Mit tudunk az elektronról ?
A világegyetemet kitöltő anyag egyik é p í t ő k ö v e az elektron. B á r mi c s a k 1 0 0 é v e ismerjük, d e e n n é l sokkal idősebb, egyidős a világegyetemmel. A proton mellet az elektron az a nagy stabilitású elemi részecske, a m e l y a makroszkopikus anyag a l a p v e t ő létformája, s a m e l y n e k időbeni állandósága határozza m e g a k o z m o s z u n k stabilitását. Mivel az a t o m o k molekulákká való ö s s z e k a p c s o l ó d á s a az e l e k t r o n k ö t é s e k által valósul meg, így az é l ő anyag is az e l e k t r o n o k e z e n tulajdonságának köszönheti létét. Az élettelen és az é l ő anyag közötti átmenet
n e k , vagy a normális é s a rákos sejtek közötti k ü l ö n b s é g n e k a magyarázatát s z á m o s t u d ó s , k ö z ö t t ü k Szentgyörgyi Albert is, az e l e k t r o n o k a t o m i é s molekuláris r e n d s z e r e k b e n t ö r t é n ő sajátos viselkedésében látja.
A fizika s z e m s z ö g é b ő l nézve az elektronok n e m c s a k önmagukkal, h a n e m m i n d e n más elektronnal is identikusak, így n e m tagadhatjuk le az e l e k t r o n h o z f ű z ő d ő rokoni kapcsolatainkat. Ha ezt a gondolatmenetet elfogadjuk, a k k o r már a jólneveltségünk is megköveteli, hogy közelebbről is megismerjük közeli rokonunkat. Nézzük meg tehát, melyek az elektron fontosabb tulajdonságai é s hogyan történt a felfedezésük.
Az elektron keresztapja G.J. Stoney ( 1 8 5 3 - 1 9 1 1 ) volt, aki 1 8 9 5 - b e n a Philosophi- cal M a g a z i n b a n írt c i k k é b e n először nevezi e l e k t r o n n a k azt a részecskét, a m e l y az elektrolízis során az elemi elektromos töltés hordozója. Az elektromos töltés k v a n t u m o s felépítését már régóta sejtették a fizikusok. A fizikatörténészek e l s ő s o r b a n B e n j a m i n Franklinra ( 1 7 0 6 - 1 7 9 0 ) szoktak hivatkozni, aki 1 7 5 6 - b a n egyik írásában ezt írja: „Az elektromosság rendkívül parányi r é s z e c s k é k b ő l áll".
1 8 3 1 - b e n végzett kísérletei során Michael Faraday ( 1 7 9 1 - 1 8 6 7 ) felfedezi az e l e k - trolízis törvényeit é s kiszámítja az elemi elektromos töltés értékét. H. Helmholtz 1 8 8 1 - b e n megállapítja, h o g y az elektromosság diszkrét felépítése ö s s z h a n g b a n van a Maxwell-egyenletekkel. H.A. Lorentz ( 1 8 2 6 - 1 9 1 1 ) 1 8 9 5 - b e n közzéteszi híres elméletét az elektromosság a t o m o s felépítéséről, amely a klasszikus elektrodi- namika elektronmodelljének az alapjait vetette meg. Az elektron „szülőatyjának"
m é g i s J . J . T h o m s o n t ( 1 8 5 6 - 1 9 4 0 ) tekintik, aki 1897-ben tette k ö z é híres kísér
leteinek eredményeit. T h o m s o n a katódsugaraknak elektromos é s m á g n e s e s t é r b e n való eltérítését vizsgálta, é s a mérési adatok alapján ki tudta számítani a katódsugárzásban terjedő részecskék e / m fajlagos töltését. A kísérleti a d a t o k b ó l igen m e r é s z következtetésre jutott:
1 ) feltételezte, h o g y a katódsugárzásban terjedő részecskék a z o n o s a k a Faraday által az elektrolízis során kimutatott, az elemi elektromos töltést h o r d o z ó részecskével, az elektronnal.
2 ) feltételezte, h o g y az elektron az anyag egyik építőköve. T h o m s o n a kísérleti adatok e l e m z é s e során jutott erre a következtetésre, ugyanis a katódsugárzásban terjedő e l e k t r o n o k a katód felületéből lépnek ki. K ü l ö n b ö z ő fémeket használva katódként megállapította, h o g y minden fémből ugyanazok a r é s z e c s k é k l é p n e k ki. A gázkisülési jelenségeket is vizsgálva arra a következtetésre jutott, h o g y ha az a n y a g b a n e l e k t r o m o s áramot hozunk létre, függetlenül annak halmazál
lapotától vagy anyagi minőségétől, a töltést szállító részecske elektromos töltése az elektron töltéssel vagy annak egészszámú többszörösével kell m e g e g y e z z e n . A fajlagos töltés é s az elektrolízis során meghatározott töltésértékek is
m e r e t é b e n T h o m s o n elsőként számította ki az elektron tömegét. A nagy s e b e s s é g - gel m o z g ó elektronok elektromos eltérítésénél olyan rendellenességet észlelt, amelyet n e m tudott megmagyarázni. Ugyanis azt tapasztalta, hogy a fény s e b e s s é g é t m e g k ö z e l í t ő s e b e s s é g ű elektronok m á s k é p p e n térülnek el az elektro-
6 8 F i r k a 1 9 9 7 - 9 8 / 2
m o s térben mint a jóval k i s e b b s e b e s s é g g e l mozgók. K é s ő b b Einstein számára T h o m s o n n a k e z e n mérési eredményei szolgáltatták az e l s ő kísérleti bizonyíté- kokat a speciális relativitáselméletben szereplő mozgási t ö m e g n e k a s e b e s s é g - függésére, így az elektron volt az e l s ő részecske, amelynél sikerült kimutatni a nyugalmi é s a mozgási t ö m e g közötti különbséget.
