2014. augusztus 24., vasárnap

Mire Képesek az Elektronok?

Az elektronok különös teremtmények: kimondottan kicsik, lényegében mégis ők tartják össze világunkat. S bár mindenütt jelen vannak, és számos tudományos megfigyelés tárgyát képezik, az őket övező titokzatosság nem oszlik…


A névadó a borostyán A borostyán görög nevének jelentése nem más, mint "elektron". Az elektrosztatikus töltés jelenségének felfedezése a véletlen műve: egy fosszilis gyanta megdörzsöléséhez kötődik.
Semmi kétség: ha áramütés ér bennünket, azt elektronoknak köszönhetjük. Ha bekapcsolunk egy izzólámpát, az áramló elektronok hozzák létre a fényhullámokat. És ugyancsak az elektronok azok, amelyek egy antennában rádióhullámokat keltenek. Szinte mindenhol találkozunk velük, de hogy pontosabban mi is rejlik e jelenségek hátterében, az továbbra is titokzatos.

Annyi mindenesetre biztos, hogy az elektronok kicsik, mi több, nagyon kicsik. Iskolai tanulmányainkból talán emlékszünk, hogy az elektron tömege a proton tömegének 1800-ad része. S mivel már maga a proton is mintegy tízezerszer kisebb a legkisebb atomnál, az elektronok méretét aligha tudjuk elképzelni. Mindennek ellenére az elektronok – a kvarkok mellett, amelyekből a protonok állnak – a legkisebb ismert, valódi részecskék közé tartoznak.

Szemléletes, de hamis

Általánosan ismert tény az is, hogy az elektronok negatív töltést hordoznak. Ennek köszönhető, hogy rendszerint a protonok körül keringenek, amelyek töltése ezzel szemben pozitív. Ezt a képződményt (amelyben protonok mellett még neutronok is találhatók) nevezzük atomnak. A protonok és az elektronok közötti számottevő méretbeli különbségek ellenére a töltéseik nagysága egyforma, csak éppen ellentétes.

Az egyszerűség kedvéért azt szokták mondani, hogy az elektronok meghatározott pályákon keringenek a protonokból és neutronokból álló atommag körül, az atomok egyes típusai (a kémiai elemek) pedig a protonok és az elektronok számában különböznek egymástól. Ez az elképzelés – az ún. Bohr-féle atommodell – igen szemléletes ugyan, részben azonban hamis.

Nem pontos benn például az, hogy Niels Bohr elgondolása szerint az elektronok előre meghatározott pályákon keringenek. Ezzel elvileg megadná az elektron pontos helyét és impulzusát, ami pedig Werner Heisenberg 1927-ben megfogalmazott határozatlansági reláció tétele értelmében lehetetlen. Csak a kvantummechanika – amely erre a határozatlansági összefüggésre épül – tette utóbb lehetővé az atom elektronburkában uralkodó viszonyok pontos kiszámítását.

A kutatók feladták tehát a fizikailag nem mérhető értékek, mint az elektron pályájának, helyének, valamint sebességének meghatározására irányuló törekvéseket, és kvantummechanikai számításokkal olyan eredményekre jutottak, amelyek semmiképp sem szemléletesek.

Részecskék vagy hullámok?

Ha mégis szemléletesen akarnánk érzékeltetni az elektronok helyzetét, akkor eljutnánk a „hullámmechanikai atommodellhez” vagy a „Schrödinger-féle atommodellhez”. Ezek szerint egy elektron – energiatartalma függvényében – különböző alakú keringési pályákon mozoghat (s-, p-, d- vagy f-pályákon).

Hajmeresztő... Hajunk égnek áll, ha fésüléssel negatív töltést kap. Mivel az azonos töltések taszítják egymást, minden egyes hajszál olyan messzire távolodik a szomszédjától, amennyire az csak lehetséges.
Ezeknek a kvantummechanikai fogalmaknak a segítségével most már határozott kijelentések tehetők az elektronok valószínű tartózkodási helyével kapcsolatban, ugyanakkor ezen elképzelések az elektronok természetét illetően is másfajta elgondolásokhoz vezettek. Így például arra, hogy az elektronok nemcsak részecske-, de hullámtulajdonságokkal is rendelkeznek.

Tudnunk kell, o hogy a kvantummechanika elnevezés onnan származik, hogy azok a jelenségek, amelyekkel ez az elmélet foglalkozik (ezek lehetnek részecskék, hullámok vagy energia), mindig „kvantálva” vannak, azaz energiájuk csakis bizonyos mennyiségekben vagy adagokban fordulhat elő.

