Osnovna fizika sugerira da su elektroni u biti besmrtni. Fascinantan eksperiment nedavno nije uspio zbaciti ovu temeljnu pretpostavku. Ali napor je proizveo revidirani minimalni životni vijek za elektrone: 60.000 yotta godina, što je – oko pet-kvintiliona puta sadašnje doba Svemira.
To je Yotta godina
Elektron je najslabija subatomska čestica koja nosi negativni električni naboj. Ona nema poznate komponente, zbog čega se smatra osnovnim građevnim blokom svemira, ili elementarnom česticom.
Međunarodni istraživački tim koji je radio na Borexino eksperimentu u Italiji tražio je znakove elektrona koji se raspadaju u lakše čestice, ali kako se i očekivalo, došli su do kratkog spoja. To je zapravo dobra stvar jer potvrđuje ono što su fizičari dugo vremena sumnjali. Da su pronašli dokaze da se elektroni raspadaju u fotone i neutrine – čak i elementarne čestice niže mase – to bi narušilo očuvanje električnog naboja. Takvo otkriće upućivalo bi na potpuno novu fiziku izvan standardnog modela.
No istraživački je tim uspio pronaći najtočnije mjerilo “životnog vijeka” elektrona. Njihovi proračuni ukazuju na to da će danas prisutna čestica biti oko 66.000 yottayearsa (6.6 × 10 na 28 godina) stara, što je, kako to kaže World of Physics, “oko pet-kvintiliona puta više od trenutne starosti svemira.” sada se pojavljuje u znanstvenom časopisu Physical Review Letters.
Članak u APS Physics objašnjava kako su znanstvenici došli do tako ekstremne brojke:
Borexino se sastoji od ljuske tekućine na bazi nafte koja se osvjetljava kada neutrino, gotovo bezmasna neutralna čestica, izbaci elektron s jedne od atoma tekućine. Otprilike 2000 fotomultiplikatora detektora tada pojačavaju i osjećaju emitirano svjetlo. Istraživači su izračunali osjetljivost detektora na fotone proizvedene hipotetičkim raspadom elektrona u foton i neutrino … Zatim su tražili “događaje” fotona iznad te pozadine s energijama blizu 256 kilo-elektrona, što odgovara energiji na polovicu mase mirovanja elektrona.
Nakon što su pogledali podatke od 408 dana, pronašli su …. ništa. No, uspjeli su odrediti srednji vijek trajanja elektrona.
Nova donja granica Sada, to ne znači da će elektroni živjeti tako dugo. Prvo, do tada svemir vjerojatno neće postojati. Čak i ako je još uvijek u blizini – recimo nakon scenarija Big Rip – temeljna svojstva čestica kao što su elektroni vjerojatno će biti potpuno drugačija.
Drugo, i još važnije, nova mjerenja se kreću prema prethodno procijenjenoj donjoj granici na “dugovječnost elektrona”. Nova brojka je 100 puta veća od prethodne donje granice, koja je određena u sličnom eksperimentu 1998. godine. na taj način, ako dođe do takve reakcije, to se mora dogoditi manje od jednom svakih 6.6 × 1028 godina.
Nema znakova propadanja
Razlog za strašno dug životni vijek odnosi se na činjenicu da znanstvenici ne mogu biti potpuno sigurni da su elektroni imuni na propadanje. Zapažanja Borexinovih istraživača – ili bolje rečeno, nedostatak opažanja – sugerira da, budući da do sada nismo vidjeli elektrone, njihov vijek trajanja mora biti barem toliko velik kao i novi izračuni.
Sean Carroll, profesor istraživanja na Odjelu za fiziku na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, objasnio je to Gizmodu u e-pošti:
Raspadanje je vrlo prirodno u fizici čestica; teže čestice imaju tendenciju propadanja u lakše. Neutroni koji su ostali sami od sebe, na primjer, raspadaju se u proton, elektron i anti-neutrino u samo nekoliko minuta. To je samo verzija elementarne čestice propadanja radioaktivne jezgre poput urana.
Ali postoje neke stvari koje se, čini se, nikada ne događaju, koje opisujemo zakonima o očuvanju. Na primjer, ukupni električni naboj se ne mijenja. Također i “baryon broj” (ukupan broj protona plus neutrona, minus broj anti-protona plus anti-neutrona), i “leptonski broj” (elektroni plus neutrini, minus njihovi antičestici). Primijetite da je to zadovoljeno raspadom neutrona. Prije raspada imamo jedan neutron, koji je naboj = 0, baryonski broj = 1, a leptonski broj = 0. Nakon toga to je i naboj = 0 (proton = +1, elektron = -1, anti-neutrino = 0), baryon broj = 1 (proton = 1, elektron i anti-neutrino = 0), a lepton broj = 0 (proton = 0, elektron = 1, anti-neutrino = -1).
Broj Baryona i Leptona nikad se nije mijenjao ni u jednom eksperimentu – to bi bilo za Nobelovu nagradu – ali na teoretskim osnovama mislimo da bi se mogli promijeniti i vjerojatno u ranom svemiru. (To bi pomoglo objasniti zašto u sadašnjem svemiru ima više materije nego antimaterije.)
Ali nitko ne očekuje da će se naboj promijeniti, što je robusnije konzervirana količina.