A m o d e r n fizika kialakulása (relativitáselmélet, k v a n t u m m e c h a n i k a ) egyre i n k á b b felvetette azt az igényt, hogy az elektront n e pontszerű, h a n e m v é g e s kiterjedésű r é s z e c s k é n e k tekintsük. Így l e g k é z e n f e k v ő b b n e k az mutatkozott h a az elektront e g y R0 sugarú g ö m b n e k tekintik, m e l y n e k a felületén e g y e n l e t e s e n van eloszolva az elektromos töltés. Az e töltésű é s R0 sugarú g ö m b n e k az e l e k t r o m o s energiája W = e2/ 8 π ε0R . Ha feltételezzük, h o g y az e l e k t r o n n a k c s a k e l e k t r o m o s energiája van a k k o r a nyugalmi t ö m e g é b ő l számított E = m c2 energia m e g kell egygyezzen a W elektromos energiával. A két energia e g y e n l ő s é g é b ő l kiszámítható az elektron sugara: R0=2,8*10- 1 5 m. Ezt az értéket nevezik klasszikus elektronsugárnak.
Az elektron n e m csak elektromos h a n e m m á g n e s e s tulajdonságokkal is rendelkezik. 1 9 2 2 - b e n O. Stern é s W. Gerlach híressé vált kísérletükkel igazolta, h o g y az elektron m á g n e s e s dipólusként viselkedik, jól meghatározott m á g n e s e s dipólnyomatékkal rendelkezik, amely e g y külső m á g n e s e s térhez képest c s a k kétféle beállást mutathat. Az elektronnak e z e n tulajdonsága már jóval túl mutat a klasszikus részecskemodellen. A p o n t o s a b b leírása már c s a k a kvantum
m e c h a n i k a segítségével lehetséges. Az elektron saját m á g n e s e s m o m e n t u m á h o z kapcsolódik e g y saját b e l s ő impulzusnyomaték, amelyet s p i n n e k n e v e z n e k . Az elektronnak mind a spinje mind a mágneses dipólnyomatéka jól meghatározott kvantálási feltételeknek tesz eleget.
1923-ban tette k ö z é L. de Broglie híres elméletét az anyaghullámok „kettős természetéről", m e l y n e k értelmében a mikrorészecskék a f é n y h e z h a s o n l ó a n , mind korpuszkuláris mind hullám tulajdonsággal is rendelkeznek. Az e l m é l e t n e k megfelelően az elektron p impulzusához hozzátartozik e g y λ = h / p hullámhossz.
Davisson é s G e r m e r 1 9 2 7 - b e n közölték kísérleti eredményeiket, a m e l y e k kétség- bevonhatatlanul igazolták az elektron hullámtermászetét. Így az elektron a fotonhoz hasonlóan duális tulajdoságú részecske. Egyes j e l e n s é g e k n é l a k o r - puszkuláris, más j e l e n s é g e k n é l a hullámtulajdonsága kerül előtérbe. Így az elektron alakjáról alkotott k é p egyre i n k á b b átalakul. K e z d e t b e n az elektron modellje e g y ponttöltés volt, azután e g y R0 sugarú g ö m b , majd a hullám tulajdonság felismerésével eltűnik az elektron jól meghatározott geometriai alakja. Az „elektronhullám" alakjáról a Schrödinger e g y e n l e t b e n s z e r e p l ő hullám- függvény ad felvilágosítást, a m e l y l é n y e g é b e n az elektron sűrűségeloszlásának a k é p é t reprezentálja. Ez az eloszlás pedig attól függ, h o g y milyen k ö l c s ö n - h a t á s o k n a k van kitéve az elektron. A fémrács b e l s e j é b e n m o z g ó vezetési elektron hozzátartozik a rácsot alkotó összes fématomhoz, így a vezetési elektron sűrűségeloszlása kiterjed az egész fémrácsra. Egy d o b o z b a (potenciál d o b o z ) zárt izolált elektron kitölti a rendelkezésére álló teljes teret, tehát a d o b o z b á r m e l y pontjában előfordulhat. A hullámfüggvény segítségével meghatározható az elekt- ron e g y adott térrészben való tartózkodásának a valószínűsége. Így a kvantum- mechanikai modell n e m az elektronnak mint korpuszkulának a képét, h a n e m az elektronhullámnak a térbeli eloszlási valószínűségét szemlélteti.