Első hallásra mindezt valószínűleg sokak számára nem könnyű elképzelni. Mi tehát az elektron? Részecske vagy hullám? A válasz egyszerű: mindkettő! Igazi kvantummechanikai értelmében az elektronok soha nem csak részecskék vagy csak hullámok. Mindig rendelkeznek mindkét tulajdonsággal, minek következtében a kvantummechanikában állapotokról beszélünk.

Az elektronok e kettős viselkedése nehezen érthető ugyan, mégis ez a valóság. Ezt a tényt nem csak különböző klasszikus fizikai kísérletekkel (többek között a katódsugarak vizsgálatával vagy az elektronok interferenciájával) sikerült réges-rég igazolni, de a mindennapi életben is szinte állandóan kihasználjuk kettős (részecske-hullám) természetüket.

Valódi részecskék

E kettőség ellenére az elektronok valódi részecskék. A kvantummechanika értelmében esetükben ráadásul igazi elemi részecskékről beszélhetünk. A mai álláspont szerint oszthatatlanok, semmiféle jel nem mutat arra, hogy tovább oszthatók lennének.

Az elektronok láthatóvá teszik az atomokat Az elektronmikroszkópban az elektronsugarak letapogatják az atom méreténél kisebb objektumokat, és egy képernyőn háromdimenziós képet alkotnak róluk.
Az újabb fizikai kísérletek mindamellett arra utalnak, hogy az elektronok még (sokkalta) kisebbek, mint azt eddig feltételeztük. E miatt fogalmazódott meg több alkalommal is az a nézet, miszerint az elektronok nagysága nulla. E megállapítás azonban tévútra visz, mert ez esetben olyan óriási energiamennyiségnek kellene lakoznia bennünk, ami nemcsak a fizikusok matematikai világát forgatná fel fenekestül, de ami még rosszabb: az elektronoknak hatalmas robbanások kíséretében szét kellene esniük. Ilyesmit azonban soha senki nem figyelt meg.

Gyors perdület

A részecske-hullám kettősséghez az elektronoknak egy további, nehezen felfogható tulajdonsága társul, az úgynevezett spin (perdület). Az angol nyelvből származó megjelölés („spin”) nem jelent mást, mint hogy „gyorsan forogni”, „pörögni”. Ennek alapján az elektront úgy képzelhetjük el, mint egyfajta saját maga körül forgó pörgettyűt.

Egy elektron azonban vagy csak balra, vagy csak jobbra pöröghet, amit spinkvantumszámmal fejezünk ki. A pörgés irányától függően a spinkvanumszámot vagy pozitív, vagy negatív előjellel látjuk el, azaz pozitív vagy negatív spinről beszélhetünk. Két elektron, amely egy állapoton azonos pályán) osztozik, mindig csak a perdület irányában különbözik egymástól. Egy teljesen foglalt pályaállapotot ennek értelében tehát mindig egy pozitív és egy negatív spinnel rendelkező elektront tartalmaz.

Az elektronoknak ez a pörgése egyben egy harmadik, figyelemre méltó tulajdonsága oka is: az elektronokat egy mágneses mező veszi körül, amely a forgása iránya szerint vagy felfelé, vagy lefelé mutat. Ezen a tulajdonságon alapszik például a vas mágnesessége. A vasatomok bizonyos elektronjainak ugyanis a fém egyes szakaszain mindenkor azonos a pörgési iránya. E tulajdonságukkal magyarázható az is, hogy az elektronok meghatározott mágneses terekben perdületük szerint téríthetők el bizonyos irányokban.

Elektronokból álló kristály a komputertechnika számára

A Wigner-kristály nyomás alatt
megolvad, ha az egyes "elektron-
felhők" átfedik egymást.
A mindössze néhány elektronból parányi kristályok lenyűgöző tulajdonságaira a rostocki egyetem fizikusainak sikerült rábukkanniuk, De. Michael Bonitz irányításával. Számítógépes kísérletekkel derítették ki, hogy mikor keletkezik ilyen Wigner-kristály, és hogy miként olvad meg – nemcsak hevítés, de összenyomás hatására is, ami viszont az elektronok térbeli kiterjedésével áll összefüggésben.

Már egyetlen elektron hozzáadása is kiválthatja az olvadási folyamatot, ami felkeltheti például a komputertechnika érdeklődését.

Ennek oka igen egyszerű tényen alapul: az elektronok elektromos áramot szállítanak, ezért döntő jelentőségűek a csipek működése szempontjából. Ám amennyiben az elektronokat egy kristály befogjam nem képesek továbbhaladni: az anyag szigetelőként működik. Ha sikerülne a kristályszerű viselkedést folyékonyra változtatni, lehetővé téve ezzel az elektromos áram vezetését, akkor újszerű, parányi, elektromos építőkockákat hozhatnánk létre.

0 komment:

Megjegyzés küldése