Elektron, czyli co łączy koty z fizyką kwantową

autor: Bartosz Demczuk

Elektrony otaczają nas z każdej strony, ale tak naprawdę nie wiemy czym są, ani jak wyglądają. Gdyby zapytać szóstoklasistę jak wygląda atom, opisałby nam jądro atomowe i okrążające je elektrony jak planety wokół słońca. Niestety, ta piękna wizja runęła w moich oczach jak domino, kiedy dowiedziałem się, czym jest funkcja falowa. Okazuje się, że w atomie wodoru elektron znajduje się jednocześnie w każdym miejscu, opisanym przez ową jakże ciekawą funkcję, każdym jednocześnie. Ta intrygująca właściwość niesie za sobą poważne konsekwencje nie tylko dla dziecięcych marzeń o miniaturce układu słonecznego w każdym atomie, ale również dla rzeczywistości w jakiej się obracamy. 

O tym, który ujrzał niewidoczne

Jest rok 1895. Świat nauki i medycyny został wywrócony do góry nogami przez odkrycie promieniowania X przez Wilhelma Roentgena. Lada dzień ten człowiek zrobi pierwsze prześwietlenie przedstawiające dłoń jego żony, a lekarze stwierdzą, że nadeszła nowa epoka w dziejach medycyny. Niektórzy widzą w tym odkryciu coś więcej, eksperymentują, sprawdzają, lecz w żadnym wypadku, za żadne skarby nie mogą uwierzyć, że medycyna to jedyne zastosowanie tego odkrycia. Wśród nich jest tajemniczy profesor fizyki na Uniwersytecie Cambridge, który uważa, że “nowe” promieniowanie może posłużyć do czegoś więcej niż tworzenie ponurych fotografii kości. Eksperymentując, wystawia gaz na działanie owego czynnika i sprawdza jego przewodność elektryczną. Co się okazuje? Gaz potraktowany w ten sposób bez większego problemu przewodzi prąd. Po jakimś czasie Joseph John Thomson, bohater tej opowieści, odkrywa, że w gazie tym jest cząstka, która odpowiada za to zjawisko. Jest to elektron.

Astronomia w fizyce kwantowej

Na początku wyobrażamy sobie atom według pomysłu Nielsa Bohra jako jądro położone w centralnej jego części i elektrony poruszające się po orbitach jak planety wokół słońca. Jest to bardzo wygodne wyobrażenie - wyjaśnia w prosty sposób, jak powstają jony czy też dlaczego metale przewodzą prąd. Będąc uczniem szkoły podstawowej, nie zdawałem sobie jeszcze sprawy, że ta mała kulka z narysowanym na środku minusem to nie jest zwykła piłka jak ta, którą kopiemy na boisku, tylko… no właśnie, co takiego?

uproszczony model atomu według Bohra

I wtedy piękny sen o orbitujących elektronach się skończył…

Każdy elektron jest określony funkcją falową - skomplikowanym matematycznym wyrażeniem, którego kwadrat określa obszar, w którym znalezienie tej cząstki jest największe. Na przykład. dla elektronu w atomie wodoru wygląda ono tak:

kwadrat modułu funkcji falowej elektronu w atomie wodoru

Oznacza to, że wewnątrz tej sfery prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe. Kwadrat funkcji falowej nie musi przyjmować kształtu kuli, może wyglądać również tak:

kształty kwadratów modułów funkcji falowej - zakreślają obszary, w których znalezienie elektronu jest największe

Elektron jako obiekt kwantowy podlega zasadzie superpozycji. Oznacza to, że gdy patrzymy na atom wodoru, cząstka jest jednocześnie we wszystkich miejscach naraz do czasu, aż jej nie zaobserwujemy. Superpozycję dobrze wyjaśnia słynny eksperyment myślowy tzw. Kot Schrödingera. W zamkniętym pudełku znajduje się kot, atom radioaktywnego pierwiastka, detektor promieniowania i ampułka z trucizną. Atom ulega rozpadowi, wydzielając promieniowanie wykrywane przez detektor, który pod jego wpływem  rozbija ampułkę z trucizną. Po czasie połowicznego rozpadu prawdopodobieństwo, że atom wydzielił promieniowanie, wynosi 50%, a więc w konsekwencji kot będzie albo żywy, albo martwy z prawdopodobieństwem 50% dla każdego zdarzenia. Cały haczyk polega na tym, że jeśli uznamy kota jako obiekt kwantowy, taki jak elektron, czy foton, to będzie on jednocześnie żywy i martwy do czasu otworzenia pudełka i zaobserwowania go. Mówimy wtedy o tym, że kot jest w superpozycji, ponieważ jest w dwóch stanach jednocześnie. 

