Din ce constă un electron? Masa și încărcarea unui electron

Electronul este o particulă fundamentală, una dintre cele care sunt unități structurale ale materiei. Conform clasificării este un fermion (particulă cu jumătate de rotire integrală, numit după fizicianul Enrico Fermi) și leptoni (particule cu rotire pe jumătate întreg, nu participă la interacțiunea puternică, una dintre cele patru majore în fizică). barionic număr de electroni

Până de curând, se credea că electronul - un elementar, care este indivizibil, care nu are nici o structură a unei particule, dar oamenii de știință au o opinie diferită astăzi. Din ce constau electronii din fizicienii moderni?

Istoria titlurilor

Chiar și în Grecia veche, naturaliștii au observat că chihlimbarul, în prealabil frecat de păr, atrage mici obiecte în sine, adică prezintă proprietăți electromagnetice. Numele electronului primit de la greacă ἤlambda-epsilon-kappa-tau-Rho-Omicron-nu-, ceea ce înseamnă "chihlimbar". Termenul a fost propus de J. Stone în 1894, deși particula însăși a fost descoperită de J. Thompson în 1897. Detectați-vă că a fost dificil, motivul pentru care este o masă mică, iar sarcina electronului a fost în experiența de a găsi decizia decisivă. Primele imagini ale particulei au fost obținute de Charles Wilson folosind o cameră specială, folosită chiar și în experimentele moderne și numită în onoarea sa.

Un fapt interesant este că una dintre premisele pentru descoperirea unui electron este expresia lui Benjamin Franklin. În 1749, el a dezvoltat o ipoteză că electricitatea este o substanță materială. În lucrările sale s-au folosit mai întâi termeni precum taxe pozitive și negative, un condensator, o descărcare, o baterie și o particulă de energie electrică. Încărcarea specifică a unui electron este considerată negativă, iar protonul este considerat pozitiv.

Descoperirea electronului

În 1846, conceptul de "atom de energie electrică" a fost folosit în lucrările sale de către fizicianul german Wilhelm Weber. Michael Faraday a descoperit termenul "ion", pe care, probabil, încă îl cunosc de la bancă. Mulți oameni de știință eminenți, precum fizicianul și matematicianul german Julius Plukker, Jean Perrin, fizicianul englez William Crookes, Ernst Rutherford și alții au fost implicați în natura electricității.

Astfel, înainte ca Joseph Thompson să-și încheie cu succes experiența faimoasă și să dovedească existența unei particule mai mici decât un atom, mulți oameni de știință au lucrat în această sferă, iar descoperirea ar fi imposibilă și dacă nu ar face această lucrare colosală.

În 1906, Joseph Thompson a primit Premiul Nobel. Experimentul a fost următorul: prin plăcile metalice paralele care au creat câmpul electric, s-au trecut fasciculele cu catod. Apoi au trebuit să facă același lucru, dar deja printr-un sistem de bobine care a creat un câmp magnetic. Thompson a constatat că, atunci când un câmp electric deviate grinzi, iar același lucru se observă cu acțiunea magnetică, cu toate acestea grinzi traiectoria raze catodice nu schimbă dacă au acționat ambele domenii, în anumite proporții, care depind de viteza particulelor.

După calcule, Thompson a aflat că viteza acestor particule este mult mai mică decât viteza luminii, ceea ce înseamnă că au masă. Din acel moment, fizicienii au început să creadă că particulele deschise ale materiei fac parte din atom, care a fost ulterior confirmată experimente de la Rutherford. El a numit-o "modelul planetar al atomului".

Paradoxele lumii cuantice

Întrebarea despre ce constă din electron este destul de complexă, cel puțin în acest stadiu al dezvoltării științei. Înainte de a se gândi la aceasta, trebuie să ne întoarcem la unul dintre paradoxurile fizicii cuantice, pe care chiar și oamenii de știință nu le pot explica. Acesta este un experiment celebru cu două sloturi, explicând natura duală a electronului.

Esența sa constă în faptul că, înainte de aruncarea particulelor de arme, este instalat un cadru cu o gaură dreptunghiulară verticală. În spatele ei există un perete pe care vor fi observate urme de lovituri. Deci, mai întâi trebuie să înțelegem cum se comportă materia. Cel mai simplu mod de a vă imagina cum sunt lansate bilele de tenis de către mașină. Unele dintre bile intră în gaură, iar urmele de lovituri de pe perete se adaugă unei benzi verticale. Dacă la o anumită distanță se adaugă un altul din aceeași gaură, piesele vor forma, respectiv, două benzi.