“To bi bila jedna od najneočekivanijih stvari ako se električni naboj nije sačuvao”, rekao je Carroll. “Zato svi misle da se elektroni ne raspadaju.”
Carroll je rekao da su samo čestice koje su lakše od elektrona električno neutralne: neutrini, fotoni, gluoni, gravitoni. Da postoje druge svjetlosno nabijene čestice, do sada smo ih trebali otkriti. To sugerira da nema ništa u što bi se elektron mogao raspasti.
Ali još bismo trebali pogledati! To je lutrijska karta – malo je vjerojatno da ćete naći nešto, ali ako to učinite, obogatit ćete se ”, rekao je Carroll. “Nažalost, nisu pronašli ništa, ali nulti rezultati važan su dio dobre znanosti.”
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.
Postulat o svemiru sa samo jednim elektronom, predložen od strane Johna Wheelera u telefonskom pozivu Richardu Feynmanu u proljeće 1940., pretpostavlja da su svi elektroni i pozitroni zapravo manifestacije jednog entiteta koji se kreće natrag i naprijed u vremenu.
Prema Feynmanu: “Jednog dana sam primio telefonski poziv na fakultetu u Princetonu od profesora Wheeler – a, u kojem je rekao:” Feynman, znam zašto svi elektroni imaju isti naboj i istu masu “” Zašto? ” “Jer oni su svi isti elektron!” “
Osvrt
Ideja se temelji na svjetskim linijama koje svaki elektron ostavlja preko prostor – vremena. Umjesto da ima bezbroj takvih linija, Wheeler je predložio da svi mogu biti dijelovi jedne linije poput ogromnog zapetljanog čvora, praćenog jednim elektronom. Bilo koji trenutak u vremenu predstavljat će se kriškom po prostor – vremenu, i mnogo puta će zadovoljiti čvorove. Svaka takva točka susreta predstavlja stvarni elektron u tom trenutku.
Na tim će se točkama pola linija biti usmjereno prema naprijed, a pola će biti okrenuto i usmjereno unatrag. Wheeler je sugerirao da se ovi odjeljci unazad pojavljuju kao antičestica elektrona, pozitron. Uočeno je mnogo više elektrona nego pozitrona, a smatra se da ih elektroni nadmašuju. Prema Feynmanu, on je osvjetlio ovaj problem s Wheelerom, koji je nagađao da bi nedostajući pozitroni mogli biti skriveni unutar protona.
Feynman je bio pogođen Wheelerovim uvidom da bi antičestice mogle biti prikazane obrnutim svjetskim linijama, a to pripisuje Wheeleru u svom Nobelovom govoru:
“Nisam ozbiljno smatrao ideju da su svi elektroni isti kao [Wheeler] kao što sam uzeo promatranje da se pozitroni mogu jednostavno predstavljati kao elektroni koji idu od budućnosti u prošlost u stražnjem dijelu svojih svjetskih linija. To sam ukrao! “
Feynman je kasnije predložio ovo tumačenje pozitrona kao elektrona koji se kreće unatrag u vremenu u svom radu iz 1949. godine “Theory of Positrons”.
Yoichiro Nambu je kasnije ovo primijenio na svu proizvodnju i uništavanje parova čestica i antičestica, navodeći da “eventualno stvaranje i uništenje parova koje se može dogoditi sada i onda nije stvaranje ili uništenje, već samo promjena smjera pokretnih čestica iz prošlosti ka budućnost, ili iz budućnosti u prošlost. “
Postoji jedna ideja koja sugerira da su svi svemirski elektroni zapravo jedna čestica koja zauvijek ide unatrag i naprijed u vremenu. To je jednostavna, elegantna ideja koja rješava neke od najvećih misterija fizike. Postoji samo jedan mali problem. To je potpuni besmisao.Ovo je priča o tom bizarnom eksperimentu i John Archibald Wheeler, briljantnom, uglavnom nepoznatom fizičaru koji je došao s tim.
Značajan problem
Poput toliko puno kvantnog svijeta, elektroni su čudni. Što je još gore, oni su svi čudni na isti način. Svaki elektron je identičan svakom drugom elektronu. Svi oni imaju istu masu, isti električni naboj i isti spin. Elektroni su samo jedna od nerazlučivih čestica – drugi primjeri uključuju fotone, neutrone, protone, neutrone i doista većinu subatomskih čestica.
Ovo nije ni trivijalna stvar. Ne samo da je nemoguće razlikovati elektrone na temelju njihovih fizičkih svojstava, u biti je nemoguće reći da su uopće razdvojeni. To je zato što određivanje određenih elektrona prema njihovom položaju zahtijeva mjerenje njihovih putanja s točnom preciznošću, a zakoni kvantne mehanike to zabranjuju. Između mjerenja, elektroni u kvantnom svijetu su vjerojatnosni, definiraju funkcije valova koje daju izglede za pronalaženje te čestice u bilo kojem danom položaju. Kada se valne funkcije više elektrona preklapaju, postaje službeno nemoguće odrediti koji je od elektrona koji je izvorno izmjeren.
