Elektrony v atomu spatřeny

7. srpen 2008 | 07.00 |

elektrony

Při studiu modelů atomu se postupuje z historického hlediska od modelů nejjednodušších, které se postupněji opouštějí a jsou nahrazovány složitějšími modely, zejména po matematické stránce. Co když je to však v tom atomu skutečně jednodušší než se zdá?

Když Rutherfordův pokus v roce 1911 prokázal, že uvnitř atomu je velmi malé a kladně nabité jádro, ve kterém je však shromážděna téměř veškerá hmotnost atomu, představovali si fyzikové, že se elektrony pohybují v jeho okolí, podobně jako planety ve sluneční soustavě obíhají kolem Slunce. Podle klasické fyziky však nabitá částice, která mění svou rychlost (stačí jen směr rychlosti) musí vysílat záření. Elektrony obíhající kolem jádra by ztrácely zářením energii a po spirále se zhroutily k jádru. Dopadly by na něj za dobu kratší než 10–10 s. Podle klasické elektrodynamiky by se atomy okamžitě rozpadly a náš svět by nemohl existovat.
Řešení nabídl roku 1913 Bohrův model atomu. Elektrony se v obalech nemůžou pohybovat po libovolných drahách, ale jen po určitých drahách splňujících jistá pravidla. Elektron se také může někdy projevovat jako částice a někdy jako vlna. V Bohrově modelu musí být vlnová délka této vlny celistvým násobkem obvodu "povolených" drah, tedy vlna se beze zbytku jakoby namotává na obvod dráhy (podle obrázku). Podle Bohrova modelu elektron při pohybu na těchto vybraných drahách nezáří. K vyzařování může dojít jen při přeskoku elektronu mezi dvěma jeho možnými drahami.
Bohr
Tento Bohrův model úspěšně popsal spektrum atomu vodíku, ale pro popis dalších složitějších kvantových systémů musela vzniknout kvantová teorie. Ta byla založená na Schrodingerově vlnové rovnici nebo též na Heisenbergově maticové mechanice. Kvantová teorie určuje pouze pravděpodobnost, kde se nachází elektron v atomárním obalu. Jeho dráha a směr pohybu v kvantové teorii vlastně nemá smysl. Navíc podle Heisenbergových relací neurčitosti nemůžeme nikdy současně poznat polohu elektronu a jeho hybnost.
Se zvětšováním rozměrů mikroskopických systémů se kvantové jevy postupně vytrácejí a přecházejí v klasickou fyziku. Rozměry běžných atomů v základním stavu jsou kolem 10–10 m. Existují ale i atomy, ve kterých jsou elektrony vybuzené do vysokých energetických stavů (tzv.Rydbergovy atomy). Takové atomy je možné najít ve vesmíru. Průměr tohoto atomu vodíku je 1,2 μm. Dnešními technologiemi je možné připravit i atomy s rozměry blížícími se jednomu milimetru. Podle teorie by některé stavy elektronu v atomárním obalu takových rozměrů měly být popsány klasickou fyzikou (pravděpodobnost výskytu elektronu by mělo mít charakter lokalizovaného vlnového balíku).
Cestu ke zviditelnění elektronu v atomu ukázal v roce 2008 kolektiv pracovníků Univerzity v Rice. Podařilo se jim nejen takové atomy uměle vytvořit, ale dokonce i manipulovat s elektrony v atomárním obalu! Využili k tomu vysoce excitované atomy draslíku. Za pomoci laserového svazku a přesně cílených impulzů elektrického pole se jim podařilo přimět atomy přejít do stavu, ve kterém měly elektrony vysoce lokalizované vlnové funkce s maximem pravděpodobnosti obíhajícím po kruhové dráze. Elektrony zůstaly v těchto obrovských atomech lokalizovány po několik oběhů a chovaly se jako klasické částice. Takže se vlastně můžou chovat tak jako v Rutherfordově planetárním modelu. Využití tohoto objevu bude zřejmě v kvantových počítačích, při studiu kvantového a klasického chaosu a v různých specializovaných technologiích.
Video ke stáhnutí (1 MB):www.aldebaran.cz/LocalizedElectron.avi

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.5 (4x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře