Ako se svjetlo ugasi u vašem domu, obično se možete smjestiti blizu nekih svijeća, baterijskih lampi i dobre knjige. Sačekajte tako, jer će se svjetla vjerovatno vratiti uskoro.
Ali ako ste na Marsu, vaša struja ne samo drži svjetla – ona vas bukvalno održava živima. U tom slučaju, nestanak struje postaje mnogo veći problem.
Naučnici NASA-a smatraju da su pronašli način da u potpunosti izbegnu tu mogućnost: stvaranje nuklearnog reaktora. Ovaj nuklearni reaktor, poznat pod nazivom Kilopower, je veličine frižidera i može se sigurno lansirati u svemir uz sve nebeske putnike; astronauti mogu da ga pokrenu dok su još u svemiru ili nakon slijetanja vanzemaljskog tijela.
Projekat Kilopower je upravo dobio nekoliko velikih testova u Nevadi koji su simulirali stvarnu misiju, uključujući neuspjehe koji bi mogli ugroziti njegovu sigurnost (ali nisu).
Ovaj nuklearni reaktor bio bi “mijenjač igre” za istraživače na Marsu, rekao je Lee Mason, Direktor NASA Space Technology Mission Directorate (STMD) za tehnologiju skladištenja energije u saopštenju za javnost NASA iz novembra 2017. godine. Samo jedan uređaj može obezbjediti dovoljno snage da podrži vanzemaljsku energiju u trajanju od 10 godina i to radi bez nekih problema koji su inherentni sunčevoj snazi, odnosno: biti prekinut noću ili blokiran nedjeljama ili mjesecima tokom epskih oluja Marsova epizoda.
“On rješava ta pitanja i pruža stalnu snagu bez obzira na to gde se nalazite na Marsu”, rekao je Mason u saopštenju za medije. On je takođe napomenuo da stajalište na nuklearnom pogonu može značiti da ljudi mogu pristati na većem broju pristaništa na Marsu, uključujući i visoke geografske širine gdje nema puno svjetlosti, ali potencijalno mnogo leda za korištenje astronauta.
Nuklearni reaktori nisu neobična karakteristika u svemiru; Voyager 1 i 2 svemirski brod, koji sada prolaze kroz dubok svemir nakon polaska našeg solarnog sistema, rade na nuklearnoj energiji od kada su započeli 1970-ih. Isto važi i za Mars rover Curiosity, pošto je pristao na Crvenoj planeti 2012. godine.
Ali nam treba mnogo više reaktora za kolonizovanje planeta. A to bi moglo predstavljati problem šta će se raditi sa otpadom.
Prema popularnoj mehanici, reaktori Kilopower stvaraju električnu energiju kroz aktivnu nuklearnu fisiju – u kojoj se atomi razdvajaju kako bi oslobodili energiju. Za to je potreban čvrsti uranijum-235, koji se nalazi u reaktorskom jezgru oko veličine rolne papirnih peškira. Na kraju, taj uranijum-235 će biti “potrošen”, baš kao gorivo u reaktorima na Zemlji, i ugroziti ljude u blizini.
Kada se to desi, jezgro uranijuma moraće da se čuva negdje na sigurnom; potrošeno reaktorsko gorivo je i dalje opasno radioaktivno, i pušta toplotu. Na Zemlji, većina potrošenih gorivnih štapova čuvanih u bazenima vode koji drže šipke hladnim, sprečavaju ih da uhvate vatru i blokiraju zračenje radioaktivnosti. Ali na drugoj planeti bi nam trebala svaka dostupna voda, znate, da bi sačuvali ljude u životu.
Dakle, potreban nam je još jedan način za hlađenje potrošenog radioaktivnog goriva. Moguće je da se iskorišćeno gorivo može čuvati u zaštićenim bačvama u lava-cevima ili na određenim dijelovima površine, jer su Mjesec i Mars toliko hladni, iako to uvodi rizik da bi neko slučajno se našao u blizini njih.
Upravo sada, sve što možemo da uradimo je da špekulišemo – koliko smo znali, NASA nema nikakav javno dostupan plan šta da radi sa potrošenim nuklearnim gorivom za vanzemaljske misije. To bi moglo biti zato što se prototip “Kilopower” samo dokazao ustvari izvodljiv. Ali, ne znajući šta je s onim otpadom iz njega, izgleda kao neobičan nadzor, pošto NASA planira da se vrati na Mjesec, a potom na Mars do početka 2030-ih godina.
A u slučaju da se pitate, ne, ne možete samo pucati nuklearni otpad u dubok Svemir ili na Sunce; NASA je studirala to još sedamdesetih i utvrdila da je to bila prilično strašna ideja. Nazad na tablu za raspisivanje.
Foton ima energiju i energija je ekvivalentna masi. Fotoni se tradicionalno smatraju bezmasivnim.
Logika se može konstruirati na mnogo načina, a slijedeća je jedna takva. Uzmi izolirani sustav (zvan “čestica”) i ubrzajte ga do neke brzine v (vektor). Newton je odredio “zamah” p ove čestice (također vektor), tako da se p ponaša na jednostavan način kad se čestica ubrzava ili kada je uključena u sudar. Za to jednostavno ponašanje ispada da p mora biti proporcionalan v. Konstanta proporcionalnosti naziva se “masa” m čestice, tako da p = mv.
U posebnoj relativnosti, ispada da još uvijek možemo odrediti zamah čestice tako da se ponaša na dobro definiranim načinima koji su proširenje newtonijskog slučaja. Iako p i v još uvijek ukazuju u istom smjeru, ispada da više nisu proporcionalni; najbolje što možemo učiniti jest povezati ih preko “relativističke mase” čestice. Tako
p = m * vr. Kada je čestica u mirovanju, njena relativistička masa ima minimalnu vrijednost nazvanu “masa mirovanja”. Masa mirovanja uvijek je ista za istu vrstu čestice. Na primjer, svi protoni imaju identične mase mirovanja, a tako i svi elektroni, a isto tako i svi neutroni; ove se mase mogu pogledati u tablici. Kako se čestica ubrzava na sve veće brzine, njena relativistička masa povećava se bez ograničenja.
Također se pokazuje da u posebnoj relativnosti možemo odrediti pojam “energije” E, tako da E ima jednostavna i dobro definirana svojstva baš poput onih koje ima u newtonskoj mehanici. Kada je čestica ubrzana tako da ima neki zamah p (duljina vektora p) i relativističku masu, onda njena energija E ispada da je:
Postoje dva zanimljiva slučaja ove posljednje jednadžbe:
Ako je čestica u mirovanju, onda p = 0, i energija je jednaka proizvodu mase mirovanja i kvadrata brzine. Ako postavimo da je masa mirovanja jednaka nuli (bez obzira je li to razumna stvar za napraviti), onda je E = pc. U klasičnoj elektromagnetskoj teoriji, svjetlost pokazuje da ima energiju E i momentum p, a veza im je E = pc. Kvantna mehanika uvodi ideju da se svjetlost može promatrati kao zbirka “čestica”: fotona. Iako se ti fotoni ne mogu odmarati, pa se ideja mase mirovanja zapravo ne odnosi na njih, sigurno možemo donijeti ove “čestice” svjetla u jednadžbe tako što smatramo da nemaju masu mirovanja. Na taj način, gornja jednadžba daje ispravan izraz svjetlosti, E = pc. Gornja jednadžba se može primijeniti na čestice materije i “čestice” svjetlosti. Sada se može koristiti kao potpuno općenita jednadžba, što ju čini vrlo korisnom.