To je sve dobro utemeljena kvantna teorija, potpomognuta gotovo stoljećima eksperimentalnog rada. Ali ne odgovara na dublje pitanje – zašto su svi elektroni identični? Sigurno su, ali nema stvarnog razloga zašto bi trebali biti. Za mnoge znanstvenike, ovo se pitanje pretvara u filozofiju, barem na trenutnoj razini znanja. Što se tiče većine fizike, nejasne čestice se ne razlikuju jednostavno zato što je to način na koji je svemir. Daljnje objašnjenje ne može se na’i, i do sada nije bilo stvarno potrebno.
Jednoelektronski svemir
Jednoelektronski svemir je, među ostalim, jedan od rijetkih pokušaja objašnjavanja zašto su svi elektroni identični. Ima svoje korijene u sasvim drugačijem obliku simetrije između čestica, onog od elektrona i njege antičestice, pozitrona. Dvije čestice imaju istu masu, isti spin, isto sve osim svog naboja. Izuzimajući naboj, elektron i pozitron su, dakle, nerazlučivi, a 1940. god. to je dalo princetonskom fizičaru John Wheeleru ideju.
Wheelerova ideja često je povezana s doktoratom, legendarnog fizičara Richarda Feynmana.
To je vjerojatno zato što je Feynman dao ideji njenih pet minuta slave u njegovom Nobelovom predavanju iz 1965. godine. Evo šta je pri tom rekao:
Danas sam primio telefonski poziv na fakultetu u Princetonu, od profesora Wheeler, u kojem je rekao: “Feynman, znam zašto svi elektroni imaju isti naboj i istu masu”. “Zašto?” “Zato, oni su svi isti elektron!” A onda je telefonom objasnio: “Pretpostavimo da su svjetske linije koje smo obično razmatrali prije u vremenu i prostoru – umjesto da samo idu u vrijeme bile ogromni čvor, a onda, kad smo procijepili čvor, ravnina koja odgovara određenom vremenu, vidjeli bismo mnoge i mnoge svjetske linije, a to bi predstavljalo mnoge elektrone, osim zbog jedne stvari. Ako je u jednom odjeljku to obična svjetska linija elektrona, u dijelu u kojem se obrnula i dolazi unatrag od budućnosti imamo pogrešan znak u pravo vrijeme – na pravilne četiri brzine – a to je ekvivalentno promjeni znaka naboja, pa bi taj dio puta djelovao kao pozitron. “
Wheeler je ušao u osnovnu, bizarnu točku fizike čestica: smjer u kojemu vrijeme teče ne izgleda mnogo važnim, a strelica vremena je u većini slučajeva potpuno reverzibilna. Izgleda da, s nekoliko jednostavnih jednadžbi, Wheeler bi mogao transformirati elektron koji se kreće naprijed u vremenu u onaj koji putuje unatrag, a jedina promatrana promjena bi bila naboj čestice, koji će se preokrenuti od negativnog u pozitivni. Drugim riječima, elektron bi postao pozitron.
Kao što je Wheeler naglasio, svaki elektron prati jedinstven put kroz prostor – vrijeme, što je njegova svjetska linija. Jednostavno je povezao sve elektrone koji su putovali naprijed i unatrag – putujuće pozitrone u jednu golemu svjetsku liniju, zamislivši česticu koja putuje natrag i naprijed kroz povijest svemira kako postaje svaki elektron i pozitron koji smo ikad promatrali. I zato svi elektroni izgledaju isto.
Pripremite se da se osjećate jako, jako staro
Implikacije toga bi bile apsolutno ogromne. Trenutne procjene upućuju na to da u promatranom svemiru ima oko 10 na 80 – u atoma, stoga koristimo isti broj za broj elektrona. (Zapravo, budući da velika većina tih iona ionako imaju jednoelektronske vodikove atome, to i ne odstupa mnogo.) Svemir je star već gotovo 14 milijardi godina, ali će trajati daleko, daleko dulje od toga, iako krajnja dob svemira ovisi o teoriji njegove konačne sudbine.
Budući da u svakom slučaju idemo samo na grubu procjenu, koristimo samo 4.6 x 10 na 26 – u godina, što je donja granica za životni vijek elektrona prije nego što se raspadne (pretpostavljajući da se zapravo raspada, što nije sigurno). Dakle, ako je jednoelektronski univerzum točan, ta je jedina čestica prošla kroz svemir 10 na 80 puta, pri čemu svako putovanje traje 460 septilliona godina, a to možete udvostručiti za sve svoje povratne putove kao povratni pozitron.
To znači, do kraja putovanja, elektron je 2 * 4.6 * 10 na 24 * 10 na 80 godina, ili samo oko 10 na 105 godina. To je deset hiljada googol godina. To također znači da je 99,99% elektrona u vašem tijelu, pa čak i svugdje u svemiru, već putovalo više od googol godina … uz pretpostavku da je to istina, naravno. Ne znam za tebe, ali ja se iznenada osjećam čudno drevno star.
Problemi s promatranjem
Previše bi bilo da se ideja jednoelektronskog svemira naziva punom teorijom, ili čak i bilo što blizu toga- to je više veličanstven nekonvencionalni misaoni eksperiment. Ali to ne mijenja činjenicu da, iz strogo teorijske perspektive, nema apsolutno ništa loše u tome. Svakako, vaša intuicija vam vjerojatno govori da je to vrlo, vrlo malo vjerojatno, ali klasična svjetska intuicija ne znači ništa u kvantnom svijetu.
