Różnorodność otaczającej nas materii budzi zdumienie. Tym bardziej, że jak odkryli to fizycy, materię tworzy kilka, może kilkanaście rodzajów niesłychanie drobnych cząsteczek. Wśród tych cząstek najważniejszą rolę gra elektron i od niego właśnie zależą niemal wszystkie cechy materii.
Elektrony zaczęły być rozpoznawane dopiero pod koniec XIX wieku. Przedtem, przez ponad sto lat, fizycy badali i opisywali zjawiska elektryczne oraz formułowali prawa natury rządzące tym nowo poznanym fenomenem. Nie mogli zrozumieć, co płynie w metalowych drutach, przenosząc ogromne moce dostarczane do prądnic i odzyskiwane w silnikach zainstalowanych w oddalonych miejscach. W przewodach elektrycznych nic nie było widać, wydzielało się tylko trochę ciepła.
Dopiero, gdy zaobserwowano, że prąd elektryczny przepływa również w wannach do galwanizacji, w gazach i w próżni, fizycy zaczęli się domyślać, że prąd to przepływ niesłychanie małych, niemożliwych do zaobserwowania cząstek. Cząstki te nazwano elektronami, tak jak w języku greckim nazywany jest bursztyn, który pierwszy objawił zjawisko elektryczności. Później zorientowano się, że prąd w cieczach i gazach może być również przepływem jonów, ale powstawanie jonów też jest spowodowane przemieszczaniem się elektronów.
Elektron zajmuje tak małą przestrzeń, że fizycy nie mogli określić jej zakresu. Z czasem zorientowano się, że jest to jakby mgiełka, kłębek zapętlonej przestrzeni – twór trudny do wyobrażenia. Zaproponowany około 100 lat temu przez Nielsa Bohra model planetarny atomu, w którym wokół jądra krążą drobne pyłki – elektrony, jest nieprawdziwy, chociaż wygodny do opisywania większości zjawisk w naturze.
Obserwacje przepływu prądu (ruchu elektronów) w próżniowych bańkach doprowadziły na początku XX wieku do skonstruowania tak zwanych ”lamp elektronowych”. Pozwalały one na przepływ prądu tylko w jednym kierunku (prostowniki – diody) i na sterowanie przepływem prądu (wzmacniacze). Możliwość sterowania kierunkiem ruchu elektronów w próżni pozwoliła na skonstruowanie telewizyjnych lamp obrazowych (kineskopów), jeszcze do dzisiaj używanych w starszego typu telewizorach. W lampach tych pole elektryczne i magnetyczne odchyla strumień elektronów, omiatając nim świecący ekran i rysując obrazy zgodnie z sygnałami wysyłanymi ze stacji telewizyjnych.
W połowie ubiegłego wieku odkryto, że w łatwy sposób można sterować przepływem prądu w kryształach niektórych substancji – półprzewodnikach. Zamiast konstruować duże i grzejące się „lampy radiowe” te same efekty można osiągnąć w widocznych dopiero pod silnymi mikroskopami strukturach krystalicznych – tranzystorach. Skonstruowano setki różnych rodzajów półprzewodnikowych elementów, w których przepływający prąd może wykonywać najróżniejsze funkcje. Na przykład, elektrony osadzane na malutkich wysepkach, w tak zwanych „flash memory”, pozwalają na zapamiętanie w krysztale o powierzchni paznokcia takiej ilości informacji, której wydrukowanie zajęłoby całą ścianę biblioteki.
Gdyby współczesną konstrukcję jednego komputera „laptopa” chciano zbudować wykorzystując lampy elektronowe, tak jak zaczęto to robić w pierwszych komputerach w latach 40. ubiegłego wieku, to nie wystarczyłoby pomieszczeń wszystkich budynków chicagowskiego Downtown. Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych nie ma sobie równego przykładu w całej historii ludzkości.
Właściwości elektronów są wykorzystywane w wielu innych dziedzinach techniki. Ich super małe wymiary, masa mniejsza dwa tysiące razy od najlżejszego atomu (wodoru), łatwość ich rozpędzania, skupiania i kontroli ruchu, pozwoliła na skonstruowanie „mikroskopów elektronowych”, które dostrzegają szczegóły setki razy drobniejsze niż dostrzega to klasyczny mikroskop świetlny. Jeszcze dokładniej może analizować powierzchnie tak zwany „skaningowy mikroskop tunelowy”, w którym elektrony przeskakują z nierówności badanej powierzchni na przesuwającą się igłę.
Zmiana ruchu elektronów, zderzenia z innymi cząsteczkami mogą wywoływać zjawiska świetlne. Płomień palącego się gazu czy świecenie lamp to fale elektromagnetyczne wysyłane przez elektrony zmieniające swoją energię ruchu. Długość tych fal elektromagnetycznych zależy od wytraconej przez elektron energii. Stąd różne, ale charakterystyczne dla każdej substancji, kolory świecenia.
Widać to wyraźnie w „rurach neonowych” świecących reklam, przez które przepuszczany jest prąd. Ostatnio coraz popularniejsze są półprzewodnikowe „diody świecące”, instalowane jako punkty sygnalizacyjne w wielu urządzeniach, jako światła sterujące ruchem na skrzyżowaniach i światła w samochodach. Są to bardzo sprawne i niezawodne źródła światła, mające jednak swoją wadę. Światło wysyłane przez przeskoki elektronów w kryształach ma tylko kilka kolorów i jak na razie, oglądane w tym świetle przedmioty mają kolory zafałszowane.
