Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 14 – vyšlo 5. dubna, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

14/2019

To je on, elektron II

Petr Kulhánek

Minulý bulletin jsme věnovali pomalým elektronůmElektron – 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., elektronům ve vodiči, které jsou srážkovými procesy brzděny natolik, že se pohybují jen hlemýždím tempem. Pusťte ale elektrony ze řetězu a dokáží nebývalé kousky. V tomto díle se zaměříme jednak na volně letící elektrony a jednak na elektrony záměrně i nechtěně urychlované na vysoké rychlosti, jejich využití a nebezpečenství s nimi spojená. V některém z příštích bulletinů se potom budeme věnovat spinuSpin – 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., druhé nejdůležitější vlastností elektronu po náboji. Manipulace s ním vede k dalším převratným technologiím budoucnosti.

To je on, rychlý elektron, taková malá zubatá potvora. Kresba Ivan Havlíček.

SLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států. CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. LEP – Large Electron-Positron collider. Dosud nejvýkonnější urychlovač elektronů a pozitronů se vstřícnými svazky na světě, který byl v CERN provozován od roku 1989 do roku 2000. Dosažitelná energie byla 209 GeV. Dnes je v tunelu po urychlovači LEP postaven urychlovač LHC. Spintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997.

Střední rychlosti

Pokud elektrony opustí vodiče, v nichž se loudají ještě pomaleji než státník při slavnostní přehlídce, mohou vyvinout i značnou rychlost. Teď nemáme na mysli elektrony urychlené ve speciálních zařízeních či za extrémních podmínek na rychlost blízkou rychlosti světla, ale elektrony středních rychlostí, při nichž by jak hlavu státu, tak slimáka, nechaly rychle za sebou, ale světlo by pro ně bylo nedostižnou chimérou. Takových případů je velmi mnoho, proto se zaměříme jen na tři ukázky. První bude elektron v atomárním obalu. Pokud by podle vžité představy elektron kroužil kolem jádra, měl by například ve vodíku rychlost 2 200 kilometrů za sekundu (to není ani 1% rychlosti světla ve vakuu). S touto rychlostí by obletěl Zemi za pouhých 18 sekund. Představa kroužení je ale poněkud scestná. Elektron nekrouží, je to nelokální rozprostřený objekt mikrosvěta, který vyplňuje prostor kolem jádra a my můžeme určit jen pravděpodobnost jeho výskytu při opakovaném měření na mnoha atomech připravených ve stejném stavu. Na jednom jediném atomu měření opakovat nemůžeme, pokud měřením atom nezlikvidujeme, určitě ho alespoň vážně poškodíme. V každém případě je rychlost oběhu určená ze zákonů klasické mechaniky zavádějící. Ve skutečnosti nelze rozumně rychlost elektronu v atomárním obalu definovat.

Jako druhý příklad poslouží sluneční vítrSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera., neustávající proud elektronů, protonů a dalších částic, jimiž Slunce zaplavuje celou Sluneční soustavu. Tady u Země má sluneční vítr rychlost kolem 500 kilometrů za sekundu. Je to sice méně, než činí „rychlost“ elektronu v atomárním obalu, ale v tomto případě jde o rychlost reálnou a rozumně definovatelnou. Kvantové jevy jsou pro pohyb elektronu ve slunečním větru zanedbatelné. Sluneční vítr má, podobně jako vítr normální, různé poryvy a čas od času se v něm dokonce mohou objevit větší chuchvalce plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství., které k nám přilétají ze sluneční koróny (říkáme jim koronální výrony hmoty CMECME – Coronal Mass Ejection, výron sluneční koronální hmoty (s vmrznutým magnetickým polem) do meziplanetárního prostoru. K výronům CME dochází pravidelně, jejich četnost odpovídá sluneční aktivitě – v minimu dochází k CME přibližně jednou za den, v maximu dochází k CME až třikrát denně. Rychlé výrony CME se mohou dostat až do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy, takové putující plazmoidy se nazývají ICME (Interplanetary CME).). Takový chuchvalec s sebou nese magnetické pole, a pokud si to zamíří k Zemi, může způsobit magnetickou bouři (rozvlnění siločar). Elektrony slunečního větru kloužou podél magnetických siločar Slunce a Země a za příznivých podmínek mohou polárními oblastmi pronikat až do horních vrstev atmosféry. Zde excitují atomy a molekuly a při jejich návratu do původního stavu vyzařují fotony, které vnímáme jako polární záře. Polární záře tedy nejsou plápolající duše mrtvých hříšníků, jak se domnívaly některé severské národy, ale svit atmosféry excitované převážně elektrony slunečního větru.