Uostalom, sada to shvaćamo kao da je nemoguće znati brzinu i položaj čestice u isto vrijeme, da su čestice općenito jednako sretne kad putuju unatrag u vremenu kao što su naprijed, da se čestice mogu zapetljati tako da će mjerenje jedne trenutno utjecati na drugu, bez obzira koliko su udaljene. Sve su duboko čudne, ali sve su apsolutno istinite. Zašto, dakle, ne jedan elektron koji leti kroz za cijeli svemir i kroz vrijeme?
Jednoelektronski svemir pada na eksperimentalnim temeljima, ne teorijskim. Možda ste zamijetili problem – da jedan elektron uzme u obzir sve elektrone u svemiru, mora putovati unatrag kroz svemir točno onoliko puta koliko putuje naprijed. To znači, u ovom modelu, da bi trebalo biti jednako toliko pozitrona kao što postoji elektrona. Znamo da to jednostavno nije slučaj, a da materija potpuno dominira antimaterijom, što znači da jednoelektronski univerzum ne može biti istinit.
Da bude jasno, Wheeler nikad nije mislio drugačije. Kao što je Feynman podsjetio na njegovom predavanju, Wheeler je od samog početka bio svjestan tog problema i vjerojatno pola šaleći se ponudio je prilično nevjerojatan način objašnjavanja nedostatka pozitivnog polja:
“Ali, profesor”, rekao sam, “nema toliko pozitrona kao elektrona.” “Pa, možda su skriveni u protonima ili nešto slično”, rekao je. U svojim memoarima, Geons, Black Holes & Quantum Foam, Wheeler je jasno pokazao da ovu “pozitron u protonu” ideju ne treba shvaćati ozbiljno:
Naravno da sam znao da barem u našem kutu svemira postoji puno više elektrona od pozitivnih, ali i dalje mi je bila uzbudljiva ideja da razmišljam o trajektorijama u prostor – vremenu koje bi mogle biti neograničene u bilo kojem smjeru – naprijed u vremenu , unatrag u vremenu, gore, dolje, lijevo ili desno.
Wheeler je ostavio si malenu prazninu tamo, ističući da znamo da elektroni daleko nadmašuju pozitrone “barem u našem kutu svemira”, što ostavlja otvorenu teoretsku mogućnost da drugdje u kozmosu mogu postojati svi pozitroni koji su potrebni za nadoknadu i mi smo samo u lokalnom odstupanju. To, međutim, ide protiv kozmološkog načela, što je opća pretpostavka da je svemir suštinski svugdje isti i ne zauzimamo posebnu ili neobičnu poziciju u njemu. Tehnički, to ne mora biti istinito, ali postoji 500 godina fizike koja ga podupire i morat će postojati neki doista izvanredni razlozi za fizičare da razmisle o napuštenju istog.
Riječ za Wheelera
John Wheeler nije ime koje je poznato izvan krugova fizike kao što bi možda trebalo biti. Vjerojatno ne pomaže da je u sjeni svog doktorskog studenta i dugogodišnjeg suradnika Richarda Feynmana, čije su popularne knjige i predavanja – da ne spominjem njegovu osobnost veću od života – učinili ga jednim od najpoznatijih fizičara 20. stoljeća. John Wheeler je bio drukčiji, kao što je fizičar Paul Davies objasnio u svojoj knjizi o vremenu: Einsteinova nedovršena revolucija:
Priznajem da me uvijek zabavljala pomisao na suradnju između ta dva Amerikanca, različita kao kreda od sira. Wheeler je profinjen, patricijski muškarac, blago privlačan i besprijekorno pristojan. Kolegica je jednom rekla Wheeleru da je savršen gospodin unutar kojeg se nalazi savršeni gospodin. Feynman je, za razliku od toga, bio poznat po svojoj neustrašivosti, nepoštivanju, ženstvenosti, praktičnim šalama i sviranju na bubnju.
Dugogodišnji akademik, Wheeler je stekao PhD od Johns Hopkinsa sa samo 21 godinu i njegovo prvo zvanje u Sjevernoj Karolini do 24. godine. Tri godine kasnije, Wheeler se preselio u Princeton, koji je odavno bio glavni centar za najsuvremeniju fiziku. Daroviti i predani učitelj, Wheeler je nastavio podučavati fiziku brucošima i drugima dugo nakon što je stekao međunarodnu slavu, a njegov dugi popis doktorskih studenata uključuje takve gigante kao što su Feynman, Kip Thorne, stručnjak za crnu rupe Jacob Bekenstein, pionir mnogih svjetova Hugh Everett i još nekoliko desetaka drugih.
Wheeler je imao i poznati način s riječima, te je skovao dva najpoznatija pojma u suvremenoj fizici (i znanstvenoj fantastici, u tom smislu). Godine 1957. njegovo je djelo o općoj relativnosti dovelo do razmatranja teorijskih “tunela” kroz prostor vrijeme, koje je nazvao “crvotočkama”. U predavanju iz 1967. godine prvi je javno upotrijebio pojam “crna rupa”, iako je uvijek inzistirao na to da je taj izraz čuo od nekog drugog. U svakom slučaju, svaki put kad koristimo te termine, dugujemo zahvalnost Johnu Wheeleru.
