Částicové Zoo – tajemné elektrony

Co je to vlastně elektron? Je to částice, která je zároveň vlnou a pevnou hmotou. Má nejjednodušší strukturu, která ale umí být pořádně komplexní. Je nedělitelný, přitom ale také fragmentuje na dvě různé části s různými vlasnostmi

Leptony

Elektron je elektricky nabitá elementární částice, která se v naší částicové Zoologické zahradě zdržuje v zelené ohradě, obsahující klece s nejrůznějšími ptačími druhy.

Elektron patří k tzv. „leptonům“, které se dále dělí na tři různě těžké rodiny, podobně jako kvarky, které jsou zmiňované v minulých blozích.

Tak jako se mohou zvířata v běžné Zoo od sebe lišit barvou svého peří nebo srsti, liší se od sebe jednotlivé leptony přítomností (případně nepřítomností) elektrického náboje.

Ve vrchním zeleném řádku na obrázku jsou uvedeny nabité leptony. Nesou náboj, který fyzici označují „-1“. V dolním řádku najdete leptony nenabité. Zjednodušeně můžeme nabité leptony označit jako ptáky s pestrým peřím, nenabité leptony pak jako ptáky, perfektně maskované nenápadnou barvou.

Podobně jako je tomu u kvarků,  se i leptony od sebe navíc navzájem liší svou hmotností. Ti ptáci, kteří jsou příliš těžcí, jsou velice líní – a na běžných efektech v našem vesmíru se nepodílí.

Podobně jako je tomu u kvarků, tvoří naši viditelnou hmotu jen ty nejlehčí leptony. Na obrázku je najdete úplně vlevo. Jedná se o barevný „elektron“ a dobře maskované „elektronové neutrino“.

Elektron

Označujeme ho jednoduchým symbolem „e“. Spolu s protony a neutrony tvoří základ naší běžné hmoty, hmoty, ze které se skládá všechno kolem nás.

Elektrony jsou nejpraktičtější a nejaktivnější ze všech částic. Jsou zodpovědné za chemické vazby a tvorbu komplikovaných organických i neorganických molekul. Určují většinu makroskopických vlastností hmoty, mimo jiné elektrickou vodivost, magnetismus, tepelnou vodivost, optické vlastnosti a dielektrické vlastnosti. Také struktura a mechanické vlastnosti naší hmoty jdou na vrub chování elektronů.

Náboj

Elektron (jak už napovídá jeho název) je elektricky nabitou částicí. S negativně nabitými částicemi jsme se setkali už v rodině kvarků. Určité kvarky nesou zlomky negativního náboje, například down kvark (hodnota jeho náboje je -2/3). Elektron je ale první elementární částicí, která nese tuto vlastnost a existuje přitom volně - není vázaná v jiné, složené částici.

Proto byl náboj elektronu vybrán jako určitý etalon, podle kterého se počítají náboje všech ostatních částic. Tento výběr je v podstatě náhodný a slouží ke zjednodušení fyzikálních výpočtů. Náboj elektronu ve skutečnosti tedy není „-1“, ale odpovídá přibližně 1,602x10^-19 coulombu.

Coulomb je odvozená jednotka SI veličiny elektrický náboj. Pojmenována byla na počest francouzského fyzika Charlese-Augustina de Coulomba. Značkou coulombu je C. Je definován jako elektrický náboj přenesený proudem 1 ampéru během 1 sekundy (tzn. 1 coulomb = 1 ampérsekunda).

Hmotnost

Hmotnost elektronu, který se nachází v klidu, odpovídá 9,109x10^-28 g. Je to neuvěřitelně malé číslo, elektron je velice lehkou částicí.

Pro srovnání : pokud vyjádříme hmotnost elektronu v poměru k protonu, který v atomech tvoří pozitivně nabité protihráče elektronů, dostaneme číslo 1860. Znamená to, že elektron je zhruba 1860x lehčí než proton.

Spin

Zvláštní vlastnost, které fyzici říkají spin, určuje, jakou funkci ve vesmíru daná částice přebírá. Ty, které mají celočíselný spin, jsou takzvanými bosony a zprostředkovávají některou ze čtyř základních sil.

Částice s poločíselným spinem (1/2 nebo 3/2) se řadí k tzv. „fermionům“ a tvoří naši hmotu.

Elektron má spin 1/2 a vykazuje proto vlastnosti hmoty. Jednu z nich jsem v dřívějších blozích popsala jako neochotu sdílet svůj hotelový pokoj s jinými hotelovými hosty.

Elektron nesnese, aby jiná identická částice (tedy jiný elektron s úplně stejnými vlastnostmi) sdílel jeho vlastní prostor. U bosonů (například fotonů, zprostředkujících ve vesmíru elektromagnetismus, a které známe jako „světlo“) to není problém. V jednom světelném paprsku se vyskytuje nepřeberné množství fotonů, které se mohou navzájem prolínat - pořádají obrovskou světelnou party.

V našem elektronovém Zoo netvoří malí elektronoví opeřenci veliká hejna, která by společně létala ze stromu na strom.  Naši elektricky nabití svěřenci vyžadují klece, které mají navíc velice rádi a opouštějí je jen pod pohrůžkou násilí. V těchto klecích žije vždy jen několik exemplářů – a každý z nich je spokojený, když mu ošetřovatel nabídne jeho vlastní ptačí budku.

Příště: Částicové Zoo – o tom, jak elektrony zajišťují chod vesmíru