| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
To je on, elektron I
Petr Kulhánek
Od objevu elektronu už uplynulo více než století. Za tu dobu jsme se ho naučili využívat v různých zařízeních a slovo „elektron“ zdomácnělo natolik, že nám tato částice připadá jako důvěrný známý. Rozhodně si ale elektron nepředstavujte jako malou kuličku. Jde o objekt mikrosvěta se vším všady – nemusí být na jednom jediném místě, má vlnové vlastnosti, dokáže se ohýbat na překážkách, interferovat sám se sebou a konat další, pro nás neuvěřitelné, až kouzelnické kousky. Elektron je dobrý sluha a zlý pán, a to nejenom pro člověka, kterého dokáže zabít, ale také pro naše technologie, v nichž mohou elektrony s extrémními energiemi napáchat nevratné škody. Na vyprávění o elektronech by nestačily ani knihy o mnoha tisících stranách. Proto se v tomto dvojdílném bulletinu zaměříme jen na některé zajímavosti spojené s elektronem – poslem mikrosvěta v našich končinách.
Umělecká představa elektronu letícího mezi dvěma laserovými paprsky. Elektron rozhodně nevypadá jako letící kamínek. Má vlastnost připomínající otáčení kolem osy, vytváří kolem sebe oblak dalších elementárních částic, v divokém reji je vyzařuje a opět pohlcuje. Zdroj: Nicolle R. Fuller, NSF.
|
Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. Mion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10−6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. Tauon – supertěžký elektron, hmotnost má 3 484 me. Jde o nestabilní částici se střední dobou života 3×10−13 s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. Byl objeven v roce 1977 Martinem Perlem. |
Trocha historie
Elektron objevil při experimentech s katodovou trubicíKatodová trubice – vakuovaná trubice s minimálně dvěma elektrodami. Po přivedení napětí na elektrody prochází katodovou trubicí elektrický proud. Toto zařízení bylo předchůdcem prvních elektronek. v roce 1897 anglický fyzik John Joseph Thomson. Z katody vycházelo zvláštní záření, kterému se začalo říkat katodové záření. Ukázalo se, že jde o záporně nabité částice, které při interakci se zředěným plynem v trubici vydávají charakteristické záření. Po dopadu katodového záření (elektronů) na terčíky z různé látky vznikalo rentgenové záření, proto katodové trubice přispěly k prvním námluvám s rentgenovým oborem spektra.
Nezvyklé chování elektronu nepochybně přispělo k pádu klasické mechaniky na počátku 20. století. Schrödingerova rovniceSchrödingerova rovnice – základní rovnice nerelativistické kvantové teorie, z níž je možné určit možné stavy energie a pravděpodobnosti naměření těchto stavů. Rovnici zformuloval rakouský fyzik Erwin Schrödinger v roce 1925. z roku 1925 správně popisovala nelokální chování elektronu v atomárním obalu, ale nepostihovala relativistické jevy a spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. elektronu, který s nimi souvisí. Relativistickou rovnici pro elektron odvodil anglický teoretik Paul Adrien Maurice Dirac v roce 1928. Pomocí této rovnice navrhl existenci pozitronuPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932., antičástice k elektronu. Tu nalezl o čtyři roky později v sekundárních sprškáchSekundární sprška – kužel mnoha částic letících směrem k zemi z oblasti interakce primární částice kosmického záření s atmosférou. Spršky kosmického záření objevil italský fyzik Bruno Rossi v roce 1934, rozsáhlé spršky detekoval o čtyři roky později francouzský fyzik Pierre Auger. kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. americký fyzik Carl Anderson, který za její objev získal Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1936.
John Joseph Thomson a katodová trubice, s jejíž pomocí objevil elektron.
Téhož roku, kdy Anderson přebíral cenu za objev pozitronu, nalezl v kosmickém záření ještě těžšího bratra elektronu, mionMion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10−6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936.. Mion se chová velmi podobně jako elektron. Má hmotnost 207 me. Doba života je přibližně 2,2 mikrosekundy. Potom se těžký elektron rozpadá na normální elektron a neutrina: µ- › e- + ??e + ?µ. Mion je stejně jako jeho dvojník elektron schopen vytvořit vázaný stav s protonem, tzv. mionium (vodík s mionem v obalu místo elektronu). Miony s relativistickými rychlostmi vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry.
Nakonec se ukázalo, že elektrony existují dokonce tři. Poslední, tauon neboli supertěžký elektron má hmotnost 3 484 me, což je přibližně dvojnásobek klidové hmotnosti protonu. Jde o nestabilní částici s dobou života 3×10-12 s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrinaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy.. V přírodě se dnes běžně nevyskytuje, lze ho připravit uměle na urychlovačích. V raných horkých fázích vesmíru byly všechny tři formy elektronu rovnoměrně zastoupeny. Tato rovnováha se narušila až tehdy, když průměrná energie částic ve vesmíru klesla pod klidovou energii tauonu, což znemožnilo jeho samovolný vznik. Ve vesmíru se tak stalo při teplotě 20 bilionů kelvinů. Tauon byl objeven v roce 1977 na urychlovači SPEAR ve Stanfordském urychlovačovém centru týmem, který vedl americký fyzik Martin Lewis Perl. Za objev tauonu získal Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1995.