Postoje li eksperimentalni dokazi da foton ima nultu masu mirovanja?
Alternativne teorije fotona uključuju pojam koji se ponaša kao masa, a to dovodi do vrlo napredne ideje “masivnog fotona”. Ako ostatak mase fotona nije nula, teorija kvantne elektrodinamike bi bila “u nevolji” prvenstveno kroz gubitak invariancije. Također, očuvanje naboja više ne bi bila apsolutno zajamčeno, kao što je to ako fotoni imaju nultu masu mirovanja. No, bez obzira na to što bilo koja teorija mogla predvidjeti, još uvijek je potrebno provjeriti to predviđanje metodom eksperimenta.
Gotovo je sigurno nemoguće napraviti bilo koji pokus koji bi utvrdio masu mirovanja fotona da bude tačno nula. Najbolje što se možemo nadati jest postaviti granice na nju. Nenulta masa mirovanja predstavljala bi mali faktor prigušenja u inverznom kvadratnom Coulombovom zakonu elektrostatskih sila. To znači da bi elektrostatska sila bila slabija na vrlo velikim udaljenostima.
Isto tako, ponašanje statičkih magnetskih polja bit će modificirano. Gornja granica fotonske mase može se zaključiti putem satelitskog mjerenja planetarnih magnetskih polja. Letjelica Explorer je korištena za određivanje gornje granice od 6 × 10-16 eV s velikom sigurnošću. To je malo poboljšano 1998. godine od strane Roderic Lakesa u laboratorijskom eksperimentu koji je tražio anomalne sile na ravnoteži Cavendish. Nova granica je 7 × 10-17 eV. Studije galaktičkih magnetskih polja ukazuju na mnogo bolju granicu od manje od 3 × 10-27 eV, no postoji sumnja u valjanost ove metode.
Prema specijalnoj teoriji relativnosti, masa i energija su ekvivalentni. Što je energičnija čestica, to je više mase.
Sada, uzmite jezgro – recimo deuterijum. Napravljeno je od jednog protona i jednog neutrona koji je zaglavljen jakom silom. Sada, ako želite podjeliti ovo u konstitutivne nukleone, moraćete snabdjeti energiju (približno 2,2 MeV). Drugim rječima, jezgro deuterije je manje energično od {slobodnog neutrona i slobodnog protona). Zbog toga deuterijumsko jezgro mora imati manje mase nego {slobodan proton + slobodan neutron}. Ova razlika u masi se naziva maseni defekt. Ova količina se odnosi na energiju vezivanja kao
E = Δmc^2
Maseni nedostatak nije jedinstven za jezgra. Svaki vezani sistem ima manje energije nego kada su sastojci slobodni, a samim tim i manje mase. Na primer, atom vodonika ima maseni defekt od 2.43e-35 kg.
Hemičar Džon Dalton predložio je teoriju da su sva materija i predmeti sastavljeni od čestica zvanih atomima, a ovo je i dalje prihvaćeno od strane naučne zajednice, skoro dva vijeka kasnije. Svaki od ovih atoma je sastavljen od neverovatno male jezgre, pa čak i manjih elektrona, koji se kreću prilično daleko od centra.
Ako zamislite stol koji je milijarde puta veći, njegovi atomi bi bili veličine lubenice. Ali i pored toga, jezgro u centru bi i dalje bilo premalo da bi se vidjelo, a elektroni bi i dalje plesali oko njega. Pa zašto naši prsti jednostavno ne prolaze kroz atome, i zašto svjetlost ne prolazi kroz praznine?
Da objasnim zašto bi trebali pogledati elektrone. Nažalost, mnogo toga što smo učili u školi je pojednostavljeno – elektroni ne kruže oko centra atoma kao planete oko Sunca, kao što ste mogli i naučiti. Umesto toga, mislite na elektrone poput roda pčela ili ptica, gdje su pojedinačni pokreti suviše brzi za praćenje, ali i dalje vidite oblik ukupnog rojka.
Elektronski ‘ples’
U stvari, elektronski ples – ne postoji bolji izraz za to. Ali to nije slučajan ples – to je više kao ples, gdje se kreću u setu obrazaca, sljedeći korake koje propisuje matematička formulacija nazvana po jednadžbi od Erwina Schrödingera.
Slika: Elektroni su kao jato ptica
Ti šabloni mogu varirati – neki su spori i nježni, kao valcer, neki su brzi i energični, poput Charlestona. Svaki elektron drži isti obrazac, ali jednom za neko vrijeme može se promjeniti na drugi, sve dok nijedan drugi elektron ne radi više taj obrazac. Nema dva elektrona u atomu istog koraka: ovo pravilo se zove Princip isključenja.
Iako se elektroni nikad ne umaraju, doći do bržeg koraka, uzima energiju. A kada se elektron spušta u sporiji uzorak gubi energiju. Dakle, kada energija u obliku svjetlosti padne na elektron, može apsorbovati neku energiju i pomjeriti se na viši, brži “plesni” uzorak. Svjetlosna zraka neće proći kroz naš sto, pošto su elektroni u svim atomima željni da privuku neku energiju iz svjetlosti.
Poslije veoma kratkog vremenskog perioda oni bi izgubili ovu energiju, možda ponovo kao svjetlost. Promjene u obrascima apsorbcije i emitovanja svjetlosti daje refleksiju i boje – tako da vidimo sto kao čvrst.
Otpor kada se dodirne
Slika: Otpor stola je jak
Ako dodirnete sto, onda se elektroni iz atoma u prstima približavaju elektronima u atomima stola. Pošto se elektroni u jednom atomu približavaju jezgru drugog, promjene u njihovim plesovima se mijenjaju. Ovo je zbog toga što elektron u niskom energetskom nivou oko jedne jezgre ne može učiniti isto oko druge – taj prorez već uzima jedan od sopstvenih elektrona. Novajlija mora stupiti u nenaseljenu, energetskiju ulogu. Ta energija mora biti isporučena, a ne od svjetla ovog puta, već od sile koju dobije od vaših prstiju.
Tako gurati dva atoma blizu jedan drugom uzima energiju, jer svi njihovi elektroni treba da idu u prazno visoko energetsko stanje. Pokušavati da gurate sve atome stola i atome prstiju zajedno zahtijeva jako puno energije – više nego što mogu isporučiti mišićeđi. Osjećate to kao otpor na vašim prstima, zbog čega se i stolica osjeća čvrstom na vaš dodir.
Slika elektrona koji “kruže oko” jezgre poput planeta oko sunca ostaje trajna, ne samo u popularnim slikama atoma, već i u umovima mnogih koji znaju bolje. Prijedlog, prvi put napravljen 1913., da centrifugalna sila rotirajućeg elektrona točno balansira atraktivnu silu jezgre (analogno centrifugalnoj sili mjeseca u svojoj orbiti koja se točno protivi privlačenju Zemljine gravitacije) lijepa je zamisao, ali je jednostavno neodrživa.
Slika 1.1: Najpopularnije znanstvene slike atoma pokazuju elektrone koji se kreću oko jezgre poput planeta oko sunca. Ove su slike prilično jednostavno pogrešne. Dolaze iz stare ideje o strukturi atoma i traju, djelomično od navike, a dijelom zbog toga što je suvremeni pogled na raspored elektrona u atomu previše težak da bi napravili neku jednostavnu sliku.
