspořádání, kdy jednotlivé magnetické momenty jsou zcela nebo částečně navzájem antiparalelní. Celkový magnetický moment antiferomagnetické látky v nulovém vnějším magnetickém poli je nulový.