Elektron tedy existuje ve třech různých podobách. Vkrádá se otázka, zda na větších urychlovačích, než máme nyní k dispozici, nenalezneme další, ještě těžší podoby elektronu. Dnes se zdá, že to je vyloučené. Se čtvrtým elektronem by podle našich znalostí musela existovat i čtvrtá generace kvarků a vesmír by se vyvíjel o dost jinak, než pozorujeme.
Dobová fotografie prstence urychlovače SPEAR, na kterém byl objeven tauon,
supertěžký elektron. Zdroj: SLAC.
Pomalé elektrony
Nevím proč, ale většina lidí se představuje, že pokud jsou elektrony ve vodiči schopny roztočit mixér, pračku či jiné zařízení, musejí v drátech cválat nejméně rychlostí splašeného koně. Skutečnost je zcela jiná. Elektron ve vodiči podléhá mnoha srážkám, je zabrzděn, odrazí se – často v opačném směru – a jen pomalu driftuje podél vodiče ve směru elektrického proudu (přesněji řečeno v opačném směru, neboť proud je definován pomocí pohybu kladně nabitých částic). Například ve vodiči o průměru dva milimetry, kterým teče elektrický proud jeden ampér, bude průměrná rychlost pohybu elektronů kolem sedmi centimetrů za hodinu. Elektrony jsou v běžných zařízeních velmi pomalé, a přesto vykonávají mnoho užitečné práce. Výzkum elektrických a magnetických jevů byl doménou celého 19. století. Francouzský matematik a fyzik André Maria Ampere ukázal, že kolem vodiče protékaného elektrickým polem vzniká magnetické pole a velký anglický experimentátor Michael Faraday naopak ukázal, že změny magnetického pole vedou ke vzniku elektrického pole. Takové poznání umožnilo konstrukci prvních elektromagnetů, dynam a motorů a vyústilo v elektrifikaci velkých měst a později i vesnic. Počáteční období bylo poznamenáno nelítostným bojem mezi zastánci stejnosměrného proudu (Alva Edison a Werner von Siemens) a střídavého proudu (Nicola Tesla). Dodnes se tradují nechutné scénky s veřejnými popravami nebohých zvířat, které měly prostým lidem ukázat nebezpečnost střídavého proudu. Nakonec Teslova koncepce elektrifikace tak jako tak zvítězila. V Čechách jsou tyto počátky neodmyslitelně spjaty s Františkem Křižíkem. V roce 1887 Křižík předvedl veřejné osvětlení ve středu Písku a o rok později zde uvedl do provozu první hydroelektrárnu v Čechách. Ve stejné době zprovoznil také vodní elektrárnu v Jindřichově Hradci. Obě byly zdrojem stejnosměrného proudu. V roce 1889 Křižík zprovoznil další městskou elektrárnu na stejnosměrný proud na pražském Žižkově, který měl tenkrát statut samostaného města. O něco později, v roce 1900, byla dostavena první elektrárna na střídavý proud v Holešovicích, která zajišťovala dodávky elektřiny pro většinu Prahy. Dnes si města a vesnice bez elektřiny už sotva dovedeme představit.
První elektrárna vyrábějící střídavý proud pro Prahu byla v Holešovicích. Fungovala od roku 1900 do roku 1926. Po spuštění Ervěnické elektrárny byla přebudována na teplárnu. Tomuto účelu slouží dodnes.
Velkým zlomem ve využívání elektřiny byl objev tranzistoru v Bellových telefonních laboratořích. John Bardeen, William Shockley a Walter Brattain objevili polovodičovou součástku, která umožnila miniaturizaci tehdejších neohrabaných elektronek a odstartovala elektronickou revoluci. Za objev tranzistoru získali všichni tři Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1956. Pozdější objev integrovaných obvodů s tisíci tranzistory na jediném čipu už byl jen pomyslnou třešinkou na dortu. Elektronická revoluce změnila naši civilizaci k nepoznání. Složitá elektronika, počítače a mobily jsou jen nejznámějšími výdobytky z milionů elektronických zařízení, která během pouhých sedmdesáti let zaplavila svět. Veškerá tato zařízení ale využívají jen jednu vlastnost elektronu, a tou je jeho náboj. Elektron má také spin, který dnes umíme ovládat stejně dobře jako jeho náboj a technologie na něm založené můžeme očekávat v brzké budoucnosti. Ale o tom až příště.
První tranzistor zkonstruovaný v Bellových telefonních laboratořích. Vývoj k první komerčně použitelné součástce trval pouhé čtyři roky. Rozvoj elektroniky, který následoval, nemá v historii civilizace obdoby. Zdroj: Bellovy telefonní laboratoře.
Pokračování příště (rychlé elektrony, ubíhající elektrony, spintronika)
* * *
