ראשי > כללי > לא-בדיוק-אלקטרונים וחיות אחרות – על קווזי-חלקיקים

לא-בדיוק-אלקטרונים וחיות אחרות – על קווזי-חלקיקים

כניסה – האלקטרון כשמועה

הרעיון של אלקטרון כחלקיק נושא מטען חשמלי לא נולד ביום אחד מין התוהו. הוא התגלגל לו והתהווה במשך זמן רב.

ב-1870 בנה ויליאם קרוקס (Crookes) שפופרת קרן קתודית (כמו תותח האלקטרונים בטלוויזיות הישנות, ראו תמונה 1) והראה שבפנים נוצרת קרן שנעה בין הקתודה לאנודה. כמו כן, הקרן נושאת אנרגיה ואפשר להטות את כיוונה על ידי שדה מגנטי. ב-1896 ביצע ג'.ג' תומסון (Thomson) ניסויים שהראו שאותן קרניים מורכבות מחלקיקים, והצליח לחשב במדויק את היחס בין המטען החשמלי למסה שלהם ולהראות שהוא אוניברסלי ואינו תלוי במערכת. בשנת 1900 הראה הנרי בקרל (Becquerel) שאפשר להטות את מסלולה של קרינה רדיואקטיבית מסוג בטא על ידי שדה חשמלי והיחס מטען למסה זהה לזה שנמדד בשפופרת קרן קתודית. ב-1909 מדד רוברט מיליקן (Millikan) באופן מדויק את מטען האלקטרון.

717px-Crt14

תמונה 1: שפופרת קרן קתודית מאחורי מסך טלוויזיה ישנה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש: Blue tooth7.

אבל מהו בעצם אלקטרון? כל אחד מאיתנו יידע לזהות כיסא אם יראה אחד, גם אם יתקשה לנסח הגדרה מדויקת. את האלקטרון לא ניתן אפילו לראות באופן ישיר. נוח לנו לחשוב עליו ככדור של חומר עם מטען חשמלי (ועוד תכונות) שחג לו מסביב לאטום. אך אבוי, הפיזיקה הקוונטית ניפצה את התמונה הזאת עם פונקציות גל וענני הסתברות. ובכל זאת, האלקטרון בניגוד לפרוטון למשל הוא עדיין חלקיק יסודי, כלומר לא ידוע שהוא מורכב מחלקיקים אחרים.

הגישה שלי היא שאלקטרון הוא קונספט שעוזר להסביר בצורה פנטסטית תוצאות ניסויים ולחזות תוצאות עתידיות. השאלה מהו 'בדיוק' או מהו 'באמת' היא על הגבול שבין מדע לפילוסופיה. זאת היא גישה פרגמטית (ומעט מתחמקת) לנושא ואכן ניתן להגדיר אותי כפרגמטיסט.

ואם הגישה הזאת גורמת לכם לחריקת שיניים, חכו חכו…

צרת רבים וגם חצי נחמה

כל פיסת חומר מורכבת ממספר עצום של אטומים. למשל מטבע של חצי שקל מורכב מכ-1023 אטומים של נחושת (סדר גודל, אל תהיו קטנוניים), מספר בלתי ניתפס של חלקיקים. כל אלקטרון בפיסת חומר 'מרגיש' כוחות אלקטרוסטטיים ממספר עצום של אטומים ובפיסה יש די הרבה אלקטרונים. בהתחשב בעובדה שבעיה מכאנית של שלושה גופים בלבד המפעילים כוח אחד על השני כבר אינה פתירה ללא מחשב, ברור שיש לנו בעיה.

Half_NIS_SE_HANUKKA
תמונה 2: חצי שקל עם חנוכיה. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

במשך השנים פותחו מספר אסטרטגיות איך להתמודד עם בעיות פיזיקליות המכילות מספר רב של גופים, ובמקרה של גבישים נוכל להיעזר גם בעובדה שהאטומים מסודרים בצורה מחזורית. מסתבר שבמקרים אלה ניתן בעזרת כמה פעולות פיזיקליות-מתמטיות להטמיע את כל הכוחות שמפעיל המבנה הגבישי על האלקטרון הנע לתוך איבר המסה. בצורה זאת נוכל להתייחס לאלקטרון כאילו הוא חופשי בואקום אך עם מסה שונה התלויה במבנה הגבישי (מסה אפקטיבית). רק שימו לב שהתופעה שמתוארת כאן היא כבר לא בדיוק אלקטרון אלא סך כל הכוחות בגביש מחזורי הפועלים על אלקטרון בתנועה. האם זה בכלל חלקיק?