Valurile din această situație se comportă diferit. Dacă există semne de coliziune cu un val pe perete, atunci în cazul unei găuri, banda va fi de asemenea una. Cu toate acestea, totul se schimbă în cazul a două fante. Valul, care trece prin găuri, este împărțit în jumătate. Dacă partea superioară a unuia dintre valuri întâlnește partea inferioară a celuilalt, ele se sting reciproc, iar pe perete apare un model de interferență (mai multe benzi verticale). Locurile de la intersecția valurilor vor lăsa urme, și nu există locuri în care să existe stingere reciprocă.

Uimitor descoperire

Cu ajutorul experimentului descris mai sus, oamenii de știință pot demonstra lumii diferența dintre fizica clasică și cea clasică. Când au început să bombardeze pereții cu electroni, au arătat o urmă verticală normală: unele particule, la fel ca bilele de tenis, au căzut în gol, iar altele nu. Dar totul sa schimbat când a apărut a doua gaură. Un model de interferență a apărut pe perete! La început, fizicienii au decis că electronii interferează unul cu celălalt și au decis să-i lase unul câte unul. Cu toate acestea, după câteva ore (viteza de deplasare a electronilor este încă mult mai mică decât viteza luminii), a apărut din nou un model de interferență.

Trecere neașteptată

Electronul împreună cu alte particule, cum ar fi fotonii, manifestă dualismul valului corpuscular (se folosește și termenul "dualismul cuantic"). ca pisica Schrodinger, cine În același timp, este viu și mort, starea unui electron poate fi atât corpuscular cât și val.

Cu toate acestea, următorul pas în acest experiment a generat și mai multe mistere: o particulă fundamentală, pe care toată lumea părea să o cunoască, a dat o surpriză incredibilă. Fizicienii au decis să instaleze la deschizături un dispozitiv de observare pentru a stabili, prin care trece particulele și cum se manifestă ca un val. Dar, de îndată ce mecanismul de observare a fost plasat, doar două benzi au apărut pe perete, corespunzând la două găuri, și nu model de interferență! De îndată ce "umbra" a fost înlăturată, particula a început din nou să prezinte proprietăți de undă, de parcă ar fi știut că nimeni nu se uita după ea.

O altă teorie

Fizicianul Bourne a sugerat că particula nu devine un val în sensul literal al cuvântului. Electronul "conține" un val de probabilitate în sine, dă un model de interferență. Aceste particule au proprietatea superpoziției, adică pot fi în orice loc cu o anumită probabilitate, astfel încât să poată fi însoțite de un "val" similar.

Cu toate acestea, rezultatul este evident: chiar prezența unui observator afectează rezultatul experimentului. Pare incredibil, dar acesta nu este singurul exemplu de acest gen. Fizicienii au efectuat, de asemenea, experimente pe părți mai mari de materie, odată ce obiectul era o secțiune subțire de folie de aluminiu. Oamenii de știință au remarcat faptul că faptul că anumite măsurători au influențat numai temperatura obiectului. Natura acestor fenomene, ei încă nu pot explica.

structură

Dar de ce constă un electron? În prezent, știința modernă nu poate da un răspuns la această întrebare. Până de curând, a fost considerată o particulă indivizibilă fundamentală, acum oamenii de știință sunt înclinați la faptul că ea constă din structuri chiar mai mici.

Încărcarea specifică a electronului a fost, de asemenea, considerată elementară, dar acum sunt deschise cuarcile având o încărcătură fracționată. Există mai multe teorii cu privire la ceea ce constă din electroni.

Astăzi puteți vedea articolele în care se afirmă că oamenii de știință au reușit să separe electronul. Cu toate acestea, acest lucru este doar parțial adevărat.

Noi experimente

Oamenii de știință sovietic deja din anii optzeci ai secolului trecut sugerează că un electron ar putea fi împărțit în trei quasiparticule. În 1996, a fost posibil să se împartă în spinon și holon, iar recent fizicianul Van den Brink și echipa lui aveau o particulă împărțită într-un spinon și un orbiton. Cu toate acestea, divizarea poate fi realizată numai în condiții speciale. Experimentul poate fi efectuat la temperaturi extrem de scăzute.