Često u suradnji s Feynmanom, Wheeler je donio mnoge važne doprinose našem razumijevanju fizike. Bio je ključni igrač u oživljavanju opće relativnosti kao subjekta dostojnog ozbiljnog teorijskog razmatranja, koja je do tada bila zalutala kao znatiželja neprikladna za eksperimentiranje. Djelovao je opsežno na kvantnoj gravitaciji i bio je jedan od prvih koji je predložio da je ta informacija dio temeljne tkanine svemira, koju je nazvao “it it bit doktrinom”.
Kao i kod svog elektronskog svemira, Wheeler se nikada nije udaljavao od istraživanja neobičnih kutova fizike. Krajem svoga života došao je s “participativnim antropijskim načelom”, koje tvrdi da je svemir zapravo stvoren prisustvom promatrača, što znači da sve što možemo promatrati od onoga što je oko nas do najranijih ostataka Big Banga jednostavno postoji jer imamo oko koje ga gleda. Poput njegove jedinstvene ideje jednog elektrona, ne morate vjerovati u nju, ali to je fascinantna misao. John Wheeler umro je 2008. godine, u dobi od 96 godina.
Naslijeđe usamljenog elektrona
Vratimo se posljednji put Richard Feynmanovom predavanju iz 1965. godine, koja je i dalje najpoznatija rasprava o Wheelerovoj ideji. Dok je prethodni izvadak bio jednostavno njegovo izvješće o tome kako je Wheeler prvi put predložio tu ideju, napustio sam cijelu anegdotu u kojoj Feynman otkriva svoju reakciju na prijedlog:
Nisam shvatio da su svi elektroni jednaki jednom tako ozbiljno kao što sam uzeo promatranje da se pozitroni mogu jednostavno predstavljati kao elektroni koji idu od budućnosti u prošlost u stražnjem dijelu njihovih svjetskih linija. To sam ukrao! I ukrade ga, iako sumnjam da je Wheeler to vidio kao bilo kakvu krađu. U “Are Universes Thicker than Blackberries ?”, pokojni matematičar i znanstveni pisac Martin Gardner rječito opisuje koliko je Feynman mogao razviti Wheelerovu početnu divlju ideju:
Prijedlog da se pozitron može tumačiti kao elektron koji se privremeno kreće unatrag u vremenu zaokupio je Feynmanovu maštu, te je utvrdio da se tumačenje može rješavati matematički na način koji je u potpunosti konzistentan s logikom i svim zakonima kvantne teorije. Postao je kamen temeljac u svom poznatom “vremenskom pogledu” kvantne mehanike, koji je osam godina kasnije završio i za koji je podijelio svoju Nobelovu nagradu. Teorija je ekvivalentna tradicionalnim pogledima, ali zigzag ples Feynmanovih čestica omogućio je novi način upravljanja određenim izračunima i veliko pojednostavljenje njih.
Znači li to da je pozitron “stvarno” elektron koji se kreće unatrag u vremenu? Ne, to je samo jedna fizička interpretacija “Feynmanovih grafova”; Drugo tumačenja, jednako važeće, ne govori o preokretima vremena. S novim pokusima koji upućuju na misterije otključavanje naboja, pariteta i vremenskih smjerova, ipak, cik-cak plesa Feynmanovog elektrona, dok prati svjetsku liniju kroz prostor – vrijeme, više se ne čini čudnim bizarnim tumačenjem kao što se nekoć činilo. Potpuno je moguće da bez Wheeler – ove bizarne ideja o jednoelektronskom svemiru i njegovog telefonskog poziva 1940. studentu doktorskog studija, Richard Feynman ne bi dobio Nobelovu nagradu 25 godina kasnije. To je dobra lekcija za sve nas, da bez obzira koliko čudno i nemoguće ideja može zvučati, nikad ne znate gdje bi to moglo naposljetku voditi ili kakve nove temelje znanja bi to moglo otkriti … dobro, barem pretpostavljajući da ste vi i vaš prijatelj dva od najvećih fizičara koji su ikad živjeli.
Elektronika je grana nauke i tehnologije koja se bavi korištenjem kontrolisanog kretanja elektrona kroz različite prenosioce i kroz vakuum. Mogućnost kontrole protoka elektrona je obično primijenjeno u rad sa informacijama ili za upravljanje uređajima.
Elektronika se razlikuje od nauke o struji i odgovarajuće tehnologije, koje se bave proizvodnjom, distribucijom, kontrolom i primjenom električne energije. Ovo razdvajanje nastaje oko 1906. godine sa izumom triode od naučnika po imenu Lee De Forest, koja je omogućila električno pojačavanje, bez mehaničkih uređaja. Sve do 1950. tih oblast elektronike se zvala “radio tehnika”.
Uvod u elektroniku
Kada je 1904 godine fizičar John Ambrose Fleming proučavajući radove koje je Edison postavio usavršavajući električne sijalice, nije ni slutio da će se otvoriti jedna od nauka koja će se najbrže razvijati u uvući u sve pore tehnike i tehnologije. Dodajući unutar staklenog balona još jednu elektrodu izoliranu od grijne niti napravio je prvu elektronsku cijev – diodu .
Svi elektronski sklopovi sačinjeni su od elemenata (komponenti) koji se mogu svrstati u dvije grupe:
Prema vrsti aktivnih komponenti i sklopovi se dijele u četiri generacije
generacija-elektronske cijevi
generacija-tranzistori
generacija-integralna kola niske integracije
generacija-integralna kola visoke integracije
Uređaji koji imaju elemente iz dvije generacije zovu se hibridi.