אבל חכו, יש עוד.

חור-אלקטרון-חור

בגבישים מוליכים-למחצה ישנם אלקטרונים קשורים לאטום שאינם תורמים להולכה חשמלית ואלקטרונים עם אנרגיה גבוהה יותר שיכולים להשתתף בהולכה. בין שתי הקבוצות המאופיינות על ידי ערכים אפשריים שונים של אנרגיה מפריד תחום אנרגיות אסורות. אם אלקטרון קשור מקבל מספיק אנרגיה הוא יוכל לדלג מעל המחסום ולעבור לתחום אנרגיות ההולכה. כתוצאה ייווצר חוסר של אלקטרון בקשרים הקוולנטיים המחזיקים את הגביש. את המקום הפנוי יכול לתפוס אלקטרון קשור אחר מבלי הצורך לדלג מעל מחסום האנרגיה. כך המקום הפנוי יכול לנוע ממקום למקום, קצת בדומה לפאזל הזזה, ולאפשר באופן אפקטיבי הולכה חשמלית.

400px-15-puzzle

איור 3: פאזל הזזה פתור. המקור לאיור: ויקיפדיה.

המקום הפנוי מכונה 'חור' וניתן לאפיין אותו כחלקיק בעל מטען חיובי (הפוך מאלקטרון) ובעל מסה אפקטיבית כלשהי בהתאם למבנה הגבישי. מכיוון שכל אלקטרון שעובר להולכה מותיר אחריו חור, ההולכה החשמלית בגבישים מוליכים-למחצה נוצרת בו-זמנית על ידי תנועה של אלקטרונים וחורים. רק אולי כדאי להזכיר שאותו חור הוא לא באמת חלקיק אלא ישות שמתארת מצב של האלקטרונים הקשורים בגביש. ובאותה הזדמנות נזכיר שאותו אלקטרון בגביש בעצמו אינו חלקיק במלוא מובן המילה.

טוב, אחד אחרון.

כאשר אלקטרון קשור מקבל מספיק אנרגיה חיצונית, נניח מבליעת פוטון (חלקיק אור), הוא עובר להולכה ומשאיר אחריו חור. לאלקטרון ולחור יש מטענים הפוכים ולכן נמשכים אחד לשני על ידי כוח קולון. למצב הקשור של אלקטרון וחור יש אנרגיה נמוכה יותר משיש לשניהם בנפרד ולכן יכול להתקיים עד לכמה אלפיות השנייה. מצב זה מכונה אקסיטון והוא דרך לתאר עירור של החומר שיכול להעביר אנרגיה ללא העברת מטען, אך נוח לטפל בו כחלקיק לכל דבר בעזרת אותה מערכת חוקים מתמטית.

יציאה – קווזי-חלקיקים

האלקטרון בגביש, החור והאקסיטון שפגשנו הם חלק ממה שמכונה בעגה קווזי-חלקיקים. מדובר בתופעות מורכבות בגבישים שאותן נוח לתאר על ידי ישויות או חלקיקים עם פיזיקה ידועה. אך יש לזכור שלקווזי-חלקיקים אין קיום מחוץ למדיום אותם הם מתארים. אין 'חורים' או אקסיטונים מחוץ לגביש מכיוון שאלה למעשה התנהגויות פנימיות של מערכת הגביש. חישבו על בועת אוויר במים, שלה יש זכות קיום כישות אך ורק בתוך המים. מחוץ למים זה רק אוויר ואוויר.

להבדיל, אלקטרון בואקום אינו קווזי-חלקיק, אלא חלקיק אמיתי. אבל מהו בעצם אלקטרון?

מודעות פרסומת

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: