What is an electron?

by Dr. Amira Val Baker, Resonance Science Foundation Astrophysicist

Everyone knows what an electron is – right? Surprisingly the answer to that is no – no one really knows what it is.

If you ask any high school student what an electron is, they will most probably tell you that it is a subatomic particle with negative charge and acts as the primary carrier of electricity. This answer is indeed correct – however it does not reveal the true nature of its reality.

This fundamental question has been the driving force for much of modern physics – and eventually led to the development of quantum field theory – yet we are not any closer to finding an answer.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, można by pomyśleć, że pierwszym krokiem będzie obserwacja. Jednak łatwiej to powiedzieć niż zrobić. Elektrony są po prostu zbyt małe, byśmy mogli je zaobserwować - najmniejszą rzeczą, jaką możemy zaobserwować, jest atom, a i to nie za pomocą tradycyjnego mikroskopu. W rzeczywistości do obserwacji atomów używamy elektronów. Ta metoda obserwacji polega na wykorzystaniu wiązki przyspieszonych elektronów jako źródła oświetlenia - dzięki temu możemy obserwować obiekty milion razy mniejsze od ludzkiego włosa (~ 0,1 nm), co wystarcza do "oglądania" pojedynczych atomów.

Nie możemy więc obserwować elektronu, ale możemy obserwować jego zachowanie, a dokładniej jego energię. Obecnie robi się to za pomocą pułapek Penninga - specjalnego urządzenia opracowanego w latach 70. w celu zatrzymania cząstek na długi czas, tak aby można było dokonać dokładnych pomiarów. Pułapka Penninga działa poprzez zastosowanie superpozycji silnego jednorodnego pola magnetycznego, które zapewnia promieniowe uwięzienie, oraz słabego elektrostatycznego pola kwadrupolowego, które zapewnia osiowe uwięzienie.

Częstotliwość cyklotronowa - czyli częstotliwość ruchu okrężnego cząstki naładowanej prostopadle do pola magnetycznego - jest proporcjonalna do stosunku ładunku do masy. Jony o takim samym stosunku ładunku do masy będą ulegały takiemu samemu odchyleniu. Jeśli zmierzymy wielkość odchylenia w pułapce Penninga i porównamy ją z wielkością odchylenia jonu o ściśle określonej masie, np. węgla-12, to można wyznaczyć masę nieznanej cząstki.

Ważne jest, aby zauważyć, że kiedy dokonujemy takiego pomiaru energii, to w rzeczywistości dokonujemy pomiaru pojedynczego jonu (tj. elektronu otaczającego centralne jądro) - a nie pojedynczego elektronu.

Zatem, jeśli nie widzimy elektronu, to jak go odkryliśmy?

Elektron został odkryty w 1879 r. przez J.J. Thompsona, gdy badał on jasną poświatę obserwowaną na ekranie fosforescencyjnym po przyłożeniu wysokiego napięcia do dwóch elektrod w częściowo opróżnionej rurze - kineskopie. Te "promienie" lub "wiązki cząstek" są znane jako promienie katodowe, ponieważ pochodzą z katody.

Aby zbadać ich właściwości, zastosowano poprzeczne pola magnetyczne i elektryczne, które w każdym przypadku powodowały odchylenie promieni katodowych w kierunku dodatnim i z dala od ujemnego, wskazując, że mają one ładunek ujemny. Dalsze eksperymenty pozwoliły Thompsonowi określić stosunek masy do ładunku cząstek promieni katodowych, który okazał się znacznie mniejszy niż masa jakiegokolwiek znanego atomu. Thompson był również zaintrygowany tym, czy katoda jest źródłem cząstek, zmienił więc materiał i stwierdził, że właściwości promieni katodowych pozostały niezmienne bez względu na to, z jakiego materiału katody pochodzą. Ze wszystkich tych eksperymentów Thomson wywnioskował, że elektron jest cząstką, która tworzy całą materię i położył kres poglądowi, że atom jest najmniejszą cząstką. Zamiast tego atom składał się z subatomowych cząstek, które Thomson nazwał korpuskułami, a obecnie nazywane są elektronami.

