Elektron jak planetoida trojańska

Elektron w atomie może się poruszać podobnie jak planetoidy trojańskie w Układzie Słonecznym. Dotychczas sądzono, że takie zachowanie cząstek elementarnych pojawia się tylko wtedy, gdy elektron jest sterowany przez zewnętrzną falę świetlną.

Ale planetarny ruch elektronu w atomie może być stabilny. Udowodnili to teoretycznie profesorowie: Iwo Białynicki-Birula z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i Zofia Białynicka-Birula pracująca w Instytucie Fizyki PAN. Oboje są autorami artykułu opublikowanego w najnowszym wydaniu magazynu naukowego Physical Review. —W pewnych warunkach elektron naprawdę samodzielnie krąży wokół jądra atomowego i potrafi to robić bardzo długo — powiedziała prof. Białynicka-Birula.

Fizyka klasyczna traktuje elektrony jak ujemnie naładowane kulki poruszające się po orbitach wokół jądra atomowego o dodatnim ładunku elektrycznym. Model ten przypomina układ planetarny. Ale w teorii kwantów fizycy mówią tylko o prawdopodobieństwie znalezienia elektronu w określonym miejscu w pobliżu jądra atomowego. Zamiast krążenia po orbicie jest otaczająca jądro chmura prawdopodobieństwa wykrycia elektronu. Kwantowy opis atomów, w przeciwieństwie do klasycznego, został potwierdzony eksperymentalnie.

W 1994 roku grupa naukowców (był w niej prof. Białynicki-Birula) przewidziała, że w pewnych sytuacjach elektron w atomie może się zachowywać klasycznie: krąży wokół jądra.

Inspiracją dala naukowców były ruchy planetoid trojańskich w Układzie Słonecznym. To drobne ciała niebieskie, które grupują się w tzw. punktach libracji planet, miejscach, gdzie równoważą się siły grawitacyjne Słońca i danej planety i innych, mniej istotnych sił. Z pięciu punktów libracji, dwa są najważniejsze, bo tylko wokół nich ruch jest stabilny. Znajdują się na orbicie planety, jeden przed nią, drugi za. Ciało niebieskie w pobliżu takiego punktu krąży jednocześnie wokół niego i wokół gwiazdy. W Układzie Słonecznym planetoidy trojańskie można znaleźć w takich punktach na orbitach planet: Jowisza, Saturna, Neptuna i Marsa.

Istnienie planetoid trojańskich skłoniło naukowców do poszukiwania punktów równowagi wokół jąder atomowych. Wymagało jednak innego podejścia do problemu, bo masy grawitacyjne się przyciągają, natomiast ładunki elektryczne mogą się przyciągać i odpychać. — Zewnętrzny elektron jest odpychany przez pozostałe, znajdujące się bliżej jądra. Aby łatwiej prowadzić obliczenia, fizycy traktują je jako jeden obiekt — wyjaśnia prof. Białynicki-Birula. Obliczenia wskazywały, że elektron będzie krążył jednocześnie wokół jądra i punktu równowagi, ale tylko w obecności zewnętrznego pola elektromagnetycznego. — Mimo tego ograniczenia był to naprawdę nieoczekiwany rezultat- wspomina prof. Białynicki-Birula.

Elektron powracał do zachowania zgodnego z opisem kwantowym natychmiast po wyłączeniu fali. W marcu 2009 roku amerykańsko-japońskiej grupie naukowców udało się wreszcie wytworzyć taki stan w laboratorium i potwierdzić przewidywania sprzed kilkunastu lat.

Najnowszy model teoretyczny opublikowany 29 stycznia 2009 r. w pracy w Physical Review, przewiduje, że elektron może krążyć wokół punktu równowagi poruszającego się wokół jądra. Dokładnie tak, jak planetoida trojańska wokół Słońca i planety. Model przewiduje ,że stan ten nie ulegnie zniszczeniu w przypadku zaburzeń z zewnątrz. Za stabilizację odpowiada odpychające oddziaływanie między elektronem a chmurą pozostałych elektronów bliżej jądra. Jeśli zaburzenia działające z zewnątrz na elektron są małe, będzie on krążył wokół punktu równowagi po torze przypominającym elipsę; większe zaburzenia wygną ją w kształt zbliżony do banana.

— Na razie nie wiemy, jak doświadczalnie zmusić elektron do trwałego okrążania jądra atomowego — przyznaje prof. Birula. — Wiemy jednak, że gdyby się to udało, ta nietypowa sytuacja powinna utrzymać się naprawdę długo.

[i]na podst. mat. Centrum Fizyki Teoretycznej PAN[/i]

[ramka][srodtytul]Zobacz więcej:[/srodtytul]