Când electronii "se răcesc" până la zero absolută, iar acest lucru este de aproximativ -275 grade Celsius, practic se opresc și formează un fel de materie între ei, cum ar fi îmbinarea într-o singură particulă. În aceste condiții, fizicienii reușesc să observe cvasi-particule, din care electronul "constă".

Purtători de informații

Raza electronului este foarte mică, este de 2.81794^.10^-13cm, dar se pare că componentele sale sunt mult mai mici. Fiecare dintre cele trei părți, care au fost capabile să "împartă" electronul, transporta informații despre el. Orbiton, după cum sugerează și numele, conține date despre valul orbital al unei particule. Spinonul este responsabil pentru rotirea electronului, iar holonul ne spune despre acuzație. Astfel, fizicienii pot observa separat diferitele stări ale electronilor într-o substanță puternic răcită. Ei au reușit să urmărească perechi de "holon-spinon" și "spinon-orbiton", dar nu toate cele trei împreună.

Noile tehnologii

Fizicienii care au descoperit electronul au trebuit să aștepte câțiva zeci de ani până când descoperirea lor a fost aplicată în practică. În zilele noastre tehnologia este folosită în câțiva ani, amintiți-vă doar grafenul - un material uimitor, format din atomi de carbon într-un singur strat. Ce va fi util pentru divizarea unui electron? Oamenii de știință prezic creația cuantic calculator, a căror viteză, în opinia lor, este de câteva zeci de ori mai mare decât cea a celor mai puternice computere moderne.

Care este secretul tehnologiei cuantice a computerului? Aceasta poate fi numită optimizare simplă. În computerul familiar, partea minimă, indivizibilă a informațiilor este un pic. Și dacă ne gândim la date ca ceva vizual, atunci există doar două opțiuni pentru mașină. Un bit poate conține fie zero, fie una, adică părți ale codului binar.

Metodă nouă

Acum, să ne imaginăm că bitul conține zero, iar unitatea este un "cuantic cuantic" sau "cuebit". Rolul variabilelor simple va fi jucat de spinul electronilor (se poate roti în sensul acelor de ceasornic sau în sens antiorar). Spre deosebire de un bit simplu, cuebit poate efectua mai multe funcții simultan, datorită acestui fapt, și va exista o creștere a vitezei de operare, masa mică și încărcarea unui electron nu sunt importante aici.

Puteți explica acest lucru cu exemplul unui labirint. Pentru a ieși din ea, trebuie să încercați o mulțime de opțiuni diferite, dintre care numai unul va fi corect. Un calculator tradițional poate rezolva rapid problemele, dar, în orice moment, poate lucra numai pe o singură problemă. El va merge unul câte unul pe toate variantele căilor și, în cele din urmă, va afla. Un calculator cuantic, datorită dualității cubului, poate rezolva simultan multe probleme. El va revizui toate opțiunile posibile nu pe rând, ci într-un singur moment și va rezolva problema. Dificultatea de până acum este doar de a face o mulțime de quanta de lucru pe o singură sarcină - aceasta va fi baza unui computer de nouă generație.

cerere

Majoritatea oamenilor folosesc un calculator la nivel de gospodărie. Cu aceasta, în timp ce PC-urile convenționale se descurcă bine, dar pentru a prezice evenimente care depind de mii și poate de sute de mii de variabile, mașina ar trebui să fie pur și simplu imensă. Calculator cuantic face față cu ușurință lucruri, cum ar fi de predictie meteo pentru o luna, tratamentul de dezastru și datele sale de predicție, și va efectua, de asemenea calcule matematice complexe, cu mai multe variabile pentru o fracțiune de secundă, toate cu un procesor de câțiva atomi. Deci, poate foarte curând computerele noastre cele mai puternice vor fi groase cu o foaie de hârtie.

Conservarea sănătății

Tehnologia cuantică a computerului va aduce o mare contribuție la medicină. Omenirea va fi capabil de a crea nanomachinery cu un potențial puternic, cu ajutorul lor, va fi posibilă nu numai pentru diagnosticarea bolii prin simpla la întregul corp din interior, dar, de asemenea, pentru a oferi ingrijire medicala, fara o interventie chirurgicala: roboți mici cu „creierul“, altele decât un computer poate efectua toate operațiunile.

Revoluția în sfera jocurilor pe calculator este inevitabilă. mașini puternice, care pot rezolva instantaneu problema, va fi capabil de a juca jocuri cu o grafică incredibil de realiste, nu este departe deja și lumi de calculator cu o imersiune completă.