Wysunięto kilka modeli, które wyjaśniały to nowe rozumienie atomu

Pierwszy z nich został zaproponowany przez samego Thompsona, a wywodził się z obserwacji, że elektrony s± naładowane ujemnie i dlatego, aby atom był neutralny musi istnieć Ľródło ładunku dodatniego, który zrównoważy elektrony. Zasugerował więc, że atom składa się z elektronów otoczonych zup± ładunku dodatniego. Stało się to znane jako model budyniu śliwkowego z ujemnie naładowanymi śliwkami otoczonymi dodatnio naładowanym budyniem.

Jednakże model budyniu śliwkowego został później uznany za błędny, gdy Ernest Rutherford przeprowadził wraz z Geigerem i Marsdenem swoje słynne eksperymenty z płatkami złota, w których bombardował cienką taflę złota cząstkami alfa (naładowanymi +ve) i stwierdził, że większość cząstek przechodziła przez taflę, a tylko niewielki procent cząstek był odchylany. Rutherford doszedł więc do wniosku, że masa atomu jest skoncentrowana w jego centrum i zaproponował model z dodatnim jądrem centralnym otoczonym przez ujemnie naładowane elektrony.

Model ten został rozwinięty z pomocą Nielsa Bohra, który zaproponował, aby elektrony zamiast być losowo rozmieszczone istniały w orbitalach - orbitując wokół centralnego dodatniego jądra, analogicznie do planet krążących wokół centralnego jądra/gwiazdy. W tym ujęciu elektrony są postrzegane jako rozszerzone źródła, jak kule bilardowe lub planety, zajmujące dyskretny poziom energetyczny - orbital.

W każdym modelu powinniśmy być w stanie wyjaśnić to, co obserwujemy. Tak więc, kiedy przeprowadzono analizę spektralną wodoru - czyli kiedy światło emitowane z gazowego wodoru przechodzi przez pryzmat i jest przez niego załamywane - zaobserwowano dyskretne linie emisyjne. W modelu Bohra, te linie emisyjne są wyjaśnione przez przejście elektronów pomiędzy orbitalami - więc kiedy energia światła jest absorbowana przez elektron, przechodzi on na wyższy poziom energetyczny - ten wyższy poziom energetyczny jest wzbudzony i dlatego nie jest tak stabilny, więc kiedy odpręża się z powrotem do stabilnego stanu, emituje foton, ponieważ spada na niższy poziom energetyczny - i to właśnie ten wyemitowany foton jest obserwowany.

Jednak model Bohra był w stanie wyjaśnić widmo emisji tylko dla wodoru lub innych jednoelektronowych atomów, takich jak zjonizowany hel. W przypadku atomów wieloelektronowych analiza widmowa wykazała wiele więcej dyskretnych linii emisyjnych, których nie można było wyjaśnić za pomocą modelu Bohra.

W tym miejscu przej±ł model kwantowy, który zamiast wyja¶niać elektron jako rozci±gnięte Ľródła na dyskretnych orbitach, traktuje elektron i pozyton jako cz±stki punktowe bez wewnętrznej struktury. W przeciwieństwie do modelu Bohra elektrony nie istniej± na dokładnie okre¶lonych orbitach, a zamiast tego wszystko co wiadomo o tych punktowych cz±stkach to ich prawdopodobny rozkład wokół atomu - ogólnie nazywany chmur± elektronow±. Model chmury elektronowej został opracowany w 1926 roku przez Erwina Schrödingera i Wernera Heisenberga i może być wyjaśniony w kategoriach fali prawdopodobieństwa - konkretnie równania falowego Schrodingera - gdzie stany lub "orbitale", które elektron może zajmować w atomie są analogiczne do fali stojącej.

