Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: kosmos

Uderzy czy nie?

19 października, o godzinie 20:28 czasu polskiego w pobliżu Marsa przeleci kometa C/2013 A1. Będzie tak blisko, że niewykluczona jest kolizja. Te w przeszłości się zdarzały. W lipcu 1994 roku z Jowiszem zderzyły się reszki komety Shoemaker-Levy 9. Nigdy wcześniej nie oglądaliśmy jednak zderzenia komety z Marsem.

Kometa C/2013 A1 została odkryta 3 stycznia 2013 roku przez Roberta McNaughta z Siding Spring Observatory w Australii. Jak wszystkie komety i ta narodziła się na samym skrawku Układu Słonecznego, w Obłoku Oorta. Nigdy wcześniej się stamtąd nie ruszała. W naszych okolicach pojawia się po raz pierwszy. Pierwszy i być może ostatni. Obliczenia trajektorii komety, które są prowadzone od momentu jej odkrycia, wskazują, że obiekt zbliży się do powierzchni Marsa na bardzo BARDZO małą odległość zaledwie 140 tysięcy kilometrów. Nigdy wcześniej żadna kometa nie zbliżyła się tak bardzo do którejś z planet wewnętrznych Układu Słonecznego. To tak, jak gdyby w pobliżu Ziemi przeleciał obiekt w odległości 1/3 odległości Ziemia – Księżyc!

PIA17833-CometSidingSpring-C2013A1-MarsEncounter-20140128

Okazji tak bliskiego przejścia nie można zmarnować, stąd niektóre sondy i łaziki pracujące na powierzchni albo na orbicie Marsa już są przygotowywane do wstrzymania swoich zwykłych zajęć i „zajęcia” się przelatującą kometą. I tak łazik Curiosity ma robić zdjęcia komecie z powierzchni Marsa, orbitalna sonda MAVEN zbada gazy pochodzące z jądra komety i jej warkocza oraz ich wpływ na górne warstwy marsjańskiej atmosfery. Mars Odyssey Orbiter zmierzy właściwości termiczne jądra, komy i warkocza.

Badanie komety może być (dla sond i łazików) niebezpieczne. W warkoczu komety lecą bowiem mniejsze odłamki, które mogą uszkodzić znajdujące się w ich polu rażenia urządzenia. Dlatego właśnie – o ile było to możliwe – orbity tych sond, które nie biorą udziału w badaniu komety, przeprogramowano tak, by w chwili największego zbliżenia komety z Marsem, były po drugiej stronie planety. Tak zmieniono orbitę np. sondy Mars Reconnaissance Orbiter.

Kometa, której wielkość ocenia się na od kilku do kilkudziesięciu kilometrów, w pobliżu Marsa przeleci z prędkością ponad 200 tys km/h. Czy grawitacja Marsa wystarczy by tak szybko poruszający się obiekt ściągnąć na swoją powierzchnię? To okaże się dopiero w niedzielę wieczorem. Gdyby jednak kometa uderzyła w powierzchnię Czerwonej Planety, biorąc pod uwagę jej masę, wielkość i energię, wybiłaby krater o średnicy ok. 800 km (odległość większa niż z Gdańska do Zakopanego) i głębokości 10 kilometrów (prawie tak głęboko jak największa głębia na Ziemi czyli Rów Mariański na Pacyfiku). W skrócie mówiąc, już w niedzielę, może powstać jeden z największych znanych nam kraterów w Układzie Słonecznym! O tym jakie byłyby skutki uderzenia takiej komety w Ziemię, nawet trudno mówić.

W momencie w którym kometa ewentualnie zderzy się z Marsem, planeta będzie z terenu Polski już niewidoczna. Zdąży zajść za horyzont. Krótko po zachodzie Słońca – o ile pogoda pozwoli – Marsa będzie można oglądać spoglądając w kierunku południowo – zachodnim. Może lepiej zerknąć, kolejnej nocy Mars, może już być inną planetą 🙂

Jedna z całkiem prawdopodobnych teorii mówi, że to komety z granic Układu Słonecznego przyniosły m.in. na Ziemię wodę. Być może wraz z wodą, przyniosły także zalążki życia.

Zobacz mój filmik na temat wody, komet i życia:

Brak komentarzy do Uderzy czy nie?

