Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk

Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk
Al. Lotników 32/46
02-668 Warszawa
tel.:
fax/tel.:
+48 22 8470920
+48 22 8431369
email:
WWW:
[email protected]
http://www.cft.edu.pl
Warszawa, 11 lutego 2010
Trojański elektron krąży jak planetoida
Naukowcy z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN przewidują istnienie nowego,
stabilnego stanu atomowego, gdzie elektrony krążą wokół jąder w sposób
przypominający zachowanie niektórych planetoid.
Elektron w atomie może się poruszać podobnie jak planetoidy trojańskie w Układzie Słonecznym.
Dotychczas sądzono, że takie nietypowe dla cząstek elementarnych zachowanie pojawia się tylko
wtedy, gdy elektron jest sterowany przez zewnętrzną falę świetlną. W pracy opublikowanej w
najnowszym wydaniu prestiżowego czasopisma naukowego „Physical Review” profesorowie Iwo
Białynicki-Birula z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN (CFT PAN) i Zofia Białynicka-Birula (Instytut
Fizyki PAN) sugerują jednak, że „planetarny” ruch elektronu w atomie bywa niekiedy stabilny. „W
pewnych warunkach elektron naprawdę samodzielnie krąży wokół jądra atomowego, a co
szczególnie ważne, potrafi to robić bardzo długo” – mówi prof. Białynicka-Birula.
Fizyka klasyczna traktuje elektrony jak ujemnie naładowane kulki poruszające się po orbitach
wokół jądra atomowego o dodatnim ładunku elektrycznym. Model ten strukturą przypomina układ
planetarny. Dla odmiany w teorii kwantów mówimy tylko o prawdopodobieństwie znalezienia
elektronu w określonym miejscu w pobliżu jądra atomowego. Zamiast krążenia po orbicie mamy tu
otaczającą jądro chmurę prawdopodobieństwa wykrycia elektronu to w jednym miejscu, to w
drugim. W licznych doświadczeniach wykazano, że w przeciwieństwie do klasycznego, kwantowy
opis atomów z nadzwyczajną dokładnością zgadza się z wynikami eksperymentów.
W 1994 roku grupa naukowców, w tym prof. Białynicki-Birula, przewidziała, że w pewnych
sytuacjach elektron w atomie może się zachowywać klasycznie: krąży wokół jądra. Inspiracją do
podjęcia analiz teoretycznych były ruchy planetoid trojańskich w Układzie Słonecznym.
Planetoidami trojańskimi astronomowie nazywają drobne ciała niebieskie, które grupują się w
punktach libracji planet – miejscach, gdzie równoważą się siły grawitacyjne (Słońca i danej
planety), bezwładności (odpowiedzialne za pozorną siłę odśrodkową w ruchu po orbicie) i siła
Coriolisa (która na Ziemi przyczynia się do podmywania jednego z brzegów rzek płynących
południkowo). W układzie dwóch obiektów oddziałujących grawitacyjnie zawsze mamy pięć
punktów libracji (Lagrange'a); dwa 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 punktach Lagrange'a związanych z dużymi planetami, zwłaszcza Jowiszem i Neptunem,
ale również Marsem.
Istnienie planetoid trojańskich skłoniło naukowców do poszukiwania punktów równowagi wokół
jąder atomowych. Należało jednak inaczej podejść do problemu, bo masy grawitacyjne tylko się
przyciągają, natomiast ładunki elektryczne mogą się i 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. Rachunki
wskazywały, że wyróżniony elektron będzie krążył jednocześnie wokół jądra i punktu równowagi,
ale tylko w obecności odpowiednio przygotowanego zewnętrznego pola elektromagnetycznego.
„Mimo tego ograniczenia był to naprawdę nieoczekiwany rezultat” – wspomina prof. BiałynickiBirula i podkreśla nietrwałość tego stanu atomowego: 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
poprawność przewidywań sprzed kilkunastu lat.