Elektronska dioda
Dioda je elektronska cijev, koja nasuprot užarene niti katode ima još jednu hladnu elektrodu anodu. Ako se između ove dvije elektrode dovede dovoljno visok napon poteći će električna struja. Struja će teći uvijek u smjeru od katode ka anodi pa će se dugo vremena ova, elektronska cijev, koristiti za “ispravljanje električne struje”. Konstrukcijski Dioda se radi kao jednostruka ili dvostruka i kao takva upotrebljava za poluvalno ili punovalno ispravljanje signala.Tipičan primjer dvostruke diode je EZ80. Ova oznaka je dio standardnog obilježavanja gdje je slovom E određeno da ova cijev za grijanje treba napon od 6,3V, Z je oznaka dvostruke ispravljačice (duo-dioda) a 80 je kataloški broj i tamo se može vidjeti da ova lampa može ispravljati napon do 350V i struje do 90mA. te da je katoda indirektno grijana.
Trioda i ostale pojačivačke cijevi
Daljim razvojem i dodavanjem još jedne mrežice nastaje trioda, potom tetroda i pentoda. Karakteristika elektronskih cijevi je da imaju veliko naponsko pojačanje velike ulazne i izlazne otpore. Danas su gotovo sve vrste cijevi potpuno zamijenjene. Ostale su samo u veoma rijetkim slučajevima do danas i to:
Gajger-Milerova cijev za detekciju i mjerenje radio-aktivnosti
Rentgenske cijevi
Katodna cijev (ekran) kod CRT monitora i TV uređaja
Iako polako idu u zaborav i dalje bude nostalgiju kod starijih radio-amatera, rok gitarista i ljubitelja “starog dobrog zvuka”, Fender ili Gibson električne gitare sa “Marshalla”, “Ampega” ili “Orange-a”.
Teorija kristala
Četvorovalentni kristali kao što su germanij i silicij u čistom stanju ne provode ili vrlo loše provode električnu struju: Njihova četiri elektrona u posljednjoj ljusci su relativno čvrsto vezana za atom organizujući tzv. kristalnu rešetku. Ako se na površinski sloj tankog četvorovalentnog kristala nanesu (fundiraju) petovalentni elementi (donatori ili donori) kakvi su kalaj, arsen i drugi, nastat će višak elektrona pa se ovakav sloj zove N – tip. Ako se na tanku pločicu silicija ili nanese tanak sloj bora koji je trovalentan pojaviće se manjak elektrona tzv. “šupljina” P – tip koja može primiti novi elektron. Zahvaljujući slobodnim elektronima i šupljinama (P i N prijelazima) omogućen je jednosmjeran protok električne struje. Kombinacijama slojeva PN moguće je raditi i poluprovodničke elemente različitih namjena: diode, diaci, tiristori, triaci, tranzistori.
Kristalni poluprovodnici
Prvi poluprovodnici napravljeni su od kristala selena, galenita i pirita. Korišteni su kao demodulatori za AM i radarske prijemnike. Usavršavajući kristalne diode, 1948. godine, dva naučnika J. Bardeen i W. Brattain uspjeli su proizvesti prvi tranzistor. Bio je to tačkasti germanijev tranzistor.
Kristalna dioda
Prvobitno je napravljena tako što je metalni šiljak “uboden” na kristal selena ili sličan “nečist” kristal. Osobina da će ovakav “sklop” provoditi struju samo u jednom smjeru je kasnije usavršavana te raznim “onečišćavanjima” kristala četvorovalentnih elemenata kao što su germanij i silicij proizvedeni su poluprovodnički elementi različitih namjena. Prvo, diode za ispravljanje slabih visokofrekventnih struja, potom jakih niskofrekventnih struja pa sve do raznih vrsta, zener, varikap, PIN, GUN ..dioda.
Tranzistor
Naziv tranzistor je nastao spajanjem dvije riječi transfer i resistor što znači prenosni otpornik. U sklopovima se tranzistor koristi ili kao prekidač ili kao pojačivač što je određeno radnom tačkom. Karakteristika bipolarnih tranzistora je da, za razliku od elektronskih cijevi, pojačanje snage se vrši na račun strujnog pojačanja. Danas se tranzistori proizvode u velikom broju vrsta, tipova i karakteristika, kako u zasebnim kućištima kao elektronske komponente, tako i sastavni elementi integralnih kola (čip-ova).Od germanijevih i silicijevih bipolarnih, FET, JFET, MOSFET. tranzistora za niske, frekvencije, visoke frekvencije, digitalne sklopove (prekidački tranzistori), foto tranzistori.
Integralna kola
Treća i četvrta generacija elektronskih uređaja bazirani su na integralnim kolima i to:
Integralna kola niske integracije
Integralna kola visoke integracije
Prema namjeni integralni sklopovi se dijele na:
Analogne (razne vrste pojačivača za audio, video, operaciona..)
