Zdziwienia w mechanice kwantowej
Ze szkoły wiemy, że elektron jest elementem atomu. Uczymy się też, że elektrony krążą wokół jądra niczym planety dookoła Słońca. Później okazuje się, że to nie do końca jest prawda, a zachowanie elektronów w atomie jest dużo bardziej skomplikowane. A wszystko dlatego, że elektron jest nie tylko cząstką, ale także falą. I tutaj może nastąpić pierwsze zdziwienie. W otaczającej nas rzeczywistości nie obserwujemy takich dwoistości. Mamy do czynienia albo z obiektami o skończonych rozmiarach – cząstkami, albo z falami, które mogą być nieskończone.
Zanim zaczęto traktować elektrony jak obiekty o własnościach zarówno cząsteczkowych jak i falowych pierwszy był foton. Fotony, czyli kwanty albo porcje światła okazały się niezbędne przy wyjaśnianiu zjawiska fotoelektrycznego polegającego na wybijaniu elektronów z powierzchni metalu. Teorię stworzył Albert Einstein, za co otrzymał w roku 1921 Nagrodę Nobla, zakładając, że światło składa się z „pocisków” – fotonów – a jednocześnie jest falą elektromagnetyczną o określonej częstotliwości. To fotony podczas zderzeń z elektronami metalu przekazują im energię konieczną do opuszczenia jego powierzchni.
Ze szkoły wiemy, że elektron jest elementem atomu. Uczymy się też, że elektrony krążą wokół jądra niczym planety dookoła Słońca. Później okazuje się, że to nie do końca jest prawda, a zachowanie elektronów w atomie jest dużo bardziej skomplikowane. A wszystko dlatego, że elektron jest nie tylko cząstką, ale także falą. I tutaj może nastąpić pierwsze zdziwienie. W otaczającej nas rzeczywistości nie obserwujemy takich dwoistości. Mamy do czynienia albo z obiektami o skończonych rozmiarach – cząstkami, albo z falami, które mogą być nieskończone.
Zanim zaczęto traktować elektrony jak obiekty o własnościach zarówno cząsteczkowych jak i falowych pierwszy był foton. Fotony, czyli kwanty albo porcje światła okazały się niezbędne przy wyjaśnianiu zjawiska fotoelektrycznego polegającego na wybijaniu elektronów z powierzchni metalu. Teorię stworzył Albert Einstein, za co otrzymał w roku 1921 Nagrodę Nobla, zakładając, że światło składa się z „pocisków” – fotonów – a jednocześnie jest falą elektromagnetyczną o określonej częstotliwości. To fotony podczas zderzeń z elektronami metalu przekazują im energię konieczną do opuszczenia jego powierzchni.
Albert Einstein Louis de Broglie
Zainspirowany dualizmem cząsteczkowo – falowym światła francuski fizyk Louis de Broglie, przypisał innym obiektom cząsteczkowym – w tym elektronom – własności falowe. Liczne eksperymenty potwierdziły teorię francuskiego księcia i przyniosły mu w roku 1929 Nagrodę Nobla.
Odkrycie Louisa de Broglie’a miało także inne dalekosiężne konsekwencje. Fizyka klasyczna stworzona przez Isaaca Newtona i następców nie umiała opisać takich tworów jak falowy elektron. Konieczne były zmiany, które nastąpiły na początku XX wieku za sprawą kilku geniuszy w tym Wernera Heisenberga, Paula Diraca i Erwina Schrödingera. To oni stworzyli podwaliny pod mechanikę kwantową zdolną wyjaśniać zjawiska zachodzące w mikroświecie. A dzieją się tam rzeczy zupełnie niezwykłe. Niespotykane w naszym makroświecie.
Werner Heisenberg Paul Dirac Erwin Schrödinger
W fizyce klasycznej znane jest zjawisko dyfrakcji i interferencji. Możemy je zaobserwować zarówno dla fal rozchodzących się po wodzie jak i dla światła. W wyniku interferencji, czyli nakładania się, fale mogą ulegać wzmocnieniu bądź osłabieniu do wygaszenia włącznie. Efekty wzmocnienia dla światła jesteśmy w stanie zobaczyć na ekranie w postaci, usytuowanych na przemian, jasnych i ciemnych prążków. Dla fal wodnych widać to bezpośrednio na jej powierzchni. Zjawiska te zachodzą tylko dla ruchów falowych, w tym także dla elektronów. I nie ma w tym niczego nadzwyczajnego, ale do czasu.
Typowy układ doświadczalny do badania zjawiska interferencji możemy znaleźć w dowolnym podręczniku fizyki zajmującym falami. Do badania elektronów składa się on ze źródła elektronów, dwóch szczelin, przez które będą przepuszczane i urządzeń rejestrujących je po przejściu przez szczeliny. Wyniki eksperymentów są zgodne z oczekiwaniami. W „obrazie” interferujących fal elektronowych stwierdzamy istnienie maksimów i minimów ich natężeń. Ale!