Najnowszy model teoretyczny, zaproponowany w pracy opublikowanej w ostatnich dniach stycznia
w czasopiśmie „Physical Review”, nie tylko przewiduje, że elektron może krążyć wokół punktu
równowagi poruszającego się wokół jądra – jak planetoida trojańska wokół Słońca – ale sugeruje
również, że stan ten nie ulegnie zniszczeniu w przypadku zaburzeń z zewnątrz. Za niezwykłą
stabilizację odpowiada odpychające oddziaływanie między elektronem a chmurą pozostałych
elektronów bliżej jądra. W rezultacie jeśli zaburzenia oddziałujące 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, ale stan nadal będzie stabilny.
„Na razie nie wiemy, jak doświadczalnie zmusić elektron do trwałego okrążania jądra atomowego.
Wiemy jednak, że gdyby się to udało, ta nietypowa sytuacja powinna utrzymać się naprawdę
długo” – mówi prof. Białynicki Birula.
Nowy model ma znaczenie przede wszystkim dla rozwoju fizyki teoretycznej, wiąże bowiem fizykę
jądrową z atomową. W tej pierwszej zdeformowane stany jądra atomowego – a więc takie, które
nie mają symetrii sferycznej – są bowiem znane od lat.
Centrum Fizyki Teoretycznej PAN (http://www.cft.edu.pl/) powstało w 1980 roku. Prowadzi działalność naukową w ważnych działach
fizyki teoretycznej i astrofizyki, wśród których znajdują się: klasyczna i kwantowa teoria pola, fizyka atomowa i optyka kwantowa,
klasyczny i kwantowy chaos, fizyka materii skondensowanej i fizyka statystyczna, teoria oddziaływań fundamentalnych, fizyczne
podstawy przetwarzania informacji i astrofizyka zjawisk kosmicznych. Centrum Fizyki Teoretycznej jest jedną z najmniejszych,
a jednocześnie najprężniej działających placówek naukowych Polskiej Akademii Nauk.
KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:
Zdeformowane stany atomowe:
prof. dr hab. Iwo Białynicki-Birula
Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk
tel. + 48 22 8436601 wew. 1303
email: [email protected]
POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.cft.edu.pl/
Strona Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk.
MATERIAŁY GRAFICZNE:
CFTPAN100211b_fot01s.jpg
http://www.cft.edu.pl/press/2010-02-11/CFTPAN100211b_fot01.jpg
Prof. Iwo Białynicki-Birula z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk. (Źródło: CFT PAN/Krystian Redlarski/afoto.pl)
CFTPAN100211b_fot02s.jpg
http://www.cft.edu.pl/press/2010-02-11/CFTPAN100211b_fot02.jpg
W układzie Słońce-Ziemia punkty równowagi Lagrange’a (na rysunku oznaczone literą L i numerem) są wykorzystywane przez sondy
kosmiczne. Statek umieszczony w takim punkcie krąży wokół niego i jednocześnie wokół Słońca. W podobny sposób może
zachowywać się elektron w atomie. (Źródło: NASA/WMAP Science Team)
CFTPAN100211b_fot03s.jpg
http://www.cft.edu.pl/press/2010-02-11/CFTPAN100211b_fot03.gif
Animacja pokazuje, jak planetoidy trojańskie (kolor zielony) w układzie Słońce-Jowisz krążą jednocześnie wokół punktów równowagi i
Słońca. Opracowany w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN model przewiduje, że w podobny sposób może zachowywać się elektron w
atomie. (Źródło: Petr Scheirich)
WIZUALIZACJE 3D:
http://demonstrations.wolfram.com/LagrangePoints/
Interaktywna wizualizacja, która pozwala zobaczyć, jak zmieniają się punkty równowagi między dwoma ciałami oddziałującymi
grawitacyjnie. W celu uruchomienia programu należy pobrać odtwarzacz Mathematica Player, dostępny pod podanym linkiem.