Strona głównaPytania → Czym są cząstki i czy...

Czym są cząstki i czy ktoś widział elektron?

Pytanie

Pyta Anna

W różnych publikacjach wykładach z fizyki kwantowej używa się pojęcia „cząstki”. Czy w tym rozumieniu atom uważa się za cząstkę? Pytam w kontekście zimnego gazu (schłodzony prawie do zera absolutnego), gdy efekt kwantowy uzyskuje się na obiekcie wielkości średnicy włosa ludzkiego. Czy to zbiór atomów czy „cząstek”?

Czy interferencja w fizyce kwantowej dotyczy również atomów?

Dlaczego w fizyce kwantowej odeszło się od ładunków elektrycznych cząstek elementarnych (ujemny elektron, dodatni proton)?

Czy ktoś widział elektron na oczy? Skąd wiadomo o budowie atomu, szczególnie jego wnętrza?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

1. Podstawowymi składnikami materii są cząstki elementarne (elektrony, fotony, kwarki, itp). Tworzą one często stany związane (protony, neutrony, jądra atomowe, atomy, itp). Jeśli energie w rozważanym procesie są na tyle małe, że struktura danego stanu związanego nie ma znaczenia, to możemy go w przybliżeniu traktować jak obiekt punktowy — cząstkę. Dlatego w kontekście bardzo zimnego gazu możemy atom nazywać cząstką.

2. Tak, interferencja w fizyce kwantowej może dotyczyć również atomów.

3. Nie, nie odeszło się. Elektron ma ładunek ujemny, a proton – dodatni. Pozyton (antyelektron) ma ładunek dodatni, a antyproton – ujemny.

4. Nikt nie widział elektronu na oczy, gdyż nasze oczy są detektorami fal elektromagnetycznych o długościach znacznie większych od rozmiarów atomu. Taki detektor nie ma więc wystarczającej rozdzielczości. Obrazy struktur krystalicznych (na których widać położenie pojedynczych atomów) możemy uzyskiwać wykorzystując krótsze fale i zjawiska interferencji. Natomiast wnętrze atomu wymaga użycia fal tak krótkich (o tak wysokiej energii), że zmieniają one strukturę atomu. Obserwujemy więc absorpcję fotonów przez atomy, a potem ich emisję. Własności takich procesów pozwalają nam wyznaczyć struktury poziomów energetycznych elektronów w atomach. Te obserwacje porównujemy z przewidywaniami teoretycznymi wynikającymi z rozwiązań równania Schrödingera. Tworzymy też z elektronów wiązki, rozpędzamy je w polach elektrycznych, a potem bombardujemy nimi różne tarcze, lub zderzamy przeciwbieżne wiązki i obserwujemy produkty reakcji, czyli trajektorie pojedynczych cząstek w detektorach śladowych. Obserwując taki ślad często mówimy, że widzimy pojedynczą cząstkę (elektron, proton, mion, itp), ale faktycznie widzimy jedynie wywołane przez tę cząstkę zjawisko makroskopowe.