Elektron waży mało, bardzo mało. Ale teraz przynajmniej wiemy, jak mało. Pracującemu w Niemczech Polakowi udało się najdokładniej na świecie zważyć masę elektronu.


Elektron jest tzw. cząstką elementarną, czyli taką, której nie da się już podzielić na mniejsze kawałki. Jest dość powszechny i powstał zaraz po Wielkim Wybuchu. Każdy atom składa się z jądra atomowego, w którym znajdują się protony i neutrony (wyjątkiem jest jądro wodoru, w którym jest tylko jeden proton), krążących wokół elektronów. Pomijając szczególne sytuacje, elektronów krążących wokół jądra atomowego jest tyle samo, ile protonów znajdujących się w jego wnętrzu. To powoduje, że atomy są obojętne elektrycznie, w skrócie mówiąc – mają tyle samo ładunków elektrycznych dodatnich (niesionych przez protony), ile ujemnych (te są niesione przez elektrony). Proton i elektron wydają się w tej opowieści swoimi przeciwieństwami. Jeden niesie ładunek ujemny, drugi dodatni. Ale to tylko pozory. Protony i elektrony są cząstkami skrajnie różnymi. Powstały po Wielkim Wybuchu, ale w zupełnie inny sposób.

Protony (i neutrony zresztą też) należą do rodziny tzw. hadronów, czyli cząstek sklejonych z kwarków. Elektron nie jest hadronem, nie jest z niczego sklejony, jest niepodzielny. Elektron należy do grupy cząstek zwanych leptonami. Pomijając jednak te obco (i może nawet nieco groźnie) brzmiące nazwy, można powiedzieć, iż różnica pomiędzy elektronem i protonem nie polega tylko na tym, że jeden się dzieli, a drugi nie, oraz na tym, że należą do dwóch różnych rodzin. Elektron jest dużo, dużo mniejszy od protonu. O ile mniejszy?

Ile dokładnie?


Nikogo nie trzeba chyba przekonywać, że zmierzenie masy cząstki nie jest łatwe. Nie da się jej tak po prostu położyć na wadze, odczekać, aż szalki się ustabilizują, a następnie odczytać masę z podziałki. Pomijając fakt, że jakiekolwiek standardowe urządzenia nie wchodzą w ogóle w grę, ponieważ cząstki są w ciągłym ruchu. Szczególnie dotyczy to właśnie elektronów. Można by się zastanawiać, po co w ogóle komukolwiek precyzyjna wiedza o masie elektronu. Nie da się zrozumieć tego, co dzieje się we wnętrzu atomu, tego, jakie panują mechanizmy i oddziaływania, bez dokładnego pomiaru masy cząstek, które atom budują. Oczywiście te masy cząstek są znane, ale zespół fizyków z niemieckiego Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu stwierdził, że precyzja tego pomiaru jest niewystarczająca i trzeba ją poprawić. Pomiar masy, jakiego udało się dokonać, jest 13 razy bardziej precyzyjny niż te, którymi dysponowano dotychczas. Ile więc waży jeden elektron? Jest dokładnie 1836 razy lżejszy niż proton. Z kolei w jednym gramie mieści się 600 tryliardów protonów (tryliard to 1 i 21 zer). Jeszcze inaczej można powiedzieć, że masa atomowa elektronu wynosi ok. 0,000548579909067. 
Elektron jest najlżejszą cząstką, jaką udało się dotychczas fizykom precyzyjnie zważyć. Co prawda istnieją lżejsze cząstki od elektronów, ale ich masa nie jest znana, szacuje się jedynie jej wartość.

Jak zmierzono?


Bezpośredni pomiar masy elektronu jest absolutnie niemożliwy. Po to, by go zważyć, trzeba było posłużyć się pewnym trikiem. Wzięto atom węgla, w którym znajduje się 6 elektronów i „odczepiono” od niego 5 elektronów. W efekcie powstał tzw. jon, który miał jadro atomu węgla, ale wokół niego krążył tylko jeden elektron. Taki jon węgla zamknięto w urządzeniu zwanym pułapką Penninga. I dopiero tam zaczął się pomiar właściwy masy elektronu. Elektron (zresztą inne cząstki także) może się zachowywać jak niewielki magnesik. Manipulując złapanym w pułapkę jonem węgla, naukowcy mierzyli zachowanie elektronu, który krążył wokół jądra. Z tych pomiarów, przez zastosowanie wzorów, udało się precyzyjnie wyliczyć masę elektronu. Pomiary i badania trwały wiele miesięcy, a po ich zakończeniu wyniki eksperymentu znalazły się w pracy naukowej opublikowanej w prestiżowy czasopiśmie „Nature”. Jednym ze współautorów tej publikacji był pracujący w Niemczech Polak dr Jacek Zatorski. To on był odpowiedzialny za obliczeniową część eksperymentu.

Jak tam jest? 
Pusto


Mały elektron, większe protony i neutrony. Jak można sobie wyobrazić świat na poziomie pojedynczych atomów? Z całą pewnością inaczej, niż rysują go w podręcznikach. Przede wszystkim jądro atomowe wcale nie musi być kulką. Po drugie elektrony są znacząco mniejsze niż protony i neutrony, podczas gdy na modelach atomów w książkach są prawie takie same. Gdyby proton był wielkości jabłka, elektron byłby ziarenkiem słonecznika, a może większym ziarenkiem piasku. I jeszcze jedno. Atom to w większości pustka. Podobnie zresztą jak Układ Słoneczny. To dość udana anologia. Bo zarówno w atomie, jak i w naszym układzie planetarnym przeważająca większość masy zgromadzona jest w centrum.
99 proc. masy całego Układu Słonecznego to Słońce. Podobnie jest w atomie, gdzie jądro atomowe „zabiera” 99 proc., a czasami jeszcze więcej masy całego atomu. I jeszcze jedno: elektrony są nie tylko dużo, dużo lżejsze od jądra atomowego, ale tak samo jak w Układzie Słonecznym planety, krążą bardzo od niego daleko. Powracając do analogii z jabłkiem jako protonem i ziarenkiem piasku jako elektronem – w tej skali elektron krąży w odległości kilkudziesięciu, a może nawet 100 metrów od jądra atomowego. Atom to w większości pustka. •

Tomasz Rożek
tekst ukazał się w numerze 11/2014 tygodnika Gość Niedzielny

Czy można zobaczyć cząstkę elementarną?