Částicové Zoo – o tom, jak elektrony zajišťují chod vesmíru

Elektrony patří k těm nejzajímavějším částicím, jaké známe. Našlo by se jen málo vlastností hmoty, na které by nemělo vliv jejich chování.

Vodivá, nevodivá a polovodivá hmota

Podle toho, jakou dávají elektronům volnost, dělíme látky na vodiče, nevodiče a polovodiče. Ve vodičích, kovech, jsou elektrony dobře pohyblivé a nejsou provázány s konkrétními atomovými jádry. Dalo by se říci, že elektrony jsou v kovech nezadaní singles a nenavazují žádná déle trvající manželství s jádry atomů.

Polovodiče jsou oproti tomu látky, ve kterých je délka manželství silně ovlivňována pomocí vnějších podmínek. Všichni jistě víme, jak efektivně se dá rozbít svazek dvou lidí dobře vymyšlenou pomluvou. U polovodičů je to teplota nebo dopadající záření, kdo mění vlastnosti původního materiálu tak, že je buď vodivý nebo nevodivý.

Nevodivé sloučeniny mají oproti tomu sympatickou vlastnost – jejich jádra atomů a kolem nich kroužící elektrony vykazují pozoruhodnou vzájemnou věrnost.

Mimochodem - nejen vodivost látek, ale také jejich chemické vlastnosti jsou závislé na vzájemném působení jejich  elektronů.

Proč nespadne elektron do jádra atomu?

O tom, jak vypadají atomy, dnes máme poměrně dobrou představu. V centru se nacházejí protony a neutrony, ze kterých se vytváří poměrně husté a těžké jádro. Kolem nich se rozprostírá relativně velký prostor, ve kterém není nic. A to doslova. V tomto nic se pohybují jednotlivé elektrony, které vyvažují kladný náboj protonů v jádře svým negativním nábojem tak, aby byl výsledný atom elektricky neutrální.

Tento jednoduchý systém ale vyvolává logickou otázku: jak to, že negativní elektron nespadne do jádra atomu? Jádro má přece kladný a elektron záporný náboj. Oba náboje se přitahují díky elektromagnetické síle. Je to ta samá síla, kterou najdete v každé fungující zásuvce. Jak je tato síla mocná, se může přesvědčit každý, kdo strčí do zásuvky nůžky nebo pletací jehlici. Přesto se zjevně elektrony nachází na stabilních drahách kolem jádra atomu, aniž by měly sebemenší úmysl, je opouštět.

Vysvětlení nabízí zákony kvantové fyziky. Elektron je velice malým objektem. Podléhá proto kvantovým jevům, ovládajícím svět minimálních rozměrů.

Jedním z nich je vlnově částicový dualismus. Na elektron můžeme nahlížet nejen jako na částici, ale také jako na vlnu. Když je vázaný v atomu, je jeho vlnová povaha zřetelnější. Připomíná vlny na hladině vody, poté, co jste do ní vhodili kámen. Na rozdlíl od vodních vln stojí eektronová vlna a nepohybuje se. Taková stojící vlna je stabilní a do jádra spadnout nemůže. Jak takové vlny vypadají? Dají se prý přirovnat k rozezněné kytarové struně. Na té se také tvoří oblasti, které se pohybují a uzly, které jsou v klidu. Při pohledu na pohybující se část struny vidíme jen oblast, ve které se pohybuje, rychlost jejího pohybu nám neumožňuje vidět samotnou strunu jasně a definovaně.

Elektronové orbitaly – klece pro naše elektronové opeřence

Zákony, které určují život v kvantovém světě, jsou pro nás velice exotické. Starají se mimo jiné o rozmístění jednotlivých elektronů v přesně definovaných oblastech kolem jádra atomu.

V případě našeho částicového Zoo se jedná o jevy, které určují, že v jedné kleci bude jen jeden samec a jedna elektronová samička.

Kvantový objekt elektron například podléhá principu neurčitosti. Ten říká, že čím přesněji určíme jednu z dvou vybraných vlastností (zde místo, kde se elektron nachází a jeho rychlost), tím méně přesně můžeme určit tu druhou – bez ohledu na to, jak dobré přístroje máme. V praxi to znamená, že se nedá říci, kde přesně se elektron právě vyskytuje. Dají se ale určit jeho pravděpodobné koordináty. Na následujícím obrázku je zakreslen stav, který pozorujeme u elektronů v atomu vodíku (vlevo) a lithia (vpravo).

Vodík má ve svém jádře jen jeden jediný proton. Jeho pozitivní náboj vyrovnává jeden jediný elektron. Ten se nachází uvnitř kulového prostoru, který zmiňovaný proton symetricky obklopuje.

U atomu lithia je to komplikovanější. Lithium má v jádře hned tři protony. Drží je pohromadě silná jaderná interakce, síla, která působí jen na velmi malé vzdálenosti. (Zmiňovala jsem ji v kapitolách o kvarcích, protonech a neutronech.) Roli lepidla mají kromě toho tři neutrony. Jak protony, tak neutrony si neustále vyměňují identity, takže jednotlivé součásti nemohou přesně říci, kdo je kdo. Díky tomu drží pohromadě a nerozletí se na všechny strany, jak by tomu mělo být v případě, že by podléhaly jen elektromagnetické síle.