Jedno od podrijetla ove hipoteze koja sugerira ovu perspektivu je vjerojatna je sličnost gravitacije i Coulombske interakcije. Izraz za silu gravitacije između dvije mase (Newtonov zakon gravitacije) jest:
gdje m1 i m2 predstavljaju mase objekta 1 i 2, odnosno r predstavlja razmak između centara objekata. Izraz za Coulombovu snagu između dva naelektrisanja jest:
q1 i q2 predstavljaju naboj objekta 1 i 2, odnosno r predstavlja razmak između centara objekata.
Međutim, elektron, za razliku od planeta ili satelita, električno je napunjen, a od sredine 19. stoljeća poznato je da električni naboj koji se podvrgava ubrzanju (mijenja brzinu i smjer) emitira elektromagnetsko zračenje, gubi energiju u procesu. Rotirajući elektron pretvorio bi atom u minijaturnu radijsku postaju, čija će energija biti po cijeni potencijalne energije elektrona; prema klasičnoj mehanici, elektron bi jednostavno otišao poput spirale u jezgro i atom bi se srušio.
Slika 1.2: Klasična spirala smrti jednog elektrona oko jezgre.
Kvantna teorija u spašavanju!
Do 1920-ih, postalo je jasno da maleni objekt kao što je elektron ne može se tretirati kao klasična čestica koja ima određenu poziciju i brzinu. Najbolje što možemo učiniti je odrediti vjerojatnost njegovog manifestiranja u bilo kojem trenutku u prostoru. Ako biste imali čarobnu kameru koja bi mogla uzeti niz slika elektrona u orbitali atoma vodika i mogla kombinirati dobivene točkice na jednoj slici, vidjet ćete nešto ovako. Jasno, vjerojatnije je da će se elektron naći što bliže se kretamo prema jezgri.
To potvrđuje ova slika koja pokazuje količinu elektronskog naboja po jedinici volumena prostora na različitim udaljenostima od jezgre. To je poznato kao ploha gustoće vjerojatnosti. Jedinica volumena prostornog dijela je ovdje vrlo važna; budući da se radi o radijusu bliže jezgri, ti volumeni postaju vrlo mali, pa se broj elektrona po jedinici volumena povećava vrlo brzo. U ovom pogledu, čini se kao da elektron pada u jezgru!
Prema klasičnoj mehanici, elektron bi jednostavno otišao spiralno u jezgru i atom bi se srušio. Kvantna mehanika je drugačija priča.
Bitka beskonačnosti spašava elektron iz njegove spirale smrti
Kao što znate, potencijalna energija elektrona postaje negativnija jer se kreće prema atraktivnom polju jezgre; u stvari, približava se negativnoj beskonačnosti. Međutim, budući da ukupna energija ostaje konstantna (atom vodika koji mirno sjedi sam neće izgubiti ni nabaviti energiju), gubitak potencijalne energije nadoknađuje povećanje kinetičke energije elektrona (ponekad se u ovom kontekstu naziva Energija “ograničenja”) koja određuje svoj zamah i njegovu efektivnu brzinu.
Kako se elektron približava malenom volumenu prostora kojeg zauzima jezgra, njegova potencijalna energija uroni se prema minus-beskonačnosti, a njegova kinetička energija (zamah i brzina) puca prema pozitivnoj-beskonačnosti. Ta “bitka beskonačnosti” ne može biti osvojena ni s jedne strane, pa se postiže kompromis u kojemu teorija kaže da pad potencijalne energije je samo dvostruko viši od kinetičke energije, a elektrona pleše po prosječnoj udaljenosti koja odgovara Bohrovom radijusu.
Još jedna stvar nije u redu s ovom slikom; Prema principu Heisenberga neizvjesnosti (bolji izraz bi bio “neodređenost”), čestica sitna kao elektron ne može se smatrati kao da ima određenu lokaciju ili zamah. Princip Heisenberga kaže da se bilo mjesto ili zamah kvantne čestice kao što je elektron može točno poznavati, ali kako je jedna od tih količina preciznije navedena, vrijednost druge postaje sve neodređenija. Važno je shvatiti da ovo nije samo pitanje poteškoća promatranja, već temeljno svojstvo prirode.
Ono što to znači jest da unutar malih granica atoma, elektron se ne može smatrati “česticom” koja ima određenu energiju i mjesto, tako da je pomalo pogrešno govoriti o elektronskom “padu” u jezgru.
Arthur Eddington, poznati fizičar jednom je sugerirao, a ne sasvim u šali, da bi bolji opis elektrona bio “wavicle”!
Možemo, međutim, govoriti o tome gdje elektron ima najveću vjerojatnost manifestiranja – to jest, gdje će se naći maksimalni negativni naboj.
Ovo je samo krivulja označena kao “gustoća vjerojatnosti”; njezin strmi uspon dok se približavamo jezgri nedvosmisleno pokazuje da se elektron najvjerojatnije može naći u sićušnom volumenu elementa u jezgri. Ali čekaj! Nismo li samo rekli da se to ne događa? Ono što ovdje zaboravljamo jest da dok se mi iseljavamo iz jezgre, broj ovih malih volumenskih elemenata smještenih duž bilo kojeg radijusa vrlo brzo raste s r, što povećava faktor 4πr*r. Dakle, vjerojatnost pronalaženja elektrona negdje na određenom krugu radijusa nađena je množenjem gustoće vjerojatnosti pomoću 4πr*r. To daje krivulju koju ste vjerojatno vidjeli negdje drugdje, poznatu kao radijalna vjerojatnost, koja je prikazana na desnoj strani gornjeg dijagrama. Vrh radijalne vjerojatnosti za glavni kvantni broj n = 1 odgovara Bohrovom radijusu.
Ukratko, gustoća vjerojatnosti i radijalne vjerojatnosti prikazuju dvije različite stvari: prva pokazuje gustoću elektrona na bilo kojoj točki u atomu, dok druga, koja nam je općenito koristna, govori o relativnoj gustoći elektrona zbrajano iznad svih točaka na krugu danog radijusa.
Crookesova cijev: elektroni putuju ravno s lijeve strane gdje je katoda, na desnu stranu gdje je anoda (žica na dnu cijevi desno). Kao dokaz struje elektrona postavljen je Malteški križ koji baca sjenu na desnu stranu cijevi.
9,109 382 15(4 5)×10−31 kg5,485 799 094 3(23)×10−4 u [1 822,888 502 04(7 7)]−1 u 0,510 998 910 (13) MeV/c2
Električni naboj:
−1 e −1,602 176 487 (40)×10−19 C −4,803×10−10 esu
Magnetski moment:
−1,001 159 652 181 11 μB
Spin:
1⁄2
Ogib ili difrakcija elektrona je pokazala da se elektroni ponašaju i kao čestice i kao valovi (dualizam).
Prikaz električnog polja koje okružuje pozitivni (crveno) i negativni (plavo) električni naboj.
Istoimeni električni naboji se djelovanjem elektrostatičke sile odbijaju, a naboji suprotnog predznaka privlače.
U pojednostavljenom Bohrovom modelu atoma vodika, Balmerova serija nastaje skokom elektrona na drugu energetsku razinu (n=2). Prikazana je emisija svjetlosti. Prijelaz elektrona prestavlja H-alfa, prvu liniju Balmerove serije, valne duljine 656 nm.
Comptonov učinak: foton valne duljine lambda koji dolazi s lijeve strane, sudara se sa slobodnim elektronom, pa se zatim stvara novi foton valne duljine lambda koji se raspršuje pod kutem theta.
Putanja čestice u magnetskom polju u ovisnosti o predznaku električnog naboja: elektron ima negativan q tako da putanja ide prema gore.
Električna struja je usmjereno gibanje slobodnih elektrona.
Prikaz fotoelektričnog učinka.