Jesteśmy dziećmi gwiazd

My i całe nasze otoczenie, jesteśmy zbudowani z atomów różnych pierwiastków. Te pierwiastki – w przeważającej części – powstały we wnętrzu gwiazdy, która w naszej okolicy wszechświata kiedyś świeciła. Innymi słowy, jesteśmy zbudowani z popiołów gwiazd.

Najlżejsze atomy powstały zaraz po Wielkim Wybuchu. Te cięższe, powstają cały czas we wnętrzach świecących gwiazd. Atomy najcięższe powstają w czasie śmierci dużych słońc.

Na początku był…

Wielki Wybuch. To początek wszystkiego co fizyczne. Materii, czasu i przestrzeni. Nie ma sensu rozważać gdzie miał miejsce. Zdarzył się wszędzie równocześnie. Wtedy cała przestrzeń skupiona była w jednym punkcie, nie było nic na zewnątrz, nie było nic poza. Od tego momentu zaczął się także liczyć czas. Nie ma sensu rozważanie co było przed Wielkim Wybuchem, bo nie istniało … przed. Już kilkadziesiąt sekund po Wielkim Wybuchu z kwarków powstały protony i neutrony. Po kolejnych kilku minutach te cząstki wraz z elektronami (które nie składają się z kwarków) powstał wodór, jego cięższa odmiana – deuter oraz hel, lit i beryl. Z tej grupy najcięższy jest beryl. Składa się z 4 protonów i 5 neutronów w jądrze i 4 elektronów krążących wokoło. Powstawanie najlżejszych atomów trwało nie więcej niż kilkanaście minut. W bardzo szybko rozszerzającym się wszechświecie cięższe niż beryl pierwiastki nie miały szans powstać, bo energia za bardzo zdążyła się już rozproszyć.

Przez kolejnych kilkaset milionów lat, cała materia we wszechświecie była zbudowana z zaledwie kilku pierwiastków. Gdyby tak pozostało do dzisiaj, układ okresowy pierwiastków miałby zaledwie kilka pozycji.

I wtedy pojawiły się gwiazdy

Choć na początku swojego istnienia wszechświat był jednorodny, po jakimś czasie zaczęły w nim powstawać lokalne zagęszczenia. Te grawitacyjnie przyciągały swoje otoczenie. W środku tak zagęszczającej się materii rosło ciśnienie i temperatura. Im więcej materii się ze sobą zlepiało, tym większe ciśnienie (a więc i temperatura). Temperatura rosła aż do chwili gdy przyszła gwiazda „zapalała się”. Co to oznacza ? Gwiazdy czerpią energię z reakcji w której małe atomy łączą się w większe. Żeby jednak ta reakcja zastartowała, potrzeba bardzo wysokiej temperatury. Gdy ta została osiągnięta, gwiazda zaczynała świecić. Lekkie atomy łączyły się w cięższe, co dawało ogromną ilość energii. Ta energia daje gwiazdom życie, to dzięki niej gwiazdy świecą.

I tak, czasami przez miliardy lat lekkie atomy łączą się w gwiazdach w cięższe, te cięższe w jeszcze cięższe i jeszcze cięższe. Z wodorów powstaje hel, potem węgiel. Później tworzy się tlen, krzem, neon czy magnez. Każdy cięższy pierwiastek powstaje z połączenia się (fuzji albo inaczej syntezy) tych lżejszych. Ale we wnętrzu gwiazd nie powstają wszystkie znane z układu okresowego pierwiastki. Czym większy atom, tym więcej energii potrzeba do jego stworzenia. Ostatnim jaki może powstać we wnętrzu gwiazdy jest żelazo. Ma 26 protonów i 30 neutronów w jądrze, oraz 26 elektronów krążących wokoło. Gwiezdny piec jest za mały, by wytworzyć cokolwiek cięższego. Jak zatem powstają te naprawdę wielkie pierwiastki ?

Potrzebna jest śmierć

Duża gwiazda kończy swój żywot jako kula żelaza (żelaza, bo to ono jest najcięższym pierwiastkiem jaki może powstać w gwieździe). Ale to nie koniec życia gwiazdy. Przed nami najlepsze! Następuje największy bodaj kataklizm z jaki można sobie wyobrazić. Gwiazda wybucha jako supernowa. To dzieje się w zaledwie kilka sekund. Eksplozja jest tak duża, że zewnętrzne warstwy gwiazdy wyrzucane są w przestrzeń z prędkością rzędu dziesiątków tysięcy kilometrów na sekundę. To chwila, w której gwiazda może świecić jaśniej niż cała galaktyka w której się znajduje. Z zapisków w starych kronikach wynika, że w 1054 roku na dziennym niebie, oprócz Słońca, widoczny był efekt wybuchu jednej z supernowych. Przez 23 doby ludzie widzieli dwa „słońca”! Ten efekt równocześnie obserwowali chińscy astronomowie, arabscy mędrcy i Indianie Nimbres mieszkający na terenie obecnego Meksyku. Dzisiaj po tej supernowej został rozszerzający się obłok rozżarzonego gazu tworzący Mgławicę Kraba.

Crab_NebulaW czasie samego wybuchu energia eksplozji jest tak wielka, że dochodzi do produkcji najcięższych z występujących we wszechświecie pierwiastków. Także w tym przypadku powstają one z połączenia elementów lżejszych. To właśnie w czasie tylko niezwykle krótkich chwil powstaje np. ciężki, bo składający się aż 238 neutronów i protonów uran. Ale także ołów czy złoto. To ostatnie, choć wydobywane jest na Ziemi, powstało w czasie wybuchu gwiazdy, której teraz już nie ma. Te najcięższe pierwiastki w wyniku eksplozji zostają rozrzucone wokół eksplodującej gwiazdy. Wokół w kosmicznej skali. Wspomniana Mgławica Kraba ma średnicę około 11 lat świetlnych ( 100 bilionów kilometrów) i co sekundę powiększa się o 1500 kilometrów.

Człowiek, ale także wszystko to co wokoło widzimy zbudowane jest z cegiełek – dosłownie – wypalonych we wnętrzu gwiezdnego pieca. Te cięższe budujące nas elementy nie zaistniałyby gdyby nie dochodziło do gwałtownego i widowiskowego wybuchu gwiazdy supernowej. Jesteśmy – nie tylko w przenośni – dziećmi gwiazd. Korzystamy z tego co one wytworzyły, a gdy nasza dzienna gwiazda Słońce dożyje wieku sędziwego, budujące nas cegiełki na powrót zostaną rozsypane w kosmosie. Może wykorzysta je kto inny?

3 komentarze do Jesteśmy dziećmi gwiazd

Wahadła Foucaulta w Polsce

Wahadła Foucaulta w Polsce

Woda spływając tworzy wir. Nie tylko woda skręca w czasie ruchu. Także prądy powietrza, które tworzą wiry w atmosferze. Podobnie dzieje się np. z krążkiem uderzonym przez hokeistę, albo z kulą wystrzeloną z pistoletu.

To efekt Coriolisa, który występuje w obracających się układach odniesienia. Dobrze widać to na wahadle Foucault. W 1851 roku francuski fizyk i astronom Jean Foucault zaprezentował w Paryskim Obserwatorium Astronomicznym wahadło, które zmieniając płaszczyznę wahania dowodziło wirowania Ziemi wokół własnej osi.

O co chodzi? Gdy na długiej linie zawiesimy spory obciążnik i wahniemy nim, z czasem zauważymy, że zmienia on płaszczyznę wahania. Tak jak gdyby coś ją przesuwało. Najłatwiej to zauważyć rozstawiając wokół wahadła znaczniki, które z czasem będą się jeden po drugim przewracać. Dlaczego ma to świadczyć o ruchu wirowym Ziemi? Jeżeli wahadło jest odpowiednio długie, a jego obciążnik wystarczająco ciężki, wpływ otoczenia na ruchy wahadła są znikome. Z punktu widzenia kogoś, kto stoi na Ziemi, wahadło wyraźnie zmienia płaszczyznę wahania. Ruchu Ziemi nie widać, bo na niej stoimy, jesteśmy względem niej w spoczynku. Z innego punktu widzenia kogoś, kto znajduje się w innym układzie odniesienia sprawa wygląda jednak zupełnie inaczej. Tutaj płaszczyzna wahania jest cały czas taka sama.