Jeżeli na układ dwóch (!) szczelin zostanie skierowany tylko jeden elektron (!) to otrzymamy obraz interferencyjny jak dla wielu elektronów. Czy to oznacza, że elektron przeszedł przez dwie szczeliny jednocześnie? W jakiejś mierze tak. Fala elektronowa (!) przeszła jednocześnie przez dwie szczeliny! Elektron traktowany jak cząstka nie podzielił się na dwie części. Fala natomiast rozciąga się i wypełnia całą przestrzeń.
Z każdym ruchem falowym związane są drgania. W przypadku światła mamy do czynienia ze zmianami pól elektrycznego i magnetycznego. Fala akustyczna to drgania ośrodka, w którym rozchodzi się dźwięk. Ciekawym zagadnieniem jest więc odpowiedź na pytanie: co drga w fali elektronowej? Odpowiedź jest zaskakująca. Drgania dotyczą prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w danym punkcie przestrzeni. Związek fali elektronowej z prawdopodobieństwem odkrył niemiecki fizyk urodzony we Wrocławiu, laureat Nagrody Nobla, Maks Born.
Jak widać fala elektronowa jest zupełnie innym jakościowo zjawiskiem niż fale z fizyki klasycznej.
Maks Born Maria Skłodowska – Curie
Za sprawą, między innymi, naszej słynnej rodaczki Marii Skłodowskiej – Curie wiemy, że jądra niektórych pierwiastków rozpadają się i powstaje promieniowanie . Promieniowanie składa się z elektronów wyrzucanych z jader pierwiastków ulegających rozpadowi beta. Powstają one w jądrach na skutek przemiany neutronu w proton, elektron i antyneutrino. Ale jądra atomowe posiadają dodatni ładunek elektryczny, ponieważ składają się z dodatnich protonów i elektrycznie obojętnych neutronów. Tak więc, powstały w jądrze elektron jest przez to jądro przyciągany, a jednak wydostaje się na zewnątrz! Odpowiedzialny jest za to tak zwany efekt tunelowy. Z nim także w naszym świecie się nie spotykamy. Gdyby istniał w polu grawitacyjnym to moglibyśmy bez trudu wydostać się z głębokiego dołu bez konieczności wspinania się po jego brzegach. Efekt tunelowy jest zjawiskiem znanym (jak na razie) tylko w mikroświecie.
Elektron – cząstka prawdziwie elementarna
Z punktu widzenia dzisiejszej fizyki można uznać elektron za cząstkę niepodzielną i niemającą struktury wewnętrznej. Inaczej niż w przypadku protonu czy neutronu, które składają się z kwarków. Jest jednocześnie elektron najmniejszym trwałym obiektem materialnym w naszej rzeczywistości, którym możemy w miarę swobodnie dysponować. Jego masa jest niewyobrażalnie mała i wynosi około 9, 11 10-31 kg, a ładunek elektryczny jest elementarny i ma wartość 1, 6 10-19 C. Elementarność ładunku oznacza, że wszystkie większe ładunki ujemne są wielokrotnościami ładunku elektronu. Nie zaobserwowano też swobodnie występujących obiektów o ładunku, który byłby częścią ładunku elementarnego.
Odkrycie i zbadanie własności elektronu zajęło fizykom XIX i XX wieku trochę czasu i jest w dużej mierze zasługą rodziny Thomsonów: ojca Josepha Johna i syna George’a. Zarówno ojciec jak i syn za swoje badania zostali wyróżnieni Nagrodą Nobla. Nazwy elektron w stosunku do porcji elektryczności po raz pierwszy użył w 1891 roku irlandzki fizyk George Johnstone Stoney, a zrobił to z sympatii dla pewnej młodej damy o imieniu Amber, co po angielsku znaczy bursztyn, a po grecku elektron.
Dzisiejszy elektron jest cząstką materii, czyli fermionem, a to oznacza, że posiada połówkowy spin oraz podlega zakazowi Pauliego. Spin jest własnością kwantową, a zakaz Pauliego orzeka, że w układzie elektronów nie ma dwóch o tych samych liczbach
kwantowych. Z zakazu Pauliego wynika rozkład elektronów w danym atomie, który z kolei prowadzi do ich (atomów) uporządkowania w układzie okresowym pierwiastków.
Elektron – cząstka prawdziwie elementarna
Z punktu widzenia dzisiejszej fizyki można uznać elektron za cząstkę niepodzielną i niemającą struktury wewnętrznej. Inaczej niż w przypadku protonu czy neutronu, które składają się z kwarków. Jest jednocześnie elektron najmniejszym trwałym obiektem materialnym w naszej rzeczywistości, którym możemy w miarę swobodnie dysponować. Jego masa jest niewyobrażalnie mała i wynosi około 9, 11 10-31 kg, a ładunek elektryczny jest elementarny i ma wartość 1, 6 10-19 C. Elementarność ładunku oznacza, że wszystkie większe ładunki ujemne są wielokrotnościami ładunku elektronu. Nie zaobserwowano też swobodnie występujących obiektów o ładunku, który byłby częścią ładunku elementarnego.