Vodikove atomske orbitale na različitim energetskim razinama. Svijetlija područja pokazuju mjesta gdje se elektron najvjerovatnije može naći.
Elektronski uhvat.
Elektron je negativno nabijena, stabilna subatomska čestica. Elektron je uz proton i neutron jedna od sastavnih čestica atoma. Pripada fermionima i leptonima, najlakši je od tri otkrivena električki nabijena leptona. Valna duljina λ elektrona zadana de Broglievom relacijom:
gdje je: v – brzina elektrona, h – Planckova konstanta, me – masa elektrona. Najčešće se elektroni oslobađaju iz atoma, molekula ili kristalne rešetke obasjavanjem svjetlošću, izlaganjem rendgenskomu zračenju ili elektronima, zagrijavanjem na visoke temperature i slično. Atomske jezgre izbacuju elektrone u obliku beta-zračenja (radioaktivnost); elektroni nastaju i u nizu procesa među elementarnim česticama. Par elektron-antielektron nastaje iz visokoenergijskoga gama-kvanta (energije iznad 1 MeV).
Svojstva
Opća svojstva
Opća svojstva su elektrona:
masa elektrona:
elementarni električni naboj:
spin:
magnetski moment:
gdje je: h – Planckova konstanta, c – brzina svjetlosti.
Dualna priroda elektrona
U svojoj doktorskoj tezi iz 1924. uveo je hipotezu o elektronskim valovima, odnosno pretpostavio da elektronima u pokretu treba pridružiti i valna svojstva. Prije njega, zahvaljujući Einsteinovom objašnjenju fotoelektričnog učinka i Planckovom objašnjenju zračenja apsolutno crnog tijela, ukazala se nužnost da se zrakama svijetlosti (elektromagnetsko zračenje) pridruže i čestična svojstva. De Broglie je stoga postavio obrnuto pitanje: “Ako svijetlost osim valnih posjeduje i čestična svojstva, da li onda česticama supstancije, kao što su, na primjer, elektroni, treba također, osim čestičnih, pridružiti i valna svojstva?”
Ovu njegovu pretpostavku o valnim svojstvima čestica znanstvena je javnost u prvi mah primila sa nevjericom, pa čak i sa podsmjehom. Međutim, njegovu teoriju su potvrdili Lester Germer i Clinton Joseph Davisson 1927. u pokusu kojim je dokazana ogib ili difrakcija elektrona na kristalima. Difrakcijska slika je bila dokaz valne prirode elektrona. Za rad na valnoj mehanici i za otkriće valne prirode elektrona dobio je Nobelovu nagradu za fiziku 1929. Jedna od primjena njegovog otkrića je elektronski mikroskop, koji je imao mnogo veću rezoluciju od optičkih mikroskopa jer je valna dužina elektrona mnogo kraća od valne dužine svijetlosti. De Broglieova hipoteza postala je tako jedan od osnovnih postulata nove valne ili kvantne mehanike, ali također uvela u fiziku i problem takozvanog valno-čestičnog dualizma. Kao prikaz ove pojave danas se najčešće navodi pokus ogiba elektrona na dvostrukom prorezu.
Interesantno je primijetiti da u svojim kasnijim istraživanjima de Broglie nije došao ni do jednog rezultata, koji bi bio bar približno jednak ovom njegovom izuzetnom otkriću, do kojega je došao radeći na svojoj doktorskoj disertaciji.
Električni naboj
Električni naboj ili količina elektriciteta (oznaka q ili Q) je fizikalna veličina koja opisuje temeljno svojstvo čestica koje uzajamno djeluju električnim silama. Određuje se kao umnožak električne struje I i vremena njezina protjecanja t:
Q=I*t
Mjerna jedinica električnoga naboja je kulon (C).
Postoje dvije vrste električnoga naboja, pozitivni i negativni, koji su po svojim učincima suprotni. Čestice ili fizikalna tijela nabijena istoimenim električnim nabojem međusobno djeluju odbojnom silom, a čestice ili tijela nabijena raznoimenim električnim nabojem se privlače. Električki nabijene čestice u mirovanju stvaraju električna polja, a električki nabijene čestice u gibanju stvaraju električna, elektromagnetska i magnetska polja. Dogovorno je označen kao pozitivan onaj električni naboj što ga trenjem dobije stakleni štap, a kao negativan, električni naboj proizveden trenjem na štapu od smole. Atomi su električki neutralni i većina tvari na Zemlji je električki neutralna. Tvari postaju električki nabijene kad se u njima razdvoje različito nabijene čestice, to jest kad se pojedini elektroni izdvoje iz atoma. Nositelji negativnoga električnoga naboja najčešće su elektroni, a nositelji pozitivnoga naboja najčešće su atomi kojima nedostaje jedan ili više elektrona (ion) odnosno, na subatomskoj razini, protoni.
Električni naboji tijela uvijek su višekratnici elementarnog električnog naboja elektrona e = –1,602177 · 10–19 C. Jedine do danas poznate čestice koje mogu imati električni naboj manji od naboja elektrona su kvarkovi. Električni naboj je temeljno očuvano svojstvo nekih subatomskih čestica, koje određuje njihovu elektromagnetsku interakciju. Električki nabijena materija utječe na, i stvara, elektromagnetska polja. Međudjelovanje između naboja i polja je izvor jedne od četiri fundamentalne sile, i to elektromagnetske sile.
Povijest istraživanja
Prvi je Tales iz Mileta (600 pr. Kr.) pisao da jantar (grč. ἤλεϰτρον, ḗlektron), kada se tare, privlači sitne čestice tvari, a W. Gilbert otkrio je da i druge tvari, a ne samo jantar, imaju električno svojstvo. Pojavu električnoga odbijanja prvi je 1672. opazio Otto von Guericke, a 1663. konstruirao je prvi elektrostatički stroj na trenje. Razliku među vodičima i izolatorima otkrio je Stephen Gray. Francuski kemičar C. F. C. du Fay utvrdio je 1734. različitost električnog naboja nastalog trljanjem stakla od naboja nastalog trljanjem smole, a G. Ch. Lichtenberg nazvao je pozitivnim električni naboj nastao trljanjem stakla. Oko 1747. B. Franklin konstatirao je da se pri trenju stvaraju uvijek jednake količine pozitivnog i negativnog električnog naboja. Istraživanjem sila koje djeluju među električnim nabojima bavili su se H. Cavendish i J. Priestley, a zakon o ovisnosti privlačne ili odbojne sile o nabojima i udaljenosti među nabojima, a osnovi pokusa formulirao, Ch. A. de Coulomb, pa se po njemu mjerna jedinica električnog naboja naziva kulon (C). Prema Coulombovu zakonu sila F koja djeluje između dvaju točkastih električnih naboja q1 i q2 razmjerna je produktu obaju naboja, a obrnuto razmjerna kvadratu njihova razmaka r:
gdje je: ε0 – dielektrična permitivnost vakuuma. Sila je najjača u vakuumu, a slabija u svim drugim sredstvima:
gdje je: εr – relativna dielektrična permitivnost nekog sredstva ili tvari, ε – dielektrična permitivnost (ili samo permitivnosti) tvari.
Sila F je vektor, pa je i jakost električnog polja E vektorska veličina, a kao smjer električnoga polja uzima se onaj smjer u kojem djeluju sile na pozitivni naboj. Električno polje može se opisati i skalarnim veličinama, potencijalima V. Električni naboji mogu pod utjecajem električnih sila obavljati mehanički rad, a to znači da u svakoj točki polja električni naboj q ima izvjesnu potencijalnu energiju (električni potencijal) s obzirom na neku referentnu točku u polju kojoj se pripisuje potencijal φ = 0. To je obično vrlo udaljena točka u polju ili Zemlja. Sve točke u polju koje imaju isti potencijal leže na ekvipotencijalnim plohama.