Świecenie zimnego gazu może być obserwowane w pobliżu biegunów ziemskich, jako zorze polarne. Rozpędzone cząsteczki tak zwanego „wiatru słonecznego” wpadają do atmosfery w pobliżu ziemskich biegunów magnetycznych, uderzają w atomy tlenu i azotu i wybijają z nich elektrony, które wracając na swoje pozycje w atomach wysyłają charakterystyczne kolory światła. „Zimne” światło jest również wysyłane przez elektrony biorące udział w reakcjach chemicznych, na przykład w ozdobnych świecących rurkach sprzedawanych wieczorami w parkach, świecenie niektórych owadów i ryb, a także świecenie bakterii rozkładających próchniejące drewno.
Niemal wszystkie obserwowane wokół nas zjawiska zależą od elektronów. Przyciąganie pomiędzy elektronami i atomami pierwiastków nadaje materiałom spoistość i wytrzymałość. Reakcje chemiczne, czyli łączenie różnych pierwiastków, to wynik wymiany elektronów pomiędzy atomami. Nawet funkcjonowanie żywych organizmów, przemiany skomplikowanych związków organicznych, przesyłanie sygnałów przez włókna nerwowe – to nieustanne krążenie elektronów pomiędzy atomami.
Strumień rozpędzonych elektronów może być silnym i precyzyjnym narzędziem. Budowane są spawarki wykorzystujące skupioną wiązkę elektronów, rozgrzewającą i topiącą metale w jednym punkcie i pozostawiającą otoczenie chłodne. Działka elektronowe są wykorzystywane w medycynie, do diagnostycznych prześwietleń i do zabiegów chirurgicznych. Strumieni elektronów używa się również do zabijania bakterii występujących w naturze, a niszczących przechowywaną żywność. Wiązka elektronów w polu magnetycznym może być źródłem promieniowania laserowego o dowolnie wybranej częstotliwości (barwie).
Elektrony przepuszczane przez różne materiały napotykają opór i zderzają się z atomami, wytwarzając ciepło. Wykorzystywane jest to w grzejnikach, a także w żarówkach, gdzie włókno wolframu rozżarzane jest do około 3 tysięcy stopni Celsjusza i świeci silnym białym światłem.
Opór drutów służących do transmisji prądu nie jest zjawiskiem korzystnym, gdyż powstają nikomu niesłużące straty energii. Zaobserwowano jednak zadziwiające zjawisko. W temperaturach bardzo niskich metale nie stanowią żadnego oporu dla przepływającego prądu. Zjawisko to otwarło wprost nieograniczone możliwości wykorzystania w technice, lecz ciągle nie ma zadowalającego wyjaśnienia. Nadprzewodnictwo prądu wykorzystywane jest w eksperymentalnych liniach przesyłowych wysokiego napięcia, a także do zasilania silnych magnesów w diagnostycznych urządzeniach medycznych MRI i w magnetycznych magazynach energii. Wymaga to jednak kosztownych instalacji chłodzących, zuży
wających zbyt dużo energii. Ciągle fizycy poszukują takich stopów metali lub innych materiałów (nawet ceramicznych), które byłyby nadprzewodnikami w temperaturach bliskich naszemu otoczeniu. Elektrony biorą udział również w reakcjach jądrowych. Wiele pierwiastków zaliczanych do grupy radioaktywnych wystrzeliwuje z jądra bardzo szybki elektron nazwany promieniowaniem beta. Właściwości jądra po takim rozpadzie zmieniają się i mamy do czynienia już z innym pierwiastkiem. Tak promieniuje występujący w przyrodzie potas 40, zamieniając się na wapń. Są również obserwowane zjawiska odwrotne, wychwytu elektronów przez jądra niklu, zamieniającego się na kobalt.
Elektron wydaje się tworem stabilnym, żyjącym wiecznie. Gdy jednak spotyka na swej drodze cząsteczkę antymaterii, zanika pozostawiając tylko błysk promieniowania. Obserwowane są również narodziny elektronu, powstającego z promieniowania elektromagnetycznego gamma.
Do dzisiaj nie wiadomo, czym jest naprawdę elektron. Jego niewielka masa może zmniejszać się, gdy uwiązany jest w sieci krystalicznej innych składników materii, potrafi przechodzić przez dwa otwory jednocześnie, potrafi przeskakiwać przez bariery teoretycznie nie do pokonania (efekt tunelowy), potrafi rodzić się i zanikać. Nie wiadomo, czym jest wywoływane przez elektrony oddziaływanie elektrostatyczne i magnetyczne (gdy są w ruchu). Fizycy tego nie tłumaczą, po prostu uznają, że tak jest.
Elektrony powstały w swojej masie w chwili narodzin Wszechświata i, jak wspomniałem na wstępie, rządzą większością zjawisk w Naturze. Właściwości elektronów nauczyliśmy się wykorzystywać dopiero niedawno. Bez znajomości tych praw nasza cywilizacja wyglądałaby całkiem inaczej. A gdyby elektronów nie było, Wszechświat nie byłby taki, jak go obserwujemy, prawdopodobnie nic by w tej przestrzeni się nie działo. (ami)
Redakcja