Kolem tohoto velice živého jádra pak krouží tři elektrony, které vyrovnávají tři kladné náboje v centru systému. Jak je vidět v pravé části obrázku, v prvním, jádru nejbližším kulovitém prostoru, se nacházejí jen dva z nich. Projevuje se tu tzv. Pauliho vylučující princip – další ze zákonů kvantového světa. Ten říká, že se dvě stejné částice s poločíselným isospinem nemohou vyskytovat ve stejném čase ve stejném prostoru. Elektrony mají odpovídající isospin, musí tedy Pauliho princip dodržovat. Příroda dala elektronům navíc do vínku další vlastnost – pomyslný směr, kterým rotují. Jejich spin tedy může mít hodnotu -1/2 nebo +1/2. Do jedné kulovité, přesně vymezené oblasti kolem jádra se tedy vejdou maximálně dva elektrony. Musí mít přitom opačný spin.

Když se vrátíme do našeho pomyslného částicového Zoo, vidíme kolem jádra atomu rozmístěné klece s elektronovými opeřenci. Do každé klece ale smíme umístit jen jeden jediný pár ptáků – samce a samici. Pokud nějací ptáci přebývají, musíme pro ně najít další klec.

Vzhledem k tomu, že u lithia ještě jeden elektron přebývá, vytváří se pak další kulovitá oblast, která je dále od jádra atomu. V ní pak „bydlí“ zbylý elektron. 

Identická situace panuje i u větších atomů s komplikovaným a těžkým jádrem, složeným z několika desítek protonů a neutronů. „Klece“, do kterých se uzavírají další a další elektrony, mají pak už jiný tvar, než původní kulovité oblasti blízko jádra.

Na následujícím obrázku můžete vidět tvar všech „klecí na elektrony“.

V dolní části obrázku vidíte řádek, na kterém je zachycena posloupnost jednotlivých „klecí“. První dva elektrony mohou zaujmout místo v kulovitém, jednoduchém orbitalu úplně blízko jádra. Říká se mu „1s“. Další orbital je také kulový, je ale jádru vzdálenější (viz obrázek s příkladem vodíku a lithia) a nese název „2s“. Další klec pro elektrony je pak už exotičtější. Jedná se o tzv. 2p orbital. Ten má tvar prostorově vybavené osmičky. Jelikož není (tak jako koule) symetrický ve všech třech směrech prostoru, nabízí nám tu příroda jiný model symetrie – p orbitaly mohou být až tři a jsou pak uloženy na všech třech prostorových osách. Tím pádem se do „p“ orbitalů vejde hned šest elektronových opeřenců.

Pokud atomu ještě nějaké elektrony zbyly, uloží se do následujících orbitalů – 3s (dva elektrony), 3p (ano, správně tušíte, že i tady uskladní příroda 6 elektronů) a 4s.

Následuje poněkud exotický orbital 3d, který je podobně jako jeho p-kolega prostorově komplikovaný. Ten se může skládat z pěti částí tak, že se do něj vejde až 10 elektronů. U velice těžkých jader přichází na řadu i tzv. „f-orbitaly“, které jsou ještě složitější, tvoří je až sedm částí a pojmou až 14 elektronů.

Výčet nám známých chemických prvků končí číslem 118 – v celém nám známém vesmíru tedy momentálně potřebujeme „klece“ na 118 elektronů.

Vznik a rozpad elektronů

Elektron je nejlehčí elektricky nabitou částicí. Zákony fyziky říkají, že se nemůže rozpadat na menší kusy. Žádné menší částice totiž neexistují. Elektrony jsou stabilní, což potvrzují i nesčetné experimenty.

Elektrony naopak v našem vesmíru mohou vznikat díky jednomu speciálnímu jevu: beta-minus- rozpadu jader atomů.

Záhadné chování elektronů při kolizích

Elektrony se projevují jako částice a zároveň mají vlnové vlastnosti, což dnes už v podstatě nikoho nepřekvapí. Jejich dualita je všeobecně známá a dostatečně medializovaná. Při speciálních experimentech elektrony ale ukazují další zajímavé vlastnosti.

V běžném „životě“ je elektron jednoduchou částicí bez další struktury. Má určitou hmotnost a elektrický náboj. Pomocí těchto dvou vlastností lze předpovědět jeho chování ve většině procesů, do kterých je zapleten.

Při kolizích s pozitrony (antielektrony) v urychlovačích částic se ale elektron projevuje exoticky. Kolize s pozitrony mají za následek vznik přehršlí částic jako jsou kvarky, gluony, miony, tau-leptony, fotony nebo neutrina.

Na jednu stranu je tedy elektron nedělitelnou částicí bez vlastní vnitřní struktury,  na druhou stranu je něčím, co obsahuje množství jiných částic? Jak vysvětlit fakt, že se v elektronu nachází zároveň „nic“ i „celý svět“?