Za električni naboj q električni potencijal V neke točke na udaljenosti r iznosi:
Budući da je razlika potencijala među dvjema točkama u elektrostatičkom polju jednaka električnom naponu među tim točkama, to će u elektrostatici, gdje naboji miruju, sve točke nekog vodiča biti na istom električnom potencijalu, jer bi inače zbog napona došlo do gibanja naboja. Iz odnosa Uab = Va – Vb proizlazi da se električni potencijal i električni napon mjere istom mjernom jedinicom volt (V), a jakost električnog polja mjeri se u voltima po metru (V/m).
Elektron je prva otkrivena subatomska čestica. Kako bi objasnili Faradayev zakon elektrolize i atomsku strukturu materije, George Johnstone Stoney i Hermann von Helmholtz pretpostavili su (1881.) da se elektricitet pojavljuje samo u višekratnicima osnovnog iznosa. Godine 1891. Johnstone Stoney je predložio naziv elektron za osnovni iznos električnoga naboja. Poslije se taj naziv počeo primjenjivati za čestice u katodnom zračenju, to jest za čestice atomskog omotača. Katodno zračenje čine snopovi iz katode izbačenih atomskih elektrona u katodnoj cijevi. Otkrio ga je Julius Plücker 1858., ali je konačna spoznaja da su to snopovi nabijenih čestica uslijedila tek potkraj 19. stoljeća. Otklanjanje katodnog zračenja u magnetskom polju (William Crookes, Jean Baptiste Perrin) dalo je naznake da ga čine negativno nabijene čestice. Godine 1896. Hendrik Antoon Lorentz je objašnjavao cijepanje spektralnih linija u magnetskom polju (Zeemanov učinak) pretpostavkom o elektronu kao sastavnom dijelu atoma. Pokusi Josepha Johna Thomsona pokazali su da je specifični električni naboj (e/m) čestica u katodnom zračenju neovisan o materijalu katode i o načinu na koji su čestice izbačene; i da je masa elektrona oko 1/1840 dio mase vodikova atoma. Thomsonovi radovi i zaključak da je elektron sastavna čestica svih atoma smatraju se otkrićem elektrona (1897.). Točan iznos elementarnoga električnog naboja elektrona izmjerio je Robert Andrews Millikan (1909.). James Clerk Maxwell u svojoj je teoriji elektromagnetizma otkrio da je elektromagnetsko polje tromo. Na osnovi te teorije Lorentz je 1895. elektron zamislio kao kuglicu u kojoj je električni naboj, a okružena je električnim poljem ukupne energije E. Na osnovi Einsteinove relacije E = mc², pretpostavivši dakle da je tromost (masa) elektrona posljedica tromosti njegova električnog polja, Lorentz je izračunao (takozvani klasični) polumjer elektrona r = e²/mec² = 2,82 · 10–15 m. Ernest Rutherford je otkrio atomsku jezgru (1911.), Niels Bohr (1913.) je postavljanjem kvantnih uvjeta za gibanje elektrona objasnio stabilnost i jednakost atoma i optičke spektre.
Kvantna mehanika (Louis de Broglie 1924., Werner Karl Heisenberg, Erwin Schrödinger 1925.) pronalazi novo svojstvo elektrona: valno gibanje, koje potvrđuje difrakcija elektrona na kristalnoj rešetki. Elektron se ponaša kao val (dualizam), kojemu je valna duljina određena de Broglieovom relacijom λ = h/mev i kao mali zvrk sa spinom h/4π i magnetskim momentom eh/4πmec (George Eugene Uhlenbeck 1925.) te da se u višeatomskim sustavima elektroni raspoređuju u dozvoljena kvantna stanja samo po jedan u pojedino stanje (Paulijevo načelo).
Relativistička kvantna mehanika (Paul Dirac, 1928.) donosi Diracovo otkriće simetrije s obzirom na izmjenu električnoga naboja čestice. Dirac pretpostavlja postojanje pozitrona (pozitivno nabijenog elektrona, to jest antielektrona). Carl David Anderson je otkrio 1932. pozitrone u kozmičkom zračenju. Primjenjujući kvantne zakone na elektromagnetsko polje, Wolfgang Pauli postavio je (1928.) Paulijevo načelo, tvrdnju da se svaki elektron u atomu nalazi u drugome kvantnom stanju. Mjerenje pomaka dvaju stanja u vodiku, takozvanog Lambova pomaka (Willis Eugene Lamb 1947.), i precizno mjerenje magnetskoga momenta elektrona (Polykarp Kusch i Henry Foley 1947.) utvrdili su malo (0,12%) odstupanje od Diracove teorije. Moderna mjerenja magnetizma elektrona najpreciznija su mjerenja uopće. Nobelova nagrada za fiziku za godinu 1989. dodijeljena je Hansu Georgu Dehmeltu za mjerenje magnetizma elektrona s točnošću od dvanaest znamenki. Kvantna elektrodinamika objasnila je na primjer proizvodnju parova elektron-pozitron s pomoću fotona veće energije i Comptonov učinak.
Elektronska teorija
Poznato je da su najmanje čestice materije molekule i atomi. Međutim, atom nije nedjeljiv, kako se prije to mislilo, već se sastoji od atomske jezgre oko koje kruže velikim brzinama još manje čestice koje se zovu elektroni. Atom možemo usporediti sa Sunčevim sustavom u kojem planeti kruže oko Sunca. Atomi su sastavljeni od atomske jezgre i elektrona koji kruže oko te jezgre, samo se međusobno razlikuju po veličini jezgre i po broju elektrona. Najjednostavniji atom je atom kemijskog elementa vodika kod kojeg oko jezgre kruži samo jedan elektron. Najveći je atom koji se nalazi u prirodi atom elementa uranija kod kojeg oko jezgre kruže 92 elektrona.
Elektron je najsitnija negativna čestica u atomu, to jest on je negativno električan, dok je atomska jezgra pozitivno električna.
Ima tvari kod kojih su elektroni u atomu čvrsto vezani uz atomsku jezgru tako da se ne mogu od nje odijeliti na jednostavan način. Te tvari nisu sposobne za vođenje elektriciteta (električni izolatori). Kovine imaju takav sastav da kod njih nisu svi elektroni vezani uz atomsku jezgru, već ima i slobodnih elektrona koji se lako gibaju između molekula kovine. Električna struja je usmjereno gibanje slobodnih elektrona.
Ako neko fizikalno tijelo ima potpun broj svojih elektrona, kaže se da je to tijelo električni neutralno. Zbog različitih okolnosti atom nekog tijela može izgubiti nešto od svojih slobodnih elektrona, pa će ostatak atoma biti pozitivno električan. U protivnom slučaju, ako atom primi nešto suvišnih elektrona, on će biti negativno električan. Ovakvi, električki nabijeni atomi, bilo pozitivno ili negativno, zovu se ioni. Ima, dakle, pozitivnih i negativnih iona. Pozitivni ioni zovu se kationi jer se gibaju prema negativnoj elektrodi ili katodi, a negativni ioni zovu se anioni jer se gibaju prema pozitivnoj elektrodi ili anodi. Ionizirani mogu biti ne samo pojedini atomi nego i međusobno povezane grupe od dva ili više atoma. To su složeni ili kompleksni ioni.
