Šta sve mogu elektroni

Objavljeno sep 18 u Egzaktne nauke kategorijiod strane thekiterunnerPrint

Šta sve mogu elektroni

Nema nikakve dvojbe: kad nas “strese struja”, to možrmo zahvaliti djelovanju elektrona. Upalimo li žarulju, titrajući elektroni stvaraju svjetlosne valove. Ti isti elektroni u odašiljačkoj anteni proizvode radiovalove. Gotovo da stalno imamo posla s djelovanjem elektrona, ali šta se iza njih zapravo skriva i dalje je zagonetka.

Sitni su, štaviše nevjerovatno sitni. Možda nam je još iz školskih dana u sjećanju ostala činjenica da imaju samo 1:1800 mase protona. A kako su protoni otprilike 10 000 puta manji od najmanjeg atoma, najčešće ne uspijevamo zamisliti veličinu elektrona. Njegova veličina za naš je mozak zapravo nepredočiva. Uprkos tome, zajedno s ništa manje tajnovitim kvarkovima, ubrajamo ga među najmanje do sada poznate prave čestice.

Zorna, ali pogrešna predstava

U najmanju je ruku sigurno da su elektroni nosioci negativnog električnog naboja. Zbog takvog naboja elektroni u pravilu kruže oko protona, koju su suprotnog, dakle pozitivnog naboja. Takvu tvorevinu nazivamo atom. Uprkos znatnoj razlici u veličini, proton i elektron nose jednake električne naboje, samo suprotnog predznaka.

Zbog jednostavnosti se često kaže da elektroni oko protona kuže krećući se po određenim stazama, pri čemu se pojedine vrste atoma (čitaj hemijskih elemenata) razlikuju brojem protona i elektrona. Takva predstava atoma, poznata i pod nazivom Bohrov model atoma, vrlo je zorna, ali netačna.

Na primjer, pogrešno je i to što je Bohr elektrone smjestio na tačno određene staze. Zapravo je na taj način svakom elektronu odredio tačan položaj i impuls, što je nemoguće zbog Heisenbergovog načela neodređenosti, postavljenog 1927. Tek je kvantna mehanika, odnosno fizika utemeljena na načelu neodređenosti, omogućila tačno izračunavanje odosa unutar elektronskih ljuski. Dakle, odustalo se od fizikalno nemjerljivih veličina, popt staze elektrona, njegovog položaja i brzine u stazi, pa se prešlo na kvantnomehanički opis. Njime se, međutim, dobiva posve drukčija predstava „zamagljenog“ atoma.

Čestice ili valovi?

Želimo li biti malo jasniji, kažimo da se na kraju stiglo do „valnomehaničke“ predstave atoma ili „Schrodingerovog modela atoma“. Po tom se modelu elektron, ovisno o količini energije koju sadrži, može kretati po orbitalama, odnosno stazama raznih geometrijskih oblika, nazvanih s-, p-, d- i f-orbitale.

Danas se pomoću tih kvantnomehaničkih predstava mogu davati mudre izjave o vjerovatnom prostoru u kojem se kreću elektroni, no u prošlo su doba poslužile stvaranjju novih predstava o prirodi samih elektrona. Tako je postalo jasno da alektroni nemaju samo karakteristike čestica, nego i valova.

Također valja još znati da je kvantna mehanika dobila ime po tome što predmete svojih istraživanja (na primjer čestice, valove ili energiju) stalno kvantificira. To znači da oni uvijek stižu u tačno određenim količinama (tzv. Kvantima), odnosno energetskim porcijama nepromjenjive veličine.

Koliko god jednostavno to zvučalo još uvijek nadmašuje našu sposobnost predstavljanja. Jer šta su zapravo elektroni? Valovi ili čestice? Odgovor je vrlo jednostavan: oni su oboje! Kao prave kvantnomehaničke čestice kojima je teško odrediti svojstva, elektroni nikad nisu samo čestice ili samo valovi. Oni uvijek imaju karakteristike i jednog i drugog, zbog čega se u kvantnoj mehanici govori o stanjima.

Taj je dvostruki život elektrona doduše možda teško razumjeti, ali je ipak stvarnost. Različitim klasičnim fizikalnim pokusima (primjerice istraživanjem katodnog zračenja i interferencije elektrona) ne samo da smo odavna dokazali njihovu prirodu, nego u svakodnevnom životu dvojnost njihovog postojanja stalno praktično iskorištavamo.

Prave čestice

Uprkos toj dvojnosti, elektroni su prave čestice. Štaviše, sa stanovipta kvantne mehanike riječ je o pravim elementarnim česticama. Prema današnjim spoznajama nedjeljivi su i trenutno nema nikakvih naznaka da bi se mogli dalje dijeliti.

Doduše, noviji fizikalni pokusi pokazuju da su elektroni još (mnogo) sitniji negoli se prije pretpostavljalo. To je nerijetko vodilo pretpostavci kako bi veličina elektrona mogla biti jednaka nuli. Ta bi nas tvrdnja, međutim, odvela na potpuno pogrešan put jer bi se u eloektronima u tom slučaju morala nalaziti pohranjena tako golema količina energije da bi to iz korjena promijenilo ne samo matematički svijet fizičara, nego bi se, da stvar bude još gora, i elektroni morali raspadati u silovitim eksplozijama. Međutim, takvo nešto nikad nije opaženo.

Brzo kretanje

Dvojnosti vala i čestice pridružuje se, na kraju još jedna teško shvatljiva karakteristika elektrona, naime njihov tzv. spin. Taj pojam, porijeklom iz engleskog jezika, znači „brzo se vrtjeti“ ili „kružiti“. Elektron, naime, možemo zamisliti poput vrtećeg zvrka.

Međutim, elektron se može okretati samo ulijevo ili samo udesno, što se izražava kvantnim brojem spina. Ovisno o smjeru okretanja, kvantni broj spina ima pozitivan ili negativan predznak. Par elektrona koji dijeli istu orbitalu uvijek se razlikuju po smjeru spina.

Dakle, ispunjena orbitala sadrži jedan elektron s pozitivnim i jedan elektron s negativnim spinom. To okretanje elektrona utiče na treću važnu karakteristiku elektrona. Oni, naime, imaju magnetnsko polje koje je u ovisnosti o smjeru spina usmjereno prema gore ili prema dole.

Na tom svojstvu, na primjer, počiva feromagnetizam, kod kojeg neki elektroni atoma željeza u određenim dijelovima metala i u određeno vrijeme imaju isti spin. Zbog toga se svojstva, također, elektroni u magnetskim poljima orjentišu u skladu s njihovim spinom.