Polární záře nafilmovaná v roce 2017 z Mezinárodní kosmické stanice. Zdroj: ESA.

Posledním příkladem bude dnes už běžný elektronový mikroskopElektronový mikroskop – mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností svazku elektronů. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 Ernstem Ruskou.. Je to geniální zařízení, které navrhl a spolu s Maxem Knollem zkonstruoval v roce 1931 německý elektroinženýr a fyzik Ernst Ruska. Jeho mikroskop využívá namísto světla elektrony. Ty mají, jakožto objekty mikrosvěta, také vlnové chování, ale jejich vlnová délka je podstatně kratší než u viditelného světla, což umožní rozlišení mnohem větších detailů. První prototyp pouze demonstroval princip nové metody a měl jen čtyřsetnásobné zvětšení, ale mikroskop zkonstruovaný Ruskou v roce 1933 měl už lepší rozlišení než světelné mikroskopy a dosáhl zvětšení 12 000×. První komerční mikroskop byl prodán v roce 1938. Čím rychlejší elektrony, tím kratší vlnovou délku mají. Pokud v elektronovém mikroskopu projdou elektrony rozdílem potenciálů (napětím) 1 kV, získají rychlost řádově 20 000 km/s a jejich vlnová délka bude přibližně 0,04 nanometru. Při napětí 100 kV už ale získají rychlost 160 000 km/s (více než 50 % rychlosti světla) a jejich vlnová délka poklesne na 0,004 nanometru. Dnes se elektronové mikroskopy běžně využívají v nejrůznějších odvětvích lidské činnosti. U některých elektronový svazek prochází tenkým řezem vzorku (tzv. transmisní elektronový mikroskop TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů.), u jiných se odráží a postupně skenuje povrch vzorku (tzv. rastrovací elektronový mikroskop SEMSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů.).

Ruska (napravo) a Knoll (nalevo) při stavbě elektronového mikroskopu v roce 1932.

Rychlé elektrony

Elektrony můžeme urychlovat na vysoké rychlosti (a tím i energie) v urychlovačích. Děje se tak vždy elektrickým polem, ve velkých urychlovačích urychlování obstarávají mikrovlnné dutiny. Na první pohled se kruhový systém zdá jako ideální, neboť urychlovací proces probíhá opakovaně. Elektrony ale na kruhové dráze září. Vzhledem k tomu, že je vyzařovaný výkon nepřímo úměrný druhé mocnině hmotnosti částice, ztrácejí zářením elektrony podstatně více energie než protony a urychlování na extrémní energie už není účinné. Proto se staví i lineární urychlovače elektronů. V plánu je mezinárodní lineární kolider ILC (International Linear Collider) s délkou mezi 30 a 50 kilometry, jehož stavba by po mnoha odkladech a nejasnostech snad mohla začít někdy po roce 2020. O lokalitě se vášnivě diskutovalo, ale poté, co Japonsko nabídlo úhradu poloviny prostředků na stavbu, je o lokalitě nejspíše rozhodnuto, protože když o něco jde, tak především o peníze. Elektrony by při srážce měly v ILC dosáhnout energii 500 GeV. Dosud největší lineární urychlovač je v Národní urychlovačové laboratoři SLACSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států. Stanfordovy univerzity. Jeho délka je 3,2 km a dosažitelná energie 90 GeV. Historicky největším a dosud nepřekonaným urychlovačem byl kruhový systém LEPLEP – Large Electron-Positron collider. Dosud nejvýkonnější urychlovač elektronů a pozitronů se vstřícnými svazky na světě, který byl v CERN provozován od roku 1989 do roku 2000. Dosažitelná energie byla 209 GeV. Dnes je v tunelu po urychlovači LEP postaven urychlovač LHC. v CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. s obvodem 27 kilometrů a dosažitelnou energií při srážce 209 GeV. Dnes je v jeho tunelu urychlovač LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. pro protony a těžké ionty, které při urychlování na zakřivené dráze tolik nezáří.