Emisija elektrona
Emisija elektrona je oslobađanje elektrona iz metalnih (i nekih drugih) elektroda. Izlazak slobodnih elektrona iz metala sprječava energijska barijera (površinska struktura koja elektronima onemogućava prijelaz bez utroška određene energije). Elektron može izaći iz površine elektrode tek kada njegova energija postane veća od izlaznoga rada (energija koju elektron mora utrošiti kako bi izišao iz metala) što se postiže zagrijavanjem, obasjavanjem i drugim.
Termionska emisija
Termionska emisija ili termoionska emisija postiže se grijanjem (žarenjem) elektrode (katode). Za tu su emisiju, koja se primjenjuje u elektronskim cijevima, osobito prikladni materijali volfram, torij, barij, ponekad pokriveni oksidima.
Fotoelektrična emisija
Fotoelektrična emisija nastaje kada fotoni svjetlosti koja pada na površinu elektrode (fotokatode) predaju svoju energiju elektronima i time omoguće njihov izlazak. Slično djeluju i druga zračenja.
Sekundarna emisija
Sekundarna emisija nastaje kada se energija iona, nestabilnih atoma ili ubrzanih elektrona (energije 10 do 20 eV) prenese na elektrone metalnih elektroda, koji nakon ulijetanja tih čestica na elektrodu izlaze u većem broju iz nje.
Emisija električnim poljem
Emisija električnim poljem nastupa kada na hladnu elektrodu djeluje vanjsko električno polje velike jakosti. U tom slučaju elektroni kroz energijsku barijeru prolaze tuneliranjem. Oštri bridovi i šiljci pomažu takvu emisiju.
Elektronski uhvat
Elektronski uhvat je obratni ili inverzni β (beta) proces kao dio univerzalnoga slabog međudjelovanja elementarnih čestica, pri kojem atomska jezgra apsorbira elektron iz atomske ljuske (najčešće K-ljuske, pa se govori o K-uhvatu) uz emisiju neutrina:
p + e– → n + νe
Na tom se procesu temelji opažanje supernove, gdje udarni val emitiranih neutrina raznese zvjezdani plašt. Elektroni mogu biti uhvaćeni i u orbitu atoma, molekule ili iona.
Izvori
P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell: “The 2014 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants”. This database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.
elektron, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.
Nuklearna fizika se bavi istraživanjem strukture atomskog jezgra i procesa koji se u njemu odigravaju.
Građa atomskog jezgra
Nukleus ili jezgro atoma je izgrađeno od dvije vrste elementarnih čestica: protona i neutrona, koji se nazivaju jednim imenom nukleoni. Proton i neutron su dva stanjaiste čestice – nukleona. Proton p je stabilna čestica sa pozitivnim nabojem koji je po iznosu jednak negativnom naboju elektrona. Naboju jezgra je određen brojem protona Z i iznosi Z puta naboj elektrona e. Broj protona u jezgru jednak je broju elektrona u elektronskom omotaču kod neutralnih atoma. To je atomski broj koji određuje identitet atoma i čini njegov redni broj u periodnom sistemu elemenata. Kad se broj elektrona promijeni govorimo o pozitivnom ili negativnom jonu istog elementa jer je ostao isti broj protona. Kada se promijeni broj protona u jezgru atoma onda dolazi do promjene identiteta atoma. U prirodi imamo atome od Z = 1 za vodik do Z = 92 za uran U. U laboratorijima su proiyvedeni i neki tzv. transuranski elementi: neptunij Np sa atomskim brojem Z = 93, plutonij Pu sa atomskim brojem Z = 94.
Broj nukleona u jezgru označavamo sa A i nazivamo ga maseni broj zato što određuje masu. Broj neutrona označavamo sa N, pa imamo A = Z + N . Nasuprot slobodnom protonu, neutron n u slobodnom stanju je nestabilna radioaktivna čestica koja se spontano raspada na proton, elektron i elektronski antineutrino:
Vrijeme života slobodnog neutrona je oko 15 minuta.
Lakša jezgra imaju ujednačen broj protona i neutrona, a teža jezgra imaju više neutrona nego protona. Elementi do rednog broja 20 imaju ujednačen broj protona i neutrona, a oni poviš tog rednog broja imaju više neutrona što se vidi i na grafu:
Slika 1: Grafički prikaz odnosa broja neutrona (N) i odnosa broja protona (P) za stabilna jezgra
Za atom se kao oznaka koristi redni broj Z, maseni broj A i simbola elementa:
Identitet jezgra je određen rednim Z i masenim brojem A. Jezgra sa istim rednim brojem, odnosno sa istim brojem protona se nazivaju izotopi. Svi izotopi imaju iste hemijske osobine jer su one određene brojem protona u jezgri. Izotopi vodika su deuterij i tricij. Otkriveno je oko hiljadu izotopa raznih elemenata, a mnogi su dobijeni u laboratorijama.
Masa protona je 1.836 puta veća od mase elektrona, a masa neutrona je oko 1838.5 puta veća od mase elektrona, što znači da je masa neutrona veća od mase protona. Masa slobodnog nukleona je približno jednaka atomskoj jedinici mase (1 u) koja je 1/12 mase atoma karbona:
i iznosi:
Atomska masa nekog elementa je dakle približno jednaka masenom broju A.
U atomskoj fizici u upotrebi je jedinica 1 MeV/c**2 koja je izvedena iz relativističke relacije od Einsteina za masu i energiju: E = m*c**2 .
Spin protona i neutrona je 1/2 i radi se o fermionima. Nukleoni se kao i elektroni podvrgavaju Paulijevom principu isključenja koje kaže da ne mogu na istom mjestu postojati dva ista sa sve 4 kvantna broja jednaka. Veličine koje karakteriziraju stanje nukleaona kao što su energija, impuls, moment impulsa itd. su kvantizirane i opisane kvantnim brojevima kao i elektroni u omotaču.
Cjela masa atoma je skoncentrirana u jezgru atoma, ali je volumen jezgra puno manji od volumena cjelog atoma. Ako bi atom zamisli kao stadion, jezgro bi bilo kao lopta na centru stadiona. Ugrubo se uzima da je jezgro oblika sfere sa volumenom koji je proporcionalan ukupnom broju nukleona:
– konstanta koja se određuje eksperimentalno.
Radijus protona ili neutrona je oko:
Zbog malog volumena jezgro ima ogromnu gustoću od oko 1.3 * 10 na 17 kg po metru kubnom ili oko 130 miliona tona po centrimetru kubnom. S obzirom da je volumen jezgre puno manji od volumena jezgra ta ostrva velikih gustoća su jako udaljena jedna od drugih. U Svemiru postoje objekti kod kojih se pod utjecajem gravitacije jezgra približavaju i iako ogromni po volumenu ipak imaju i gustoću jednaku gustoći jezgra i nazivaju se neutronske zvijezde. Kod njih se u procesu sažimanja elektron i proton pretvaraju u neutralne supostance neutron i elektronski neutrino.
To da je jezgro i dalje na okupu uprkos djelovanju Kulonovih odbojnih sila među protonima ukazuje na to da u jezgru postoji neka sila koja jezgro drži na okupu. Ta sila ili to međudjelovanje se naziva jakim nuklearnim međudjelovanjem. To je složeno ispoljavanje međudjelovanja između kvarkova u protonima i neutronima. Osobine nukleranog međudjelovanja otkrivene su eksperimentalnim putem, a neka od njih su:
Nuklearno međudjelovanje je kratkog dosega. Na rastojanjima većim od 2 puta 10 na -15 – u nukleoni međusobno ne djeluju i nuklerane sile su zanemarljive. Na rastojanjima od 0.4 do 2 puta 10 na -15 u nuklerano međudujelovanje je privlačno i po intenzitetu premašuje elektromagnetsko.
