Elektron je jedna od osnovnih, nedjeljivih čestica prirode. Drugim riječima, ne sastoji se od manjih dijelova – on je jednostavno takav kakvog ga mjerimo.
Samim tim, elektron posjeduje svojstva koja možemo izmjeriti, kao što su njegova masa, negativni električni naboj i magnetni moment.
Zbog svog negativnog električnog naboja, elektroni su privučeni pozitivno naelektrisanim atomskim jezgrima.
Ovo privlačenje možemo zamisliti kao neku vrstu “potencijalne jame” oko jezgra, u koju elektron može “upasti” ako nema dovoljno energije da pobjegne.
Na prvi pogled, ovo podsjeća na planetarni sistem, pa bismo mogli očekivati da elektroni kruže oko jezgra slično kao planete oko zvijezda.
Međutim, prema klasičnoj fizici, tu nastaje problem.
Kretanje po orbiti zahtijeva stalno ubrzanje, a naelektrisana čestica koja ubrzava (poput elektrona) trebala bi neprestano zračiti energiju.
Nakon što bi na taj način izgubio svu svoju energiju, elektron bi se spiralno trebao “strovaliti” prema jezgri.
Ali, naš svijet očigledno ne funkcioniše tako – atomi su stabilni.
Talasi, nivoi i kvantni skokovi
Upravo zbog toga da bi pokušala razjasniti ovakve pojave, rodila se nova grana fizike – kvantna mehanika.
U kvantnom svijetu, materija se ne ponaša samo kao čestica, već kao i talas. Ovo svojstvo materije se opisuje “talasnom funkcijom“.
Kao i drugi talasi, elektronski talasi mogu interferirati sami sa sobom. Ova interferencija dovodi do toga da nisu sve putanje oko atomskog jezgra moguće.
Dozvoljene su samo određene “orbite” ili, preciznije rečeno, energetska stanja.
Svako od ovih stanja ima tačno određenu, diskretnu (odvojenu) vrijednost energije.
Elektron koji kruži oko atomskog jezgra može postojati samo u tim dozvoljenim energetskim stanjima. Prelazak između ovih stanja dešava se pomoću fascinantne osobenosti elektrona, koju fizičari nazivaju “kvantni skokovi“.
Da bismo ovo bolje razumjeli, zamislimo elektrone kako kruže oko jezgra na određenim energetskim nivoima, poput stepenica.
Umjesto da se glatko kreće između tih nivoa, elektron “preskače” s jednog nivo na drugi bez prolaska kroz međustanja.
Ovaj “skok” je trenutan i diskretan, što znači da se energija mijenja u tačno određenim, kvantiziranim iznosima.
Elektron može skočiti na viši energetski nivo, ako apsorbuje foton (česticu svjetlosti) odgovarajuće energije, ili pasti na niži nivo emitujući foton.
Osnovno stanje i Paulijev princip
Zašto onda elektroni jednostavno ne izgube svu energiju i ne završe “na dnu” potencijalne jame, u samom jezgru?
Na prvi pogled, čini se logičnim da bi elektroni, budući da su negativno naelektrisani i privučeni pozitivno naelektrisanom jezgrom, trebali izgubiti svu energiju i spiralno se srušiti u njega.
Međutim, kvantna mehanika opisuje sasvim drugačiju sliku.
Razlog zašto elektroni ne padnu u jezgro leži u kombinaciji osnovnog stanja i Heisenbergovog principa neodređenosti.
Kao što je već prije spomenuto u ovom tekstu, elektroni u atomu mogu postojati samo na diskretnim energetskim nivoima. Ali, također postoji najniži mogući energetski nivo koji se naziva osnovno stanje.
Elektron koji se nalazi u osnovnom stanju ima minimalnu moguću energiju i ne može je dalje izgubiti. Da bi elektron pao u jezgro, morao bi imati energiju nižu od osnovnog stanja, što je kvantno-mehanički nemoguće.
Radi lakšeg razumijevanja ove karakteristike elektrona, to je poput pitanja zašto voda ne može biti hladnija od apsolutne nule – jednostavno postoji fundamentalna granica.
Elektron ima još jedno važno svojstvo, a to je spin. Spin je fundamentalno kvantno stanje čestica, poput elektrona, koji nema direktnu klasičnu analogiju rotacije oko ose.
Možemo to zamisliti kao unutrašnji moment impulsa, koju svaka čestica posjeduje čak i kada miruje, a za elektron on iznosi 1/2.
Ovdje na scenu stupa Paulijev princip isključenja.
On kaže da dvije identične čestice sa polucjelobrojnim spinom (kao što su elektroni) ne mogu istovremeno zauzimati potpuno isto kvantno stanje.
Ovaj princip je ključan! On objašnjava ljuskastu strukturu atoma: elektroni popunjavaju energetska stanja počevši od najnižeg, ali pošto svako stanje može primiti samo ograničen broj elektrona (zbog spina i principa isključenja), oni moraju zauzimati i više nivoe, formirajući “ljuske”.
Ova struktura određuje hemijska svojstva elemenata i razlog je stabilnosti atoma i molekula kakve poznajemo.
Atomsku strukturu možemo zamisliti kao neku vrstu “kontejnera” koji se popunjava elektronima po strogim pravilima.
Da bi slobodan elektron postao dio stabilnog atoma, on mora izgubiti višak energije (obično emitovanjem fotona) i “smjestiti se” u najniže dostupno energetsko stanje.
Kada se sva niža stanja popune, atom postaje stabilan jer elektroni više nemaju gdje da “padnu” gubeći energiju.
Rađanje neutronskih zvijezda
Sve ovo prilično dobro objašnjava svijet hemije i materije oko nas, ali priča postaje još dramatičnija kada uključimo gravitaciju u ekstremnim uslovima.
Pod ogromnim pritiskom gravitacije, kakav vlada u masivnim zvijezdama koje su potrošile svoje gorivo, atomi su toliko sabijeni da elektroni bivaju bukvalno “utisnuti” u atomska jezgra.
Tamo reaguju sa protonima, stvarajući neutrone. Na taj način nastaju nevjerovatno gusti objekti – neutronske zvijezde.
Fermijev pritisak i crne rupe
Šta je to što spriječava neutronsku zvijezdu da dalje kolabira pod sopstvenom ogromnom težinom?
Opet Paulijev princip isključenja!
Neutroni su također čestice sa spinom 1/2 i ne mogu se svi sabiti u isti prostor i isto stanje.
Otpor koji ovi neutroni pružaju, naziva se Fermijev (ili degenerativni) pritisak. Ako masa zvijezde postane toliko velika da ni ovaj pritisak nije dovoljan da se odupre gravitaciji, slijedi konačan kolaps – nastaje crna rupa.
O sudbini materije unutar crne rupe moglo bi se još mnogo toga reći, ali tu ulazimo u područje gdje naše trenutno razumijevanje fizike dostiže svoje granice.
Foto naslovnice: rawpixel.com (CC0 1.0)