Az e l e k t r o n t e r m é s z e t e s partnere a proton. Az e l e k t r o n - p r o t o n tartós p á r k a p c s o l a t , a m e l y a C o u l o m b v o n z á s k ö v e t k e z m é n y e , a z a t o m o k kialakulásához vezetett. Az 50-es é v e k b e n a fizikusok rájöttek arra, h o g y az elektronok sajátos e s e t e k b e n - igen alacsony hőmérsékleten, b i z o n y o s a n y a g o k -
F i r k a 1 9 9 7 - 9 8 / 2 6 9
ban, a szupravezetőkben - egymás között is párkacsolatot létesíthetnek. Ez a megállapítás m i n d e n k é p p e n magyarázatra szorul, mert hogyan alakulhat ki tartós párkapcsolat két egymást taszító negatív töltésű részecske között. Ezt a jelenséget, a s z u p r a v e z e t ő b e n l e v ő szabadelektronoknak a „ p á r k é p z ő d é s é t " , a klasszikus fizika törvényei alapján már n e m tudjuk megmagyarázni. A magyarázatot a k v a n t u m m e c h a n i k a szolgáltatja. A kvantummechanikai m o d e l l k é p a követ- k e z ő k é p p e n értelmezi a jelenséget: két szabadelektron (ellentétes spinű), ha e g y rácsion k ö z e l é b e kerül, annak közvetítésével egymás között energiát cserélhet.
Ez az e n e r g i a c s e r e diszkrét (kvantált) energiaértékekhez kapcsolódik é s úgy valósul m e g , h o g y az egyik elektron kibocsájt a másik m e g elnyel e g y fonont.
Kimutatható, h o g y e z az e l e k t r o n - f o n o n k ö l c s ö n h a t á s e g y v o n z ó potenciált e r e d m é n y e z , a m e l y n a g y o b b lehet mint a Coulomb taszító potenciál. A szup- r a v e z e t ő b e n kialakult elektronpárok stabil részecskeként viselkednek. Az „indi- viduális" s z a b a d e l e k t r o n o k h o z viszonyítva egésszen m á s k é p p e n viselkednek (lásd a Szupravezetőkről szóló cikket a Firka 1 / 9 l - e s számában).
A m o d e r n technika számos megvalósítása annak köszönhető, hogy j o b b a n m e g i s m e r t ü k az elektront, alkalmazni tudtuk e g y e s tulajdonságait (rádió, televízió, elektronmikroszkóp, elektronikus számítógép). Az e m b e r é l e t é b e n igen fontos feladatot tölt b e . Az életjelenségek megnyilvánulásától az elektromos b e r e n d e z é s e i n k m ű k ö d é s é i g m i n d e n ü t t f ő s z e r e p l ő k é n t v a n j e l e n . A v i l á g e g y e t e m ü n k r e j e l e m z ő sajátos létformákat, magát a k o z m i k u s létet, n a g y m é r t é k b e n az elektron sajátságai határozták meg. Így hát nyilvánvaló, h o g y az e m b e r számára az egyik legfontosabb tudományos feladat az elektron m e g i s m e r é s e .
Mi az ami m é g megválaszolandó kérdés az elektronnal kapcsolatban? Nincs arra bizonyítékunk, hogy az elektron e l e m i r é s z e c s k e , azaz h o g y olyan pontszerű részecske, amelynek nincs semmi b e l s ő szerkezete. A fizikusok e g y része feltételezi, hogy az elektronnak is van valamilyen b e l s ő szerkezete. Erre a kérdésre a nagyenergiájú részecskegyorsítókban végzett kísérletek során esetleg m á r a k ö z e l j ö v ő b e n választ kaphatunk.
P u s k á s F e r e n c Kolozsvár
Nem célravezető a reklámszövegekből tanulni a kémiát!
Bebizonyították, h o g y ellentétben a reklámok állításaival, az izzadság k é m - hatása ( p H - j a ) n e m függ az egyén nemétől.
Amerikában e g y nagyszámú csoportban (azonos korú fiúk é s lányok) végezték a m é r é s e k e t az ifjak e n y h e fizikai terhelése után. Mindkét nemi c s o p o r t b a n a verejték pH-jára 6 , 1 - 6 , 7 közötti értéket kaptak. Egy ifjúnál észleltek jelentősen e l t é r ő értéket ( 8 , 2 ) , akiről kiderült, hogy a kísérlet idején antibiotikumos kezelés alatt volt.
Rendellenes tulajdonságú anyagok
Az a n y a g o k egyik j e l l e g z e t e s tulajdonsága, h o g y hevítésre kitágulnak.
Előállítottak olyan kerámiákat cirkónium-wolframát é s hafnium-wolframátból, ( Z r W2O8 é s H f W208) , melyek széles hőmérséklet-tartományban ( 0 , 3 - 1 0 5 0 K) a tér minden irányában a z o n o s mértékben csökkentik a térfogatukat hevítés hatására.
7 0 Firka 1 9 9 7 - 9 8 / 2