Urychlené elektrony mohou pronikat hluboko do jiných částic a stát se fascinujícím diagnostickým nástrojem. Takto byly objeveny v roce 1968 na Stanfordském lineární kolideru kvarky uvnitř protonů. Urychlené elektrony pronikaly hluboko do protonů, docházelo k nepružnému rozptylu a z výsledků bylo jasné, že se elektrony uvnitř protonu rozptylují na třech centrech. V současnosti se na tomto urychlovači konají neméně zajímavé experimenty. V jednom z nich se urychlené elektrony chovají jako vlny a dochází k jejich ohybu (difrakci) na kmitajících molekulách dusíku. Elektrony se tak stávají nejdůležitějším prvkem vysokorychlostní kamery, která dokáže snímat vybuzené kmity těchto molekul. Na dosud největším (kruhovém) urychlovači LEPLEP – Large Electron-Positron collider. Dosud nejvýkonnější urychlovač elektronů a pozitronů se vstřícnými svazky na světě, který byl v CERN provozován od roku 1989 do roku 2000. Dosažitelná energie byla 209 GeV. Dnes je v tunelu po urychlovači LEP postaven urychlovač LHC. byly v 90. letech 20. století pomocí urychlených elektronů měřeny různé parametry standardního modeluStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W⁺,  W⁻, Z⁰) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole. elementárních částic, například hmotnosti polních částic slabé interakce Z a W. Pokud je shluk elektronů z jakéhokoli urychlovače namířen do oblasti střídajících se magnetických pólových nástavců (tzv. undulátoruUndulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení.), cloumá s ním magnetické pole sem a tam a elektrony vydávají typické koherentní záření. To je základním principem laseru na volných elektronech. Největší takové zařízení (European XFELXFEL – označení pro velký laser na volných elektronech (Free Electron Laser). Největším zařízením tohoto druhu je Evropský XFEL (European XFEL) – rentgenový laser, jehož stavba započala v roce 2008 a zprovozněn byl v roce 2017. Nachází se v blízkosti německého Hamburku a má délku 3,4 km. Elektrony jsou nejprve urychleny v lineárním urychlovači pomocí soustavy rezonančních dutin. Poté shluky elektronů s vysokou energií přicházejí do undulátoru – speciální magnetické struktury, ve které se periodicky střídá orientace magnetického pole. Elektrony se pohybují po vlnovité dráze a přitom vyzařují synchrotronové záření v rentgenovém oboru. Emitované rentgenové paprsky vytvářejí extrémně intenzívní laserový záblesk koherentního a monochromatického záření.) je postaveno v německé částicové laboratoři DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. v Hamburku a má délku tři kilometry (viz AB 16/2017). Takové lasery slouží buď jako gigantické mikroskopy, nebo jako prostředek pro přípravu extrémních forem látky. Hitem posledních dvou desetiletí jsou malé urychlovače elektronů, které se vejdou na laboratorní stůl. Laserový paprsek vytvoří po dopadu na terčík plazma a v plazmové stopě vznikne podélné elektrické pole o velikosti až 300 GV/m. Hovoříme o tzv. brázdovém poli, název vznikl z paralely s vodní brázdou za pohybující se lodí. Brázdové pole dokáže urychlit elektrony podobně, jako valící se vlna urychlí surfaře na pobřeží moře. Tyto urychlovače na pracovním stole nesou označení LWFA (Laser Wake-Field Accelerators, viz AB 39/2006).

Experiment v Národní urychlovačové laboratoři SLAC na Stanfordově univerzitě – nejrychlejší vysokorychlostní kamera světa. Z trysky jsou do vakuované reakční oblasti přiváděny molekuly dusíku (šedé). Laserový paprsek (červený) seřadí molekuly do stejného směru a vybudí jejich kmity. Elektronový paprsek (modrý) vytvoří ohybový obrazec, který umožní kmity sledovat. Úhel mezi elektronovým a laserovým paprskem je 5°. Zdroj: Nature Communications.

Ubíhající elektrony

V některých situacích se elektrony urychlí na extrémní energie, aniž bychom si to přáli. Interakce elektronu s okolním plazmatemPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. klesá s rostoucí rychlostí elektronu. Při malých rychlostech okolní náboje s elektronem intenzivně interagují. Pokud má elektron vysokou rychlost, proletí kolem okolních nábojů za krátkou dobu a účinný průřez srážek se zvyšující se rychlostí razantně klesá. Za normální situace je urychlování elektrickým polem kompenzováno srážkami (hovoříme o tzv. ohmickém režimu). Pokud má ale elektron vysokou (nadkritickou) rychlost, nastane zajímavá situace. Srážky už nejsou schopné kompenzovat urychlování elektrickým polem a elektron dokáže v krátkém čase získat extrémní energii. V laboratorním plazmatu se takovým elektronům říká ubíhající (anglicky runaway) elektrony, v magnetosférickém a atmosférickém plazmatu se pyšní názvem zabijácké (anglicky killers) elektrony. Působí-li na plazma elektrické pole, vždy se najde pár elektronů s natolik vysokou energií (z chvostu Maxwellova rozdělení), že se stanou ubíhajícími elektrony. Je jich ale zpravidla zanedbatelné množství. V extrémně silném poli počet ubíhajících elektronů roste a může dojít i k lavinovému efektu. Elektrony s obrovskou energií při srážkách s ionty generují další nadkritické elektrony, ty další atd. Urychlování těchto elektronů ale neprobíhá nade všechny meze, jak se občas traduje. Elektron s vysokou energií ztrácí energii zářivými procesy, které jsou intenzívní zejména v přítomnosti magnetických polí. Pokud energie přesáhne dvojnásobek klidové energie, může ubíhající elektron velmi účinně ztrácet energii tak, že emituje elektronové-pozitronové páry. Ty mohou být při dostatečně velikém elektrickém poli opětovně urychlovány a dokáží vytvořit další laviny elektronů a pozitronů.