Odkrycie i zbadanie własności elektronu zajęło fizykom XIX i XX wieku trochę czasu i jest w dużej mierze zasługą rodziny Thomsonów: ojca Josepha Johna i syna George’a. Zarówno ojciec jak i syn za swoje badania zostali wyróżnieni Nagrodą Nobla. Nazwy elektron w stosunku do porcji elektryczności po raz pierwszy użył w 1891 roku irlandzki fizyk George Johnstone Stoney, a zrobił to z sympatii dla pewnej młodej damy o imieniu Amber, co po angielsku znaczy bursztyn, a po grecku elektron.
Dzisiejszy elektron jest cząstką materii, czyli fermionem, a to oznacza, że posiada połówkowy spin oraz podlega zakazowi Pauliego. Spin jest własnością kwantową, a zakaz Pauliego orzeka, że w układzie elektronów nie ma dwóch o tych samych liczbach
kwantowych. Z zakazu Pauliego wynika rozkład elektronów w danym atomie, który z kolei prowadzi do ich (atomów) uporządkowania w układzie okresowym pierwiastków.
George Johnstone Stoney Josepha Johna Thomson George Thomson
Elektron w nauce i technice XX wieku
Zjawisko elektryzowania się bursztynu znali już starożytni Grecy. To od niego wziął nazwę elektron, a także różne gałęzie nauki i techniki zajmujące się zjawiskami związanymi z prądem elektrycznym np. elektrotechnika, elektronika czy elektrodynamika. Prąd elektryczny, bez którego nie byłoby dzisiejszej cywilizacji, to ruch elektronów w metalach i półprzewodnikach.
Praktyczne wykorzystanie własności falowych elektronu zastosowano w mikroskopie elektronowym. Ponieważ długość fali elektronu jest znacznie mniejsza od długości fali świetlnej to i powiększenie uzyskiwane w takim mikroskopie jest znacznie (np.500 000 razy) większe.
Powstanie i rozwój telewizji stał się możliwy dzięki poznaniu właściwości ruchu elektronów w polach magnetycznym i elektrycznym oraz ich oddziaływań z luminoforem, którym pokryty był od wewnątrz ekran telewizyjny tzw. lampa kineskopowa.
W 1928 roku uczeni Lothar Wolfgang Nordheim i Ralph H. Fowler podali w oparciu o efekt tunelowy wyjaśnienie zjawiska emisji polowej. Polega ono na wysyłaniu elektronów z metalowego ostrza (np. wolframowego) umieszczonego w silnym polu elektrycznym, w próżni. Odkrycie zostało wykorzystane do budowy polowych mikroskopów elektronowych, które stały się potężnymi urządzeniami w badaniach własności ciał stałych.
Uzyskane wyniki pozwoliły skonstruować – wynaleźć – wyrafinowane elementy elektroniczne takie jak dioda, tranzystor czy późniejszy układ scalony. Twórców nagradzano Nagrodami Nobla, a do użytkowników trafiały coraz bardziej nowoczesne i coraz mniejsze radia, telewizory i komputery.
Zjawisko elektryzowania się bursztynu znali już starożytni Grecy. To od niego wziął nazwę elektron, a także różne gałęzie nauki i techniki zajmujące się zjawiskami związanymi z prądem elektrycznym np. elektrotechnika, elektronika czy elektrodynamika. Prąd elektryczny, bez którego nie byłoby dzisiejszej cywilizacji, to ruch elektronów w metalach i półprzewodnikach.
Praktyczne wykorzystanie własności falowych elektronu zastosowano w mikroskopie elektronowym. Ponieważ długość fali elektronu jest znacznie mniejsza od długości fali świetlnej to i powiększenie uzyskiwane w takim mikroskopie jest znacznie (np.500 000 razy) większe.
Powstanie i rozwój telewizji stał się możliwy dzięki poznaniu właściwości ruchu elektronów w polach magnetycznym i elektrycznym oraz ich oddziaływań z luminoforem, którym pokryty był od wewnątrz ekran telewizyjny tzw. lampa kineskopowa.
W 1928 roku uczeni Lothar Wolfgang Nordheim i Ralph H. Fowler podali w oparciu o efekt tunelowy wyjaśnienie zjawiska emisji polowej. Polega ono na wysyłaniu elektronów z metalowego ostrza (np. wolframowego) umieszczonego w silnym polu elektrycznym, w próżni. Odkrycie zostało wykorzystane do budowy polowych mikroskopów elektronowych, które stały się potężnymi urządzeniami w badaniach własności ciał stałych.
Uzyskane wyniki pozwoliły skonstruować – wynaleźć – wyrafinowane elementy elektroniczne takie jak dioda, tranzystor czy późniejszy układ scalony. Twórców nagradzano Nagrodami Nobla, a do użytkowników trafiały coraz bardziej nowoczesne i coraz mniejsze radia, telewizory i komputery.
Lothar Wolfgang Nordheim Ralph H. Fowler
Zarówno nauka jak i technika nie powiedziały zapewne jeszcze ostatniego słowa o możliwościach praktycznego wykorzystania zjawisk dotyczących mikroskopijnego, obdarzonego ujemnym ładunkiem elektrycznym obiektu, który w zależności od sytuacji jest albo cząstką albo falą.