0
Elektron jest jednym z podstawowych składników materii. Jego odkrycie zapoczątkowało zwrot w dziedzinie badań nad materią, której najgłębsze tajemnice nadal pozostają ukryte. Czym jednak jest elektron i jakie ma znaczenie? Tu dowiesz się wszystkiego!
Odkrycie elektronu – wielkie wydarzenie w skali nano
Pierwszą osobą, która przyczyniła się do odkrycia elektronu, był Michael Faraday. Badał on zachowanie prądu elektrycznego przepływającego przez materiały pozostające w różnych stanach skupienia.
W tym celu skonstruował przedmiot złożony ze szklanej rury wypełnionej powietrzem oraz dwóch elektrod, czyli przewodników elektrycznych zdolnych do odbioru i wysyłania prądu. Jedna z nich, anoda, była odbiornikiem prądu o ładunku dodatnim. Druga, czyli katoda, emitowała ładunek ujemny. Przepływający prąd wytworzył łuk świetlny rozciągający się od katody do anody. Przed samą katodą Faraday nie zaobserwował jednak światła.
Wówczas ani on, ani inni fizycy nie byli w stanie zrozumieć natury tego zjawiska. Nazwano je promieniowaniami katodowymi. Wywoływać miał je nieznany rodzaj cząstek.
Przełomowego odkrycia dokonał w 1896 roku Joseph John Thomson, udoskonalając eksperyment Faradaya. W anodzie wykonał niewielki otwór, przez który cząstki mogły przelecieć do znajdującej się za nią rury. W niej znajdowały się dwie płytki z metalu, które były podłączone do ogniw. Wytwarzały one ładunek elektryczny przepływający prostopadle do kierunku poruszania się promieni katodowych. Na końcu konstrukcji znajdował się ekran, na który padała wiązka tych promieni.
Wytworzone przez płytki pole elektryczne doprowadziło do zmiany kierunku cząstek składających się na wiązkę. Był to dowód na to, że promień katodowy ma ładunek elektryczny. Tor, w którym promień się uginał, wskazywał, że jego cząstki są naładowane ujemnie.
Czym właściwie jest elektron?
Jako że każda materia składa się z atomów, Thomson uznał, że elektrony są ich składową. Brak wewnętrznej struktury przyczynił się do uznania ich za najmniejszy budulec materii. Kilkadziesiąt lat po jego odkryciu elementy materii, takie jak elektrony, zaczęto określać jako cząstki elementarne.
Sprawdź też: Czy napęd antygrawitacyjny może stać się faktem? Co wiemy o antygrawitacji?
Kolejne dekady doprowadziły do odkryć wielu takich cząstek. Niektóre z nich (np. protony i neutrony) okazały się składać z jeszcze mniejszych części. Tak jednak nie stało się z elektronem. Nauka nadal nie znalazła dowodu na to, że może składać się on z jeszcze mniejszych części.
Mały, ale wielki – jakie są jego właściwości?
Elektron ma elektryczny ładunek negatywny – czyli ujemny. W ten sposób równoważony jest z dodatnio naładowanym protonem. Liczba atomowa informująca o ilości protonów zawsze jest równa ilości elektronów. Równowaga między protonami i elektronami sprawia, że atom jest elektrycznie obojętny.
W przeciwieństwie do np. kwarków (uzyskiwanych tylko w laboratoriach) elektron jest naturalnym składnikiem materii. Elektron to ponadto cząstka trwała, co oznacza, że nie ulega rozpadowi. Od niektórych cząstek (np. fotonu) odróżnia go także posiadanie masy.
Elektrony posiadają też pewną cechę wspólną z innymi cząstkami, którą jest istnienie spinu, czyli momentu pędu (ruchu ciała). To właśnie on pozwala na ruch elektronu wokół jądra atomowego złożonego z nukleonów (protonów i neutronów). Krążą one wokół niego po stałych trajektoriach, przypominając ruch orbitalny planet wokół gwiazdy.
Trajektorie te, zwane powłokami elektronowymi, są ściśle uporządkowane. Ruch po danej powłoce zależy od ilości energii elektronów. Te z nich, które mają jej najmniej, krążą najbliżej jądra. Najbardziej odległe od nukleonów elektrony walencyjne mają wpływ na właściwości chemiczne i fizyczne atomu oraz biorą udział w wiązaniach chemicznych.
Nie wszystkie elektrony są jednak budulcem atomów. Istnieją również elektrony swobodne. Mogą one powstawać np. w wyniku jonizacji termicznej, czyli poprzez zderzenia atomów, które może wytrącić elektrony z powłok.
Elektrony w reakcjach jądrowych i technice
Cząstki elementarne są podstawą reakcji jądrowych, czyli przemiany jąder atomowych. Poprzez oddziaływanie między jądrami a cząstkami elementarnymi powstają kolejne pierwiastki i ich izotopy.
Przykładem naturalnej reakcji jądrowej jest promieniowanie gwiazd. Reakcja fuzji jądrowej wyzwala ogromne ilości energii, których produktem są światło i ciepło. W XX wieku reakcję tę udało się odtworzyć. Współcześnie wykorzystuje się ją do wytwarzania energii elektrycznej na niewielką skalę w eksperymentalnych reaktorach atomowych (m.in. w tokamakach i stellaratorach).
Historia odkrycia elektronu jest przykładem, że w nauce nic nie jest pewne. Uznawany przez wieki za najmniejszy budulec materii atom okazał się jedynie wstępem do poznania natury materii. Natury, której mimo lat badań nadal w pełni nie udało się zgłębić.
Sprawdź też: Początek wszystkiego – teoria Wielkiego Wybuchu. Co dokładnie zakłada?