schemat eksperymentu myślowego z Kotem Schrödingera

Analogicznie do kota, elektron jest jednocześnie w każdym miejscu określonym przez funkcję falową. Nie dlatego, że bardzo szybko się porusza, a my mamy takie wrażenie jako obserwatorzy, tylko on po prostu jest wszędzie. Fakt ten nie jest z łatwością akceptowany przez nasze klasyczne spojrzenie na rzeczywistość, ponieważ zastanawiamy się, w jaki sposób obiekt może jednocześnie być w kilku miejscach naraz. Tak już jest z elektronem, musimy tę (może dla niektórych przykrą) prawdę zaakceptować taką, jaką jest. Ale to jeszcze nie koniec problemów, które niesie ze sobą ta cząstka, a wręcz dopiero początek…

Miłość i nienawiść w fizyce kwantowej, czyli dualizm korpuskularno-falowy

Model atomowy Nielsa Bohra (z elektronami orbitującymi wokół jądra atomowego) nie wyjaśnia wielu zjawisk, takich jak tunelowanie kwantowe czy zachowanie elektronów względem innych cząstek w tym samym atomie. Potrzeba znalezienia nowej teorii zmusiła fizyków cząstek elementarnych do wzmożonej pracy, która poskutkowała odkryciem nowej tajemniczej natury obiektów kwantowych. Okazuje się, że elektron nie jest piłką z narysowanym na niej minusem, tylko pewnym indywiduum, które nie jest tylko cząstką, jak do tej pory zakładano, ale również falą. Wykazuje właściwości falowe, takie jak uleganie interferencji, czy dyfrakcji oraz korpuskularne (cząsteczkowe), takie jak pęd czy masa. Patrzymy na to jako zwykli ludzie i zastanawiamy się “Jak to jest możliwe?”, ale jest to pytanie, na które odpowiedź nie jest taka prosta. Dualna natura elektronu to fakt, z którego wynikają różne zawiłe zależności, które zgłębia mechanika kwantowa. Dla nas oznacza to, że epoka wyobrażania sobie elektronu jako kulkę z namalowanym wielkim minusem na środku dobiegła końca.

artystyczna wizja dualizmu korpuskularno-falowego

To czym jest ten elektron?

Elektron to cząstka, która pozornie jest ani nie wiadomo czym, ani nie wiadomo gdzie. Nie ma struktury wewnętrznej, a uznaje się, że pod względem korpuskularnym zachowuje się jak punktowych rozmiarów kula (co nie oznacza, że nią jest). Ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga możliwe, że nigdy nie zobaczymy go na własne oczy, a jednak możemy odczuć jego obecność przede wszystkim w gniazdku, oglądając zdjęcia materiałów lub białek zrobionych przy pomocy mikroskopu elektronowego. Wzrok jest najbardziej wyostrzonym zmysłem u homo sapiens, dlatego to zrozumiałe, że chcemy zobaczyć, czym ten elektron jest, jak wygląda, ale mówiąc pesymistycznie, możliwe, że nigdy nam się to nie uda. Mimo wszystko może nie jest nam to potrzebne do zrozumienia natury Wszechświata.

Jak fizycy czegoś nie rozumieją, to nadają temu nazwę ~ prof. Andrzej Dragan

obraz elektronu wygenerowany przez AI

Obrazy:

1. Model of atom. Wikimedia Commons. (2008, December 16). https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atom_symbol.svg 

2. Zbigniew Kąkol, Jan Żukrowski. e-fizyka Podstawy fizyki. 2002. https://home.agh.edu.pl/~kakol/efizyka/w35/rys35/wyk3503.png

3. Joanna Kośmider. Atomowe orbitale; 2. orbital s. Wikimedia Commons (2011, July, 22) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/ba/Orbital_s.svg/220px-Orbital_s.svg.png

4. Schrödinger’s Cat. Wikimedia Commons (2024, March 3) https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Schr%C3%B6dinger%27s_Cat?

5. Medianauka.pl. “Dualizm Korpuskularno-falowy.” Medianauka.pl, www.medianauka.pl/dualizm-korpuskularno-falowy.

Bibliografia:

1. Współtwórcy projektów Fundacji Wikimedia. Elektron. 7 June 2002, pl.wikipedia.org/wiki/Elektron.

2. Mechanika Kwantowa. 7 June 2003, pl.wikipedia.org/wiki/Mechanika_kwantowa.

3.  Joseph John Thomson. 27 Dec. 2005, pl.wikipedia.org/wiki/Joseph_John_Thomson.

---. Kot Schrödingera. 16 Nov. 2005, pl.wikipedia.org/wiki/Kot_Schr%C3%B6dingera.

Helge Kragh - Niels Bohr and the Quantum Atom - the Bohr Model of Atomic Structure 1913-1925

A. Bielański - Podstawy chemii nieorganicznej, PWN