Prema tehnologiji izrade integralni sklopovi se dalje dijele na:
Monolitne bipolarne
Monolitne unipolarne (MOS)
Hibridne integralne sklopove
Linearni integralni sklopovi
Ako sklop prati promjenu ulazne veličine analognom (sličnom, odgovarajućom) promjenom na izlazu onda se taj sklop smatra analognim, Ako su te promjene linearno zavisne jedna od druge (linearna funkcija) onda se i sklopovi smatraju linearnim. Radi lakšeg proučavanja i upotrebe ova vrsta sklopova se dijeli u nekoliko grupa i to:
Operaciona pojačala
Komparatori
Niskofrekventna pojačala
Visokofrekventna i širokopojasna pojačala
Modulatori, demodulatori i mješači signala
Generatori funkcija
Analogno – digitalni pretvarači (AD – DA konverteri)
Počinje se sa jačinom elektrostatičke sile (u newtonima) između dva tačkasta naboja i (u kulonima). Pogodno je označiti jedan od ovih naboja, , kao testni naboj, i nazvati izvornim nabojem. Dok se teorija razvija, dodat će se još izvornih naboja. Ako je udaljenost (u metrima) između dva naboja, onda je sila:
gdje je ε0 dielektrična konstanta vakuuma, ili dielekrična konstanta praznog prosora:
SI jedinica za ε0 je jednaka A2s4 kg−1m−3 ili C2N−1m−2 ili F m−1. Kulonova konstanta je:
Upotreba ε0 umjesto k0 u izražavanju Kulonovog zakona odnosi se na činjenicu da je sila obrnuto proporcionalna površini sfere radijusa koji je jednak udaljenosti između dva naboja.
Sila ili međudjelovanje između dva naboja u mirovanju proporcionalna je količini tih naboja, a obrnuto je proporcionalna kvadratu njihovih rastojanja.
Jedan proton ima naelektrisanje e, i elektron ima naelektrisanje −e, gdje je,
Ove fizikalne konstante (ε0, k0, e) su opisane tako da su ε0 i k0 tačno definisane, i e je izmjerena veličina.
Reference
Matthew Sadiku (2009). Elements of electromagnetics. str. 104. ISBN 9780195387759.
Počinje se sa jačinom elektrostatičke sile (u newtonima) između dva tačkasta naboja i (u kulonima). Pogodno je označiti jedan od ovih naboja, , kao testni naboj, i nazvati izvornim nabojem. Dok se teorija razvija, dodat će se još izvornih naboja. Ako je udaljenost (u metrima) između dva naboja, onda je sila:
gdje je ε0 dielektrična konstanta vakuuma, ili dielekrična konstanta praznog prosora:
SI jedinica za ε0 je jednaka A2s4 kg−1m−3 ili C2N−1m−2 ili F m−1. Kulonova konstanta je:
Upotreba ε0 umjesto k0 u izražavanju Kulonovog zakona odnosi se na činjenicu da je sila obrnuto proporcionalna površini sfere radijusa koji je jednak udaljenosti između dva naboja.
Sila ili međudjelovanje između dva naboja u mirovanju proporcionalna je količini tih naboja, a obrnuto je proporcionalna kvadratu njihovih rastojanja.
Jedan proton ima naelektrisanje e, i elektron ima naelektrisanje −e, gdje je,
Ove fizikalne konstante (ε0, k0, e) su opisane tako da su ε0 i k0 tačno definisane, i e je izmjerena veličina.
Reference
Matthew Sadiku (2009). Elements of electromagnetics. str. 104. ISBN 9780195387759.
Elektronika je grana nauke i tehnologije koja se bavi korištenjem kontrolisanog kretanja elektrona kroz različite prenosioce i kroz vakuum. Mogućnost kontrole protoka elektrona je obično primijenjeno u rad sa informacijama ili za upravljanje uređajima.
Elektronika se razlikuje od nauke o struji i odgovarajuće tehnologije, koje se bave proizvodnjom, distribucijom, kontrolom i primjenom električne energije. Ovo razdvajanje nastaje oko 1906. godine sa izumom triode od naučnika po imenu Lee De Forest, koja je omogućila električno pojačavanje, bez mehaničkih uređaja. Sve do 1950. tih oblast elektronike se zvala “radio tehnika”.
Uvod u elektroniku
Kada je 1904 godine fizičar John Ambrose Fleming proučavajući radove koje je Edison postavio usavršavajući električne sijalice, nije ni slutio da će se otvoriti jedna od nauka koja će se najbrže razvijati u uvući u sve pore tehnike i tehnologije. Dodajući unutar staklenog balona još jednu elektrodu izoliranu od grijne niti napravio je prvu elektronsku cijev – diodu .
Svi elektronski sklopovi sačinjeni su od elemenata (komponenti) koji se mogu svrstati u dvije grupe:
Prema vrsti aktivnih komponenti i sklopovi se dijele u četiri generacije
generacija-elektronske cijevi
generacija-tranzistori
generacija-integralna kola niske integracije
generacija-integralna kola visoke integracije
Uređaji koji imaju elemente iz dvije generacije zovu se hibridi.