V laboratoři jsou ubíhající elektrony velkým problémem například při závěrečné fázi existence fúzního plazmatu v tokamacíchTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025.. Při zhášení plazmatu (tzv. disrupci) dojde k celé posloupnosti jevů: Zpočátku prudce klesá teplota plazmatu, což s sebou nese snížení vodivosti plazmatu a zmenšení elektrického proudu tekoucího plazmatem. To má za důsledek pokles poloidálního magnetického pole, které je generováno proudem tekoucím plazmatem. Změna magnetického pole s sebou ale nutně podle Faradayova indukčního zákona přináší genezi silného elektrického pole a právě toto pole je schopné dostat část elektronů do ubíhajícího režimu a udržovat ji v něm. Pokud chuchvalec takových vysoce energetických ubíhajících elektronů narazí do stěny zařízení, je zaděláno na průšvih. Ubíhající elektrony jsou schopné nevratně poškodit stěnu tokamaku. Proto se dnes hledají mechanizmy, jak předejít vzniku populace ubíhajících elektronů, a pokud už vznikla, jak ji účinně a rychle zlikvidovat.

Dnes už legendární snímek poškození vnitřní části komory tokamaku JET
způsobené ubíhajícími elektrony. Zdroj: JET/UKAEA.

Podobné procesy jsou známé i v průběhu bouřkové aktivity. Přítomné elektrické pole může dostat některé elektrony s výjimečnými rychlostmi (mohou pocházet i z 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.) do ubíhajícího režimu, a ty se pak postarají o lavinový efekt. Za bouřek může ještě pomoci magnetické pole a podél něho se šířící nízkofrekvenční elektromagnetické vlny (hvizdyHvizdy – nízkofrekvenční elektromagnetické vlny (300 Hz až 30 kHz) šířící se podél magnetických siločar. Charakteristické je krátkodobé trvání s postupně klesající frekvencí vlny. Jde o modifikaci R vln. Poprvé byly pozorovány v kanálech blesků na Zemi Barkhausenem v roce 1919.), jejichž elektrické pole může dodávat elektronům další energii prostřednictvím tzv. cyklotronní rezonanceCyklotronní rezonance – ECR (Electron Cyclotron Resonation), rezonanční pohlcování elektromagnetických vln na frekvenci rotace elektronů kolem magnetických silokřivek. Tato frekvence se nazývá cyklotronní a je přímo úměrná magnetickému poli., při níž je frekvence oběhu elektronu kolem magnetických siločar rovna frekvenci elektromagnetické vlny spojené s hvizdem. Zdá se, že laviny takovýchto elektronů jsou zodpovědné za gama záblesky pozorované při bouřkách jak z oběžné dráhy, tak z pozemských stanic.

Fyzika elektronů s vysokými energiemi je atraktivním odvětvím současné vědy a přináší nám nejen další poznání struktury hmoty, ale často i nechtěné problémy, které je třeba neprodleně řešit. Existenci ubíhajících elektronů navrhl už vynálezce mlžné komory Charles Thomas Rees Wilson v roce 1925. Podrobnější teoretickou analýzu udělal australský fyzik s italskými kořeny Ronald Gordon Giovanelli (1915–1984) v roce 1949. V roce 1992 navrhl sovětsko-ruský fyzik Alexandr Viktorovič Gurevič (*1930) lavinový mechanizmus průrazu blesku za bouřkové aktivity, který je odstartován relativistickými elektrony ze spršek 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.. V roce 2003 ukázal americký fyzik Joseph R. Dwyer (*1963), že ke vzniku takové laviny postačí jeden jediný elektron s energií kolem jednoho megaelektronvoltu. Výzkum ubíhajících elektronů se ale dostal do popředí zájmu fyziků až v souvislosti s častým vznikem jejich populace v komorách velkých tokamaků, pro něž je shluk ubíhajících elektronů nebezpečím číslo jedna.

Pozemské gama záblesky (TGR – Terrestrial Gamma Radiation) vznikají za bouřek a fotony s velkou energií mohou při srážkách s obyčejnými atomy vytvářet i páry elektronů a pozitronů, tedy antihmotu. Zdroj: NASA.

Odkazy