Gdyby Ziemia była w spoczynku płaszczyzna wahania nie zmieniałaby się. Skoro płaszczyzna się zmienia, znaczy to, że Ziemia wiruje. Zresztą ruch wirowy nie jest jedynym. Ziemia krąży wokół Słońca z prędkością ponad 100 000 km/h, cały Układ Słoneczny krąży wokół centrum galaktyki z prędkością prawie miliona km/h, a galaktyka w której się znajdujemy porusza się z prędkością ponad 2 mln km/h.

Czytając ten tekst pokonałaś / pokonałeś kilkadziesiąt tysięcy kilometrów… siedząc cały czas w tym samym miejscu 🙂

 

Najdłuższe wahadło Foucaulta w Polsce znajduje się w krakowskim Kościele św. św. Piotra i Pawła. Demonstracje odbywają się w każdy czwartek.

Miejsce Miasto Długość (m) Masa (kg)
Kościół św. Piotra i Pawła Kraków 46,5 25
Centrum Nowoczesności Młyn Wiedzy Toruń 33,5 35
Wieża Radziejowskiego – dawna dzwonnica Frombork 28,5 46
Wieża Dzwonów na Zamku Książąt Pomorskich Szczecin 28,5 76
Wydział Matematyczno-Przyrodniczy Uniwersytetu Jana Kochanowskiego Kielce 27
Dziedziniec Politechniki Gdańskiej Gdańsk 26 64
Centrum Nauki Kopernik Warszawa 16 242
Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika Toruń 16 29
Wydział Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza Poznań 10 52
Planetarium Śląskie Chorzów

źródło: Wikipedia

 

 

 

 

 

3 komentarze do Wahadła Foucaulta w Polsce

Ta opowieść dotyczy wszechświata…

Ta opowieść dotyczy wszechświata. Ta książka dotyczy wszechświata. Opisuję w niej to, co jest większe od człowieka. Począwszy od całego kosmosu, przez galaktyki, gwiazdy i planety, a na biologicznym życiu kończąc. Książka pt. KOSMOS, którą chcę Państwu przedstawić jest pełna moich fascynacji.

Ta opowieść dotyczy wszechświata. Ta książka dotyczy wszechświata. Opisuję w niej to, co jest większe od człowieka. Począwszy od całego kosmosu, przez galaktyki, gwiazdy i planety, a na biologicznym życiu kończąc.

wszechswiat_1

Książka KOSMOS, to pierwsza część trylogii. Drugą części, którą mam nadzieję zakończyć za kilka miesięcy, poświęcę człowiekowi, a w trzeciej, opiszę świat rzeczy małych. Bardzo małych, takich jak cząsteczki chemiczne, atomy i cząstki elementarne.

galaktyki_2

Te trzy książki będą dotyczyły wszechświata. Ale absolutnie nie będą jego kompletnym obrazem. Najwyżej wycinkiem tego co wiemy. A to co wiemy, jest wycinkiem tego co jest. Jak to wszystko pojąć? Jak to wszystko zrozumieć? Jak to sobie wyobrazić? Nie wiem czy to w ogóle możliwe. Otaczają nas rzeczy duże i małe. Niektóre są tak małe, że z trudem budujemy urządzenia, które umożliwiają nam ich podglądanie. Niektóre z tych urządzeń bardziej przypominają stację kosmiczną, niż mikroskop.

gwiazdy_3
Z kolei rzeczy duże, są tak duże, że stojąc na powierzchni Ziemi nie jesteśmy w stanie objąć ich ani wzrokiem, ani nawet wyobraźnią. A jednak istnieją. I co do tego nie ma wątpliwości. Zarówno światem w skali mikro, nano czy atto, jak i tym w skali mega, giga i tera rządzą te same zasady, działają tam dokładnie te same prawa fizyki. I te same siły. Te same, ale nie tak samo. I to kolejna fascynacja.

planety_4

Ta książka pełna jest moich fascynacji. Pełna intrygujących i zaskakujących opisów. Dla kogo przeznaczonych? Nie, nie tylko dla fizyków czy matematyków. Ale na pewno dla ludzi ciekawych świata. Niezależnie od wieku i wykształcenia. Dla tych którzy szczególnie interesują się tematem, dla tych, których udało mi się nim zainteresować, stworzyłem dodatkowe opisy na marginesach. Mniejszym drukiem podaję jeszcze więcej szczegółów i analogii. Dialogi, których w książce jest kilkadziesiąt to chyba najbardziej intuicyjny sposób na przekazywanie informacji. No i ramki. Tam zawarłem podsumowania, doświadczenia i dygresje. Najwięcej chyba czasu zajęło jednak dobranie interesujących zdjęć. Jeden obraz mówi więcej niż 1000 słów. Co ja mówię, niż 10 000 słów.