W modelu kwantowym te stany, orbitale zależą od zestawu liczb kwantowych, na przykład od podstawowej liczby kwantowej n, liczby pędu l, liczby magnetycznej m i liczby spinowej s. Różne kształty i rozmiary tych rozkładów prawdopodobieństwa/orbitali mogą być dalej badane tutaj.

To właśnie te różne liczby kwantowe definiują położenie i moment pędu w kategoriach chmury prawdopodobieństwa i opisują linie emisyjne, które nie były uwzględnione w modelu Bohra. Model kwantowy został również rozszerzony w celu wyjaśnienia linii emisyjnych, które pojawiają się z powodu zewnętrznego pola magnetycznego i/lub z powodu oddziaływań z próżnią kwantową.

Jednakże, mimo że model ten jest bardzo udany i potrafi wyjaśnić to, czego nie potrafił model Bohra, to nadal nie wyjaśnia elektronu i tego, skąd bierze się jego masa.

W rzeczywistości, w obu tych modelach masa nie jest wyprowadzona z pierwszych zasad i zamiast tego jest znana tylko empirycznie.

Standardowa definicja masy elektronu jest więc zazwyczaj podawana w kategoriach stałej Rydberga (stała odnosząca linie emisyjne do energii)

Pytanie brzmi - czy takie podejście może być rozszerzone na elektron? Pierwszym krokiem w odpowiedzi na to pytanie jest rozważenie przestrzennego zasięgu elektronu i objętości informacji, którą on zawiera. Jednakże, przestrzenny zasięg elektronu nie został ostatecznie zdefiniowany - więc jakiego promienia używamy?

Uogólnione podejście holograficzne postrzega masę jako wyłaniającą się z ziarnistej struktury czasoprzestrzeni w skali Plancka, w kategoriach potencjału transferu informacji z powierzchni do objętości, który maleje wraz ze wzrostem promienia. Jeśli więc zaczniemy od założenia, że chmura elektronowa może być uważana za "elektronowe" spójne pole informacji, to zamiast myśleć o elektronie jako o oddzielnym systemie, można myśleć o elektronie jako o chmurze energii potencjalnej rozciągającej się przestrzennie od protonu aż do promienia, w którym objętość zamyka chmurę elektronową atomu wodoru Bohra.

Kiedy zastosujemy takie podejście, znajdziemy rozwiązanie masy elektronu w kategoriach holograficznego stosunku powierzchni do objętości - potencjału przeniesienia - i masy równoważnej eksperymentalnie zmierzonej masie elektronu,

Powstaje obraz, w którym struktura atomu Bohra oraz ładunek i masa zarówno protonu jak i elektronu s± konsekwencj± dynamiki spinowej we współruchu w ziarnistej strukturze czasoprzestrzeni w skali Plancka. Tak więc mamy teraz model fizyczny, który daje nam głębsze zrozumienie natury elektronu i podaje poprawn± masę!

Kiedy rozszerzymy ten model na kolejne mniejsze promienie - promienie atomowe - znajdziemy masę dla całkowitej liczby elektronów w każdym pierwiastku.

Rozwiązanie daje jasny wgląd w strukturę wszystkich atomów z tablicy pierwiastków, w sensie tego, że chmura elektronowa składa się z kwantowych fluktuacji próżni w skali Plancka. W wyniku tego, w kategoriach energii próżniowej zostaje określone źródło stałej struktury subtelnej, stałej Rydberga i stosunku masy protonu do masy elektronu.

Tak więc, z ziarnistej struktury czasoprzestrzeni w skali Plancka, uogólnione podejście holograficzne daje nam masę czarnej dziury, masę protonu i teraz masę elektronu.

Details of this work: The Electron and the Holographic Mass Solution. Val Baker, A. K. F., Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol. 32, Pages 255-262

Share this page