Elektronska dioda
Dioda je elektronska cijev, koja nasuprot užarene niti katode ima još jednu hladnu elektrodu anodu. Ako se između ove dvije elektrode dovede dovoljno visok napon poteći će električna struja. Struja će teći uvijek u smjeru od katode ka anodi pa će se dugo vremena ova, elektronska cijev, koristiti za “ispravljanje električne struje”. Konstrukcijski Dioda se radi kao jednostruka ili dvostruka i kao takva upotrebljava za poluvalno ili punovalno ispravljanje signala.Tipičan primjer dvostruke diode je EZ80. Ova oznaka je dio standardnog obilježavanja gdje je slovom E određeno da ova cijev za grijanje treba napon od 6,3V, Z je oznaka dvostruke ispravljačice (duo-dioda) a 80 je kataloški broj i tamo se može vidjeti da ova lampa može ispravljati napon do 350V i struje do 90mA. te da je katoda indirektno grijana.
Trioda i ostale pojačivačke cijevi
Daljim razvojem i dodavanjem još jedne mrežice nastaje trioda, potom tetroda i pentoda. Karakteristika elektronskih cijevi je da imaju veliko naponsko pojačanje velike ulazne i izlazne otpore. Danas su gotovo sve vrste cijevi potpuno zamijenjene. Ostale su samo u veoma rijetkim slučajevima do danas i to:
Gajger-Milerova cijev za detekciju i mjerenje radio-aktivnosti
Rentgenske cijevi
Katodna cijev (ekran) kod CRT monitora i TV uređaja
Iako polako idu u zaborav i dalje bude nostalgiju kod starijih radio-amatera, rok gitarista i ljubitelja “starog dobrog zvuka”, Fender ili Gibson električne gitare sa “Marshalla”, “Ampega” ili “Orange-a”.
Teorija kristala
Četvorovalentni kristali kao što su germanij i silicij u čistom stanju ne provode ili vrlo loše provode električnu struju: Njihova četiri elektrona u posljednjoj ljusci su relativno čvrsto vezana za atom organizujući tzv. kristalnu rešetku. Ako se na površinski sloj tankog četvorovalentnog kristala nanesu (fundiraju) petovalentni elementi (donatori ili donori) kakvi su kalaj, arsen i drugi, nastat će višak elektrona pa se ovakav sloj zove N – tip. Ako se na tanku pločicu silicija ili nanese tanak sloj bora koji je trovalentan pojaviće se manjak elektrona tzv. “šupljina” P – tip koja može primiti novi elektron. Zahvaljujući slobodnim elektronima i šupljinama (P i N prijelazima) omogućen je jednosmjeran protok električne struje. Kombinacijama slojeva PN moguće je raditi i poluprovodničke elemente različitih namjena: diode, diaci, tiristori, triaci, tranzistori.
Kristalni poluprovodnici
Prvi poluprovodnici napravljeni su od kristala selena, galenita i pirita. Korišteni su kao demodulatori za AM i radarske prijemnike. Usavršavajući kristalne diode, 1948. godine, dva naučnika J. Bardeen i W. Brattain uspjeli su proizvesti prvi tranzistor. Bio je to tačkasti germanijev tranzistor.
Kristalna dioda
Prvobitno je napravljena tako što je metalni šiljak “uboden” na kristal selena ili sličan “nečist” kristal. Osobina da će ovakav “sklop” provoditi struju samo u jednom smjeru je kasnije usavršavana te raznim “onečišćavanjima” kristala četvorovalentnih elemenata kao što su germanij i silicij proizvedeni su poluprovodnički elementi različitih namjena. Prvo, diode za ispravljanje slabih visokofrekventnih struja, potom jakih niskofrekventnih struja pa sve do raznih vrsta, zener, varikap, PIN, GUN ..dioda.
Tranzistor
Naziv tranzistor je nastao spajanjem dvije riječi transfer i resistor što znači prenosni otpornik. U sklopovima se tranzistor koristi ili kao prekidač ili kao pojačivač što je određeno radnom tačkom. Karakteristika bipolarnih tranzistora je da, za razliku od elektronskih cijevi, pojačanje snage se vrši na račun strujnog pojačanja. Danas se tranzistori proizvode u velikom broju vrsta, tipova i karakteristika, kako u zasebnim kućištima kao elektronske komponente, tako i sastavni elementi integralnih kola (čip-ova).Od germanijevih i silicijevih bipolarnih, FET, JFET, MOSFET. tranzistora za niske, frekvencije, visoke frekvencije, digitalne sklopove (prekidački tranzistori), foto tranzistori.
Integralna kola
Treća i četvrta generacija elektronskih uređaja bazirani su na integralnim kolima i to:
Integralna kola niske integracije
Integralna kola visoke integracije
Prema namjeni integralni sklopovi se dijele na:
Analogne (razne vrste pojačivača za audio, video, operaciona..)
Prema tehnologiji izrade integralni sklopovi se dalje dijele na:
Monolitne bipolarne
Monolitne unipolarne (MOS)
Hibridne integralne sklopove
Linearni integralni sklopovi
Ako sklop prati promjenu ulazne veličine analognom (sličnom, odgovarajućom) promjenom na izlazu onda se taj sklop smatra analognim, Ako su te promjene linearno zavisne jedna od druge (linearna funkcija) onda se i sklopovi smatraju linearnim. Radi lakšeg proučavanja i upotrebe ova vrsta sklopova se dijeli u nekoliko grupa i to:
Operaciona pojačala
Komparatori
Niskofrekventna pojačala
Visokofrekventna i širokopojasna pojačala
Modulatori, demodulatori i mješači signala
Generatori funkcija
Analogno – digitalni pretvarači (AD – DA konverteri)
.png)
