„Rozbili jsme atom!“

Tento radostný výkřik zazněl v ulicích starobylého univerzitního města Cambridge v roce 1932 z úst Sira Johna Douglase Cockcrofta, když spolu s fyzikem Ernestem Thomasem Sintnem Waltonem na fluorescenčním stínítku mikroskopu zjistili přeměnu jádra lithia na dvě jádra helia.

Co předcházelo

Anglický fyzik a chemik lord Ernest Rutherford, plným titulem The Lord Rutherford of Nelson (1871-1937), jeden z prvních nositelů Nobelovy ceny za chemii (1908), triumfoval nejen první uměle vyvolanou jadernou reakcí (1911), ale rovněž založením slavné mezinárodní školy fyziků a chemiků. Ti pokračovali v jeho celoživotní vědecké práci úzce související s objevováním vlastností mikročástic projevujících se v makrosvětě radioaktivním zářením a přeměnami prvků. Atmosféra ve světově proslulé Cavendishově laboratoři v Cambridgi, tehdy nejvýznamnějším středisku kvalitního jaderného výzkumu, byla ryze tvůrčí. Za hlavní prostředek veškeré práce považoval Rutherford jasnost a jednoduchost myšlení. Pokud bylo třeba při experimentech něco měřit a výsledky statisticky zpracovávat, zadával tuto práci obvykle studentům, kteří údajně neznali účel pokusů, nevěděli, jaké výsledky se očekávají a byli tedy nezaujatí. Traduje se, že nikdy při tomto způsobu organizace práce nedošlo k chybám.

Ernest Thomas Sinton Walton jedním z „chlapců“ Ernesta Rutherforda

Jedním z mnoha Rutherfordových „chlapců“, jak zdánlivě přísný „šéf“, avšak ve skutečnosti nesmírně starostlivý vědec a učitel říkal svým studentům (mnohdy budoucím nositelům Nobelových cen, jako byl Bohr, Chadwick, Hahn, Appleton, Blackett, Powel, Kapica), byl také irský doktorand Ernest Thomas Sinton Walton. Přišel do slavné Cavendishovy laboratoře v době, kdy se zde vášnivě pracovalo na umělých proměnách chemických prvků a hledaly se nové zdroje „střel“, kterými by bylo možné „rozbít“ atomové jádro. Toto alchymistické nadšení počátku dvacátého století se zmocnilo i jeho a určilo Waltonovu další celoživotní vědeckou dráhu. Její výsledky, zejména rozpracování nových metod urychlování různých základních částic s cílem vyvolat umělé jaderné reakce a proměny chemických prvků (v alchymii transmutace obyčejných kovů na zlato), měly zásadní význam pro rozvoj jaderné fyziky v období druhé poloviny minulého století.

Syn faráře prokázal Einsteinův vztah hmoty a energie

Narodil se v roce 1903 v irském přímořském městě Dungarvanu (hrabství Waterford na jihu země) v rodině faráře metodistické církve. Již na gymnáziu vynikal v hodinách matematiky a fyziky, po ukončení gymnázia studoval tyto vědy na Trinity College (kolej Nejsvětější Trojice založená anglickou královnou Alžbětou I. v roce 1591) v irské metropoli Dublinu. Vzhledem k velmi dobrému prospěchu byl přijat k dalšímu studiu do prestižní Cavendishovy laboratoře, kde se záhy zaměřil na bádání v oblasti tehdy aktuální experimentální jaderné fyziky.

V roce 1932 experimentálně prokázal platnost Einsteinova vztahu E = m.c². Šlo o první výsledek jeho celoživotní spolupráce se Sirem Johnem Douglas Cockcroftem (1887-1967), pozdějším profesorem na univerzitě v Cambridgi a ještě později ředitelem Britského ústavu pro výzkum jaderné energie v Harwellu. Sám Einstein po čase vždy svým oponentům kategoricky prohlašoval: „Hmota a energie se podle této rovnice rovnají a v roce 1932 to empiricky prokázali Cockcroft a Walton.“ V roce 1951 pak spolu získali Nobelovu cenu za fyziku, která ocenila jejich objevné práce o přeměně atomových jader urychlenými částicemi a konstrukci jejich generátoru, dnes nazývaného Cockcroft-Waltonův generátor či CW generátor.

V roce 1934 se Walton vrátil zpět do Dublinu na Trinity College, kde se stal vedoucím katedry fyziky. V roce 1946 byl jmenován profesorem experimentální fyziky a působil zde až do důchodu v roce 1974. Zemřel před dvaceti lety v roce 1995 v Belfastu (Severní Irsko).

Jak urychlit elementární částice

Ernest Thomas Sinton Walton se ve své vědecké práci změřil na experimenty zkoumající možnosti urychlovat elementární částice. Zpočátku se zabýval nepřímými metodami získávání rychlých částic pomocí lineárního urychlovače s napětím až 750 kV. V dalším období již spolupracoval s Cockcroftem na principiálně novém typu urychlovače. V letech 1930 až 1932 společně v Cavendishově laboratoři zkonstruovali kaskádový generátor (v principu se jedná o násobič napětí, který střídavé napětí mění na stejnosměrné o několikanásobně vyšší hodnotě). Tato aparatura byla původně sestavena ze skleněného válce, vakuových trubic a autobaterií. Tímto primitivním zařízením se protony získané z plynného vodíku urychlovaly na energii 800 tisíc elektronvoltů do té míry, že mohly vniknout do jader lehkých prvků. Ostřelovali jádra lithia (správně předpokládali, že tam protony proniknou nejsnáze) a podařilo se vyvolat jadernou reakci. Jejím výsledkem byla přeměna jádra lithia na dvě jádra helia. Vlastní proces této přeměny bylo možné sledovat v mikroskopu na fluorescenčním stínítku. Vypráví se, že jinak tichý a málomluvný Cockcroft vyběhl z laboratoře ven až na ulici a radostně křičel: „Rozbili jsme atom! Rozbili jsme atom!“ A měl pravdu. Podařilo se uskutečnit první jadernou reakci dosaženou uměle urychlenými částicemi, a to bez použití vzácných radioaktivních prvků.

Waltonův a Cockcroftův kaskádní generátor umožnil nové experimentální postupy

Konstrukce Waltonova a Cockcroftova kaskádního generátoru měla zásadní význam pro jadernou fyziku odhalením nových experimentálních možností. Díky němu vědci vyráběli mimo jiné do té doby neznámá atomová jádra. A nejen to, generátor otevřel i novou kapitolu v dějinách fyziky změnou přístupu ke konstruování fyzikálních přístrojů, vzhledu klasických fyzikálních laboratoří i změnou vztahu fyziky k průmyslu. Vznikla celá vývojová řada částicových urychlovačů, které se v průběhu času změnily ve velmi nákladné gigantické přístroje, jaké jsou dnes například v Evropském středisku jaderného výzkumu (CERN) v Ženevě nebo v Brookhavenské Národní laboratoři na Long Islandu poblíž New Yorku.

Další vývoj se však vydal jinou cestou. Vznikly urychlovače, které ke své činnosti tak vysoké elektrické napětí nepotřebují. To však nikterak nesnižuje přínos dvojice britských vědců k rozvoji jaderné fyziky.