Věda tu narazila na koncept, kterému se říká kvantová cenzura. Zdá se, že některé vlastnosti kvantových částic nejsou stabilní – mění se v závislosti na tom, jak vysokou energií se je snažíme prozkoumat.

Při nízkých energiích může systém zůstat v původním stavu a nemusí odhalovat svou komplikovanou strukturu. Do určité výše (na ně působících) energií zůstávají částice masivní a jednolité. Teprve tehdy, když překročíme určitý limit, dají se z nich oddělit jejich součásti.

Jaké následky má tento jev v našem pomyslném částicovém Zoo? Dejme tomu, že v něm máme dva velice naštvané (vysoce energetické) ptáčky, kteří se navzájem nesnášejí. Musíme pro ně pořídit odlišné a pokud možno vzdálené klece. Pokud by se totiž setkali, nejen že se poperou, oni přitom dokonce ještě i explodují. Přijdeme o ně a navíc v Zoo vznikne řada dalších zvířat. Trocha neopatrnosti – a produkty explozí zaplní celou Zoo.

V naší normální praxi se samozřejmě jedná o jev výjimečný. Je k němu zapotřebí opravdu vysokých energií, takže k vysoce energetickému střetu elektronů a pozitronů dochází v pozemských podmínkách jen ve speciálních zařízeních, urychlovačích. Z přeplněné Země  strach mít nemusíme.

Štěpení elektronu na několik částí

Elektron je elementární částice, říká teorie. Znamená to, že je dále nedělitelný a nemá v běžných podmínkách žádnou vnitřní strukturu. Vědci jsou ale zvídaví. A protože je člověk velice důmyslný  tvor, podařilo se mu elektron když ne rozštěpit, tak alespoň rozdělit na několik částí.

Vědci na to nepotřebovali ani vysoké energie  ani jiné extrémní podmínky. To, co nezvládla brutální energie ani teplota, se povedlo díky subtilním procesům mikrosvěta.

Vědci přivedli elektrony do situace, kdy se rozdělily do pomyslných kvazičástic, nesoucích odděleně jednotlivé vlastnosti elektronů.

Řečí našeho pomyslného částicového Zoo se vědcům podařilo svého svěřence chytit a oholit mu peří. To pak naskládali na různé hromádky.

Samozřejmě se nedá očekávat, že z něčeho takového budou elektrony nadšené. Experiment probíhá jen v přísně daných podmínkách – tentokrát nejen fyzikálních (teplota a tlak) ale také prostorových.

Elektrony jsou částice, které mají svůj vlastní elektrický náboj a tzv. „spin“, směr, kterým se otáčejí kolem své osy. Mají tedy také severní a jižní pól. Rotace kolem osy pak vede ke vzniku magnetického pole. Situace je podobná stavu naší Země – ta má také severní a jižní pól a magnetické pole, které se kolem ní rozprostírá a chrání ji před kosmickým zářením. Vzhledem k tomu, že se elektrony pohybují kolem jádra atomu a tvoří tak „elektrický proud“, produkují ještě další magnetické pole, kterému se říká „orbitální moment“.

Už před zhruba 15 lety, při experimentu s tzv. „nanodrátem“ (velice tenkým vodivým drátem s průměrem jen několik atomů), se vědcům podařilo od sebe oddělit dvě základní vlastnosti elektronů – náboj a spin. Vzniklé kvazičástice měly jen jednu ze zmiňovaných vlastností. Částice, nesoucí náboj dostala prozatímní jméno „holon“.

Nové pokusy byly provedeny s uměle konstruovanými krystaly smíšených oxidů mědi a stroncia (Sr2CuO3). Nacházely se v nich tenké „tunely“. Pokud se do nich elektrony dostaly, byly v nich uvězněné a mohly se pohybovat jen ve dvou směrech – „vpřed“ nebo „vzad“.

Ozářením rentgenovými paprsky uštědřili vědci elektronům vyšší energii. Částice se pak rozdělily na dvě části. Oba druhy nově vzniklých kvazičástic se pohybovaly odlišnou rychlostí. Podařilo se tak separovat ty, které nesou jen spin (spinony) a ty, které nesou jen orbitální moment (orbitony).

Vraťme se zpátky do našeho částicového Zoo. Popis předešlého experimentu není nic pro slabé povahy. Ošetřovatel odchytí v kleci jednoho z papoušků a strčí ho do úzké trubičky, aby mu nemohl uletět. Potom použije rentgenové nůžky a ostříhá mu postupně všechna pírka dvou barev. Tato pírka naskládá na dvě hromádky.

Pokud s papouškem  soucítíte, možná vás potěší fakt, že se papouškovi moc velká újma nestane. Ani on ani jeho pestrá okrasa totiž nemohou klec opustit. A zdá se, že jakmile ošetřovatel dosáhne svého a z klece odejde, náš malý hrdina se znovu zázračně opeří a chová se, jako by se mu nikdy nic zlého nepřihodilo.

I proto pro nás zůstává elektron nadále malým tajemstvím. Kdoví, při jakých dobrodružstvích ho v budoucnu ještě přistihneme?