Slika 2: Prikaz rastojanja na kojem jaka nuklearna sila djeluje privlačno i onog na kojem djeluje odbojno.
Sila nuklearnog međudjelovanja je oko 100 puta jača od elektrostatičke i oko 10 na 40 puta jača od gravitacione sile između nukleona.
Nuklearno međudjelovanje ne zavisi od električnog naboja nukleona, pa jednako međudujeluju i dva protona kao i proton i neutron.
Nuklearno međudjloevanje pojedinog nukleona pokazuje svojstvo zasićenosti, svaki pojedini nukleon međudjeluje samo sa prvim susjedima.
Nuklearno međudujelovanje zavisi od međusobne orjentacije spinova nukleona koji međudujeluju. Energija dva nukleona sa paralenim spinovima nije jednaka energiji antiparalelnih spinova. Deuterij može da se formira samo ako su spinovi protona i neutrona paraleni.
Izvor: Fizika sa zbirkom zadataka za IV razred srednje škole / Fahrudin Kulenović, Slavenka Vobornik, Josip Sliško, 1998. godina.
U fizici, konstanta fine strukture, takođe poznata kao Sommerfeldova konstanta, obično označena α (grčko slovo alfa), predstavlja osnovnu fizičku konstantu koja karakteriše jačinu elektromagnetne interakcije između elementarnih naelektrisanih čestica.
Povezuje se sa elementarnim nabojem e, koji karakteriše jačinu spojnje elementarne naelektrisane čestice sa elektromagnetnim poljem, formulom 4πε0ħcα = e**2. Budući da je bezdimenziona veličina, ona ima istu numeričku vrijednost od oko 1/137 u svim sistemima jedinica. Arnold Sommerfeld je uveo konstantu fine strukture 1916. godine.
Konstanta fine strukture, α, ima nekoliko fizičkih tumačenja. neka od njih su:
Kvadrat odnosa elementarnog naelektrisanja i Planckovog naboja
Odnos dve energije: (i) energija potrebna za prevazilaženje elektrostatičkog odbijanja između dva elektrona na rastojanju od d , i (ii) energije jednog fotona talasne dužine λ = 2 π d.
Odnos brzine elektrona u prvom kružnoj orbiti Bohrovog modela atoma sa brzinom svetlosti u vakuumu, c. Ovo je originalno fizičko tumačenje Sommerfelda. Zatim kvadrat α je odnos između energije Hartree-a (27,2 eV = dvostruko Rydberg-ove energije = približno dvostruke energije ionizacije) i energije za odmor (511 keV).
Dva srazmera od tri karakteristične dužine: klasični elektronski radijus, Comptonova talasna dužina elektrona, i Bohr radijus. U kvantnoj elektrodinamici, α je direktno povezan sa konstantom kuplovanja koja određuje jačinu interakcije između elektrona i fotona. Teorija ne predviđa njenu vrijednost. Stoga, α mora biti određena eksperimentalno. Zapravo, α je jedan od oko 20 empirijskih parametara u Standardnom modelu fizike čestica, čija vrijednost nije određena unutar Standardnog modela.
U elektroslaboj teoriji koja ujedinjuje slabu interakciju sa elektromagnetizmom, α se apsorbuje u dve druge konstante spojnice povezane s elektroslabim poljima. U ovoj teoriji, elektromagnetna interakcija se tretira kao mešavina interakcija povezanih sa elektrolitskim poljima. Snaga elektromagnetne interakcije varira sa snagom energetskog polja.
Historija
Arnold Sommerfeld je uveo konstantu fine strukture 1916. godine, kao deo njegove teorije relativističkih odstupanja atomskih spektralnih linija iz predviđanja Bohr modela. Prvo fizičko tumačenje konstanta fine strukture α je bilo kao odnos brzine elektrona u prvom kružnom orbitu relativističkog Bohr-a sa brzinom svetlosti u vakuumu. Ekvivalentno, to je bio količnik između minimalnog kružnog momenta dozvoljen relativnošću za zatvorenu orbitu i minimalnog kružnog momenta koji je omogućen kvantnom mehanikom. Izgleda prirodno u Sommerfeldovoj analizi i određuje veličinu cepanja ili fine strukture hidrogenskih spektralnih linija.
Antropično objašnjenje
Antropski princip je kontroverzni argument zašto konstanta fine strukture ima vrijednost koju ima: stabilna materija, a samim tim i život i inteligentna bića, ne bi mogli postojati da je njega vrijednost bila mnogo drugačija. Na primjer, da je α promenjen za 4%, zvezdana fuzija ne bi proizvela ugljenik, tako da život na bazi ugljenika ne bi bio moguć. Da je α bio > 0,1, zvezdana fuzija bila bi nemoguća i nijedno mesto u svemiru ne bi bilo dovoljno toplo za život kao što ga znamo.
Misterija o α je zapravo dvostruka misterija. Prva misterija – poreklo njegove numeričke vrednosti α ≈ 1/137 je prepoznata i diskutovana decenijama. Druga misterija – raspon njegovog domena – generalno je neprepoznata.- Malcolm H. Mac Gregor, M.H. MacGregor (2007). Moć Alpha. World Scientific. str. 69. ISBN 978-981-256-961-5.
“Pokus s alfa-česticama i zlatnim listićem je bio jedan od najznačajnih pokusa u nuklearnoj fizici, jer je to bio prvi dokaz da u atomu postoji atomska jezgra. Ernest Rutherford okuplja plodan tim istraživača, među kojima su Hans Geiger, Ernest Marsden, George Hevesy, Henry Moseley, a nekoliko je godina dio tima bio i Niels Bohr.
Ključni se pokus za to otkriće dogodio 1909. kada su znanstvenici vrlo tanki zlatni listić izložili djelovanju alfa-čestica. Thompsonov model atoma je predviđao da će alfa-čestice proći kroz tanki metalni film i raspršiti se pod određenim malim kutovima. No, na veliko je iznenađenje istraživačkoga tima ustanovljeno raspršenje i pod velikim kutovima, a neke su se helijeve jezgre od metalne folije odbile potpuno unatrag. Rutherford je to usporedio s vjerojatnošću da list papira odbije topovsku kuglu. Rezultat je pokusa vodio prema novom modelu atoma, koji je Rutherford predložio 1911.: atom se sastoji od središnjega električnog naboja okruženoga sferičnom raspodjelom naboja suprotnoga predznaka.
Ernest Rutherford je pokusima izmjerio da 1 gram kemijskog elementa radija, u ravnoteži sa svojim izotopima, zrači svake sekunde oko 3,7 1010 alfa-čestica. Osim toga, Rutherford je točno izmjerio električni naboj i masu alfa-čestice. Kasnije je zapazio još jednu važnu pojavu, da se alfa-čestice pri prolasku kroz neki materijal raspršuju. Kada bi uski snop alfa-čestica, poslije prolaza kroz tanki listić (folija) metala, pao na fotografsku ploču, onda bi se zapazili tragovi da su alfa-čestice skretale od pravca snopa. Ove pokuse je Rutherford započeo u Kanadi, a kasnije je nastavio u Ujedinjenom Kraljevstvu s Geigerom i Marsdenom.