Ziemia_5

Rzeczy małe i duże powstały nie z przypadku, tylko z jakiegoś planu, jakiegoś projektu. Bez którejkolwiek z nich, konstrukcja całego wszechświata zawaliłaby się. Są jak zębatki zegara, który kiedyś został nakręcony i tyka do dzisiaj. Ten doskonale naoliwiony mechanizm jest dla nas wielką tajemnicą. Rozumiemy go w zaledwie małym wycinku. Czy kiedykolwiek poznamy w całości? Nie wiem, ale jestem pewien, że nigdy nie ustaniemy w próbach by to zrobić. A paliwem, które nas do tego napędza jest ciekawość. Coś, co powinniśmy pielęgnować u siebie ale przede wszystkim u dzieci. Bez ciekawości, zamienimy się w bezduszne istoty, którym bliżej będzie do robotów niż do ludzi.

Życie_6

>>> Zapraszam do lektury książki KOSMOS, wydanej przez wydawnictwo W.A.B. Książka jest do kupienia w księgarniach na terenie całego kraju. Można ją też kupić w wielu księgarniach internetowych. Na stronie www.NaukaToLubie.pl na bieżąco są zamieszczane informacje o terminach i miejscach spotkań autorskich.

Tomasz Rożek

 

6 komentarzy do Ta opowieść dotyczy wszechświata…

Woda jest wszędzie

Po raz kolejny potwierdzono, że wody we wszechświecie jest bardzo dużo. Właśnie odkryto największy z dotychczas znanych jej zbiorników.

Po raz kolejny potwierdzono, że wody we wszechświecie jest bardzo dużo. Właśnie odkryto największy z dotychczas znanych jej zbiorników.

Odkrycie dotyczy ogromnego obłoku pary wodnej, jaki naukowcy z California Institute of Technology, USA odkryli wokół oddalonego od Ziemi o 12 miliardów lat świetlnych kwazaru. Kwazar to rodzaj galaktyki, która otacza obszar czarnej dziury.
Dokładne obliczenia wskazują, że gdyby całą tą parę wodną skroplić, byłoby jej 140 bilionów (tysięcy miliardów) razy więcej niż wody we wszystkich ziemskich oceanach. Masa odkrytego wśród gwiazd „zbiornika wody” wynosi 100 tysięcy razy więcej niż masa Słońca. – To kolejny dowód, że woda jest wszechobecna we wszechświecie – powiedział Matt Bradfort, naukowiec z NASA

lunasyssolar_europa01_02Popękany lód na powierzchni Europy – jednego z księżyców Jowisza.

Do wyboru: lód, woda i para

Naukowców nie dziwi sam fakt znalezienia wody, ale jej ilość. Cząsteczka wody (dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu) jest stosunkowo prosta i występuje we Wszechświecie powszechnie. Bardzo często łączy się ją z obecnością życia. To spore uproszczenie. Faktem jest, że życie jakie znamy jest uzależnione od obecności wody. Ale sam fakt istnienia gdzieś wody nie oznacza istnienia tam życia. Po to by życie zakwitło, musi być spełnionych wiele różnych warunków.

Woda, którą znajdują badacze dalekiego kosmosu jest w stanie gazowym, a woda niezbędna do życia musi być w stanie ciekłym. Nawet jednak ciekła woda to nie gwarancja sukcesu (w poszukiwaniu życia), a jedynie wskazówka. Takich miejsc którym badacze się przyglądają, jest dzisiaj w Układzie Słonecznym przynajmniej kilka. Woda w Układzie Słonecznym może występować – tak jak na Ziemi – w trzech postaciach. Gazowej, ciekłej i stałej. I właściwie we wszystkich trzech, wszędzie jej pełno. Cząsteczki pary wodnej badacze odnajdują w atmosferach przynajmniej trzech planet Układu Słonecznego. Także w przestrzeni międzygwiezdnej.

Woda w stanie ciekłym występuje na pewno na Ziemi. Czasami na Marsie, najprawdopodobniej na księżycach Jowisza, ale także – jak wykazały ostatnie badania – na księżycach Saturna. A na jednym z nich – Enceladusie – z całą pewnością. Gdy kilka lat temu amerykańska sonda kosmiczna Cassini – Huygens przelatywała blisko tego księżyca, zrobiła serię zdjęć, na których było wyraźnie widać buchające na wysokość kilku kilometrów gejzery. Zdjęcia tego zjawiska były tak dokładne, że badacze z NASA zauważyli w buchających w przestrzeń pióropuszach nie tylko strugi wody, ale także kłęby pary i… kawałki lodu. Skąd lód ? Wydaje się, że powierzchnia Enceladusa, tak samo zresztą jak jowiszowego księżyca Europy, pokryta jest bardzo grubą (czasami na kilka kilometrów) warstwą lodu. Tam nie ma lądów czy wysp. Tam jest tylko zamarznięty ocean. Cały glob pokryty jest wodą.

Nie tylko u nas

Skoro cała powierzchnia księżyców Jowisza i Saturna pokryta jest bardzo grubym lodem, skąd energia gejzerów ? Skąd płynna woda pod lodem ? Niektóre globy żyją, są aktywne. Ich wnętrze jest potężnym reaktorem, potężnym źródłem ciepła. Tak właśnie jest w przypadku zarówno Europy, jak i Enceladusa. Swoją drogą ciekawe co musi się dziać pod kilkukilometrowym lodem, skoro woda, która wydrążyła sobie w nim lukę, wystrzeliwuje na wiele kilometrów w przestrzeń ?

Może nie morza, jeziora czy chociażby bajora, ale lekka rosa. Wodę znajduje się także na powierzchni naszego Księżyca. Zaskakujące odkrycie to działo indyjskiej sondy Chandrayaan-1, potwierdzone przez dwie amerykańskie misje (Deep Impact i Cassini). Płynnej wody być na Księżycu nie może, bo brak tam atmosfery.
Niejedna praca naukowa powstała tez na temat wody na Czerwonej Planecie. Wiadomo że jest na marsjańskich biegunach. Nie brakuje jednak danych, że woda, nawet w stanie ciekłym, pojawia się czasowo w różnych innych miejscach planety. Zdjęcia zrobione przez sondę Mars Global Surveyer ukazały na ścianach jednego z kraterów na południowej półkuli Marsa dwie podłużne rysy powstałe w ciągu siedmiu lat, prawdopodobnie w wyniku „erozyjnej działalności cieków wodnych”.

Z badań amerykańskiej sondy Messenger, która od 2004 roku bada Merkurego wynika, że woda jest także w atmosferze pierwszej od Słońca, gorącej planety. Co z innymi planetami z poza Układu Słonecznego ? Na nich też pewnie jest mnóstwo wody. Tylko jeszcze o tym nie wiemy.
Czasopisma naukowe coraz częściej informują też o obecności wody na planetach, które znajdują się poza Układem Słonecznym. Pierwszą egzoplanetą na jakiej znaleziono wodę (w roku 2008) była HD 189733b, która znajduje się 63 lata świetlne od nas. Ta planeta to tzw. gazowy gigant. Ogromna kula gorących i gęstych gazów z płynnym wnętrzem. Gdzie tutaj miałaby znajdować się woda ? Wszędzie – twierdzą badacze. Dzięki aparaturze wybudowanej w California Institute of Technology, USA udało się odkryć, że mająca prawie 1000 st. C atmosfera zawiera duże ilości pary wodnej.

Tomasz Rożek

 

A skąd woda wzięła się na Ziemi? Odpowiedź może się wydawać zaskakująca. Najpewniej przyleciała do nas z kometami.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

2 komentarze do Woda jest wszędzie

Ile waży elektron?


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


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?

3 komentarze do Ile waży elektron?


Type on the field below and hit Enter/Return to search