Oni su ispitivali raspršenje alfa-čestica na taj način što su kroz mali otvor na olovnoj ploči, propuštali njihov uski snop, koji je padao na tanki zlatni listić, debljine 0,01 mm. Iza zlatnog listića je bio postavljen fluorescentni zastor od cinkovog sulfata (ZnS), koji ima svojstva scintilacije. Promatranjem kroz mikroskop, Rutherford i njegovi suradnici su zapazili, da je veličina površine na fluorescentnom zastoru, na kojoj su se zapazile scintilacije ili bljeskovi alfa-čestica, veće kad one prolaze kroz zlatni listić, nego bez njega.
Kasnije su Rutherford i njegovi suradnici zamijenili fluorescentni zastor s fotografskom pločom, a zlatni listić su znali mijenjati s aluminijskim listićem, ili su fotografirali bez njega. Uspoređivanjem dobivenih fotografija, zapazili su da su površine na fotografskoj ploči, koje su ostavljale alfa-čestice, najveće kad bi postavili zlatni listić, a najmanje kad alfa-čestice prolaze samo kroz zrak. Osim toga, tragovi alfa-čestice su sve nejasniji prema rubovima fotografske ploče. Primijetili su uz to da se jedan dio alfa-čestica odbio od zlatnog listića.
Objašnjenje rezultata pokusa
Na osnovu rezultata mnogobrojnih pokusa, s više različitih metalnih listića, Rutherford i njegovi suradnici su zaključili da pri prolazu kroz metalne listiće nastaje raspršenje ili skretanje alfa-čestica. Ovu pojavu su objašnjavali međusobnim djelovanjem alfa-čestica i jezgre atoma metala, kroz koje su one prolazile. Najveće raspršenje su dobili kod prolaza alfa-čestica kroz dva zlatna listića, ali se malo raspršenje dogadalo i kod prolaza kroz zrak. Tragovi kretanja alfa-čestica su se mogli dobiti kod prolaza kroz oblačnu komoru (Wilsonova komora).
Pošto je Rutherford znao masu, brzinu i električni naboj alfa-čestica, na osnovu dobijenih rezultata iz mnogobrojnih pokusa i matematičkih izračuna, zaključio je da ta skretanja mogu izazvati samo neke jake odbojne sile, koje se nalaze u atomima metala, kroz koji su alfa-čestice prolazile. Kako su skretanja alfa-čestica pod velikim kutevima bila jako rijetka, na primjer pri prolazu kroz listić platine na svakih 8000 jedna alfa-čestica bi skrenula pod kutem većim od 90º, Rutherford je smatrao da na njih djeluju neke jake odbojne sile. Te sile su mogle poticati samo od jakih električnih polja pozitivnog elektrižnog naboja, koji je sabijen u pojedinim sitnim mjestima u unutrašnjosti atoma, a nikako od električnog naboja, koji je bio raspoređen u cijelom atomu, kako bi proizlazilo iz Thompsonovog modela atoma.
Na osnovu toga što su alfa-čestice lako prodirale u dubinu atoma, uz malo skretanje od svog upadnog pravca, a vrlo rijetko pod većim kutevima, Rutherford je pretpostavio da je glavna masa atoma skoncentrirana u njegovom centru, čije su mjere vrlo male u usporedbi s promjerom atoma i da je pozitivan elektricitet svojstven za tu masu u centru. 1912. Rutherford je centar atoma nazvao atomskom jezgrom. Raspršenje alfa-čestica pri prolazu kroz metalne listiće, odnosno bilo koju kemijsku tvar, može se objasniti međusobnim djelovanjem (interakcijom) između pozitivno nabijenih alfa-čestica i pozitivno nabijenog atomskog jezgra, što se naziva Rutherfordovo raspršenje.”, (1)
Geigerov brojač ili Geiger-Müllerovobrojilo je naprava ili mjerni instrument za otkrivanje ili detekciju ionizirajućega zračenja (radioaktivnost), odnosno brojenje prolaska ionizirajućih čestica ili fotona. Najčešća je izvedba brojila u obliku metalne cijevi ili staklene cijevi s metalnom oblogom, koja ujedno ima ulogu katode. Anoda je tanka metalna žica koja prolazi kroz os cijevi. Elektrode su spojene na visoki napon, a cijev je ispunjena smjesom plemenitoga plina (na primjer argona ili neona). U trenutku kada ionizirajuća čestica ili foton u prolazu kroz brojilo ionizira plin, produkti ionizacije (pozitivni ioni i elektroni) razdvajaju se pod djelovanjem električnoga polja. Ioni se ubrzano gibaju prema katodi, a elektroni prema anodi i pritom u plinu uzrokuju daljnju, lavinsku ionizaciju. Time se nakratko zatvara strujni krug i na otporniku u vanjskome dijelu kruga nastaje naponski impuls. Ti se impulsi odbrojavaju u elektroničkom brojilu, koje često ima i mali zvučnik za zvučnu indikaciju zračenja. U takozvanome mrtvome vremenu, dok je plin ioniziran, brojilo ne može indicirati novo zračenje. Stoga se za prekidanje (gašenje) daljnje ionizacije i stalnog izboja u cijev dodaju i male količine drugih plinova ili para. Važno je svojstvo brojila učinkovitost, to jest omjer broja indiciranih i ulaznih čestica ili fotona. Geiger-Müllerovo brojilo može služiti i za detekciju neutrona, premda oni, električki neutralni, ne uzrokuju ionizaciju. Međutim, neutroni mogu uzrokovati sekundarnu ionizaciju, i to oslobađanjem alfa-čestica u nuklearnoj reakciji s elementom borom, pa u tu svrhu cijev brojila treba sadržavati plinoviti borov trifluorid. Geigerov brojač se koristi za otkrivanje i mjerenje radioaktivnog zračenja te se rutinski primjenjuje za mjerenje stupnja ozračenosti iz bilo kojeg izvora: nuklearnih elektrana, istraživačkih laboratorija ili atmosfere. Budući da jako nuklearno zračenje predstavlja opasnost po život, neobično su važne pouzdane i brze detekcije nuklearnog zračenja. Tome služi Geigerov brojač koji je ostao uglavnom nepromijenjen otkako je prvi puta izumljen.
Povijest
Geigerov brojač je 1910. izumio mladi i daroviti njemački fizičar Hans Geiger koji je s kolegom Rutherfordom radio na britanskom Sveučilištu u Manchesteru. U to vrijeme Rutherford i njegovi suradnici radili su na proučavanju alfa-čestica koje su u stvari jezgre helija. Njih je osobito zanimala mogućnost brojenja pojedinih alfa-čestica.
Način rada
Prvobitni instrument za brojenje alfa-čestica sastojao se od fine tanke žice nabijene visokom napetošću, a prolazila je središtem valjka iz kojeg je bio gotovo isisan zrak. Kada su alfa-čestice prolazile razrijeđenim plinom, u valjku su uzrokovale nabijanje čestica plina. Taj proces naziva se ionizacija. Slijedilo je kratkotrajno opadanje električnog napona a impuls struje pobuđen svakom pojedinom alfa-česticom mogao se opaziti na brojčaniku. Danas se to ponekad čuje kao “klik” na zvučniku brojača. Geigerov brojač može razlikovati alfa-čestice od ostalih vrsta radijacije – beta i gama zraka (putem snižavanja napetosti tanke žice u valjku). Stoga je vrlo jednostavno otkriti koju vrstu radioaktivnosti zrači pojedini radioizotop i kolika je njezina energija. Vrlo jednostavna inačica Geigerova brojača je dozimetar kojem nisu potrebni elektronički uređaji Geigerova brojača. On je veličine i oblika obične olovke te ga koriste zaposlenici koji rade pokraj radioaktivnih izvora. Dozimetar služi za grubo mjerenje radioaktivnog zračenja oko njih.
.png)
