От какво се състои електронът? Маса и зареждане на електрона

Електронът е фундаментална частица, една от онези, които са структурни единици на материята. Съгласно класификацията е фермион (частици с половин неразделна въртене, на името физика Енрико Ферми) и лептони (частици с половин завъртане число, не участват в силното взаимодействие, един от четирите основни по физика). барионен електронно число

До неотдавна се смята, че електронът е елементарна, т.е. неделима структура без частици, но учените сега имат различно мнение. От какво се състои електронът от съвременните физици?

История на заглавията

Дори и в древна Гърция природолюбители забелязах, че кехлибар, предварително втрива с кожа, привлича малки обекти, т.е. показва електромагнитни свойства. Името на електрона, получена от гръцката ἤlambda-епсилон-капа-тау-р-Ь-NU-, което означава "кехлибар". Терминът е предложен от Дж. Стоун през 1894 г., въпреки че самата частица е открита от Дж. Томпсън през 1897 г. Беше трудно да се разбере каква е причината за това е малка маса и заряда на електрона да се превърне в решаващ при намирането на опит. Първите снимки на частиците е Чарлз Уилсън със специална камера, която се използва дори и в съвременните експерименти и е кръстен в негова чест.

Интересен факт е, че една от предпоставките за откриването на електрон е думата на Бенджамин Франклин. През 1749 г. той развива хипотезата, че електричеството е материално вещество. В работата му бяха използвани за първи път такива термини като положителни и отрицателни заряди, кондензатор, изпускател, батерия и частица електроенергия. Специфичният заряд на електрона се счита за отрицателен и протонът се приема за положителен.

Откриването на електрона

През 1846 г. понятието "атом на електроенергия" се използва в произведенията му от немския физик Вилхелм Вебер. Майкъл Фарадей открива термина "йон", който сега, може би, все още знае от училището. Много известни учени, като немския физик и математикът Юлиус Плуккер, Жан Перин, английския физик Уилям Кроукс, Ернст Ръдърфорд и други са участвали в природата на електроенергията.

По този начин, преди Джоузеф Томпсън успешно известната си експеримент и доказа съществуването на частиците по-малък от един атом, в поле работата на много учени и откритието би било невъзможно, те не са направили това колосално работа.

През 1906 г. Джоузеф Томпсън получава Нобелова награда. Опитът е както следва: чрез успоредни метални плочи на електрически поле, се пропускат катодни греди. Тогава те биха направили по същия начин, но в система за бобина за създаване на магнитно поле. Thompson, че когато електрическо поле отклонява греди, и също се наблюдава с магнитна действие обаче греди електроннолъчева траектория не се промени, ако е действал двете от тези области в определени пропорции, които зависят от скоростта на частиците.

След изчисленията Томпсън научи, че скоростта на тези частици е много по-ниска от скоростта на светлината, което означава, че те имат маса. От този момент физиците започнаха да вярват, че откритите частици на материята са част от атома, което впоследствие е потвърдено експерименти на Ръдърфорд. Той го нарече "планетарен модел на атома".

Парадоксите на квантовия свят

Въпросът за това, от какво се състои електронът, е доста сложен, поне на този етап от развитието на науката. Преди да го разгледаме, човек трябва да се обърне към един от парадоксите на квантовата физика, които дори и самите учени не могат да обяснят. Това е известен експеримент с две слотове, обясняващ двойната природа на електрона.

Неговата същност се крие във факта, че преди "оръжието" изгаряне на частици, рамката с вертикална правоъгълна дупка е инсталирана. Зад нея има стена, върху която ще се наблюдават следи от удари. И така, първо трябва да разберем как се държи материята. Най-лесният начин да си представите как топките за тенис се пускат от машината. Някои от топките падат в дупката, а следите от хитове на стената се добавят към една вертикална лента. Ако на известно разстояние да добавите още една от дупките, песните ще образуват съответно две ленти.

Вълните в тази ситуация се държат по различен начин. Ако има признаци на сблъсък с вълна на стената, тогава в случай на една дупка, лентата също ще бъде една. Все пак всичко се променя в случай на две прорези. Вълната, преминаваща през дупките, е разделена на две. Ако горната част на една от вълните срещне долната част на другата, те се гасят един друг и на стената се появява интерферентен образ (няколко вертикални ленти). Мястото на пресичането на вълните ще остави следи и няма места, където да има взаимно погасяване.

Удивително откритие

С помощта на по-горе експеримент, учените могат да показват ясно на света разликата между квантовата и класическата физика. Когато те започнали да стрелят електрони стена, обикновено се появява във вертикална маркировка върху него: някои частици точно като топка за тенис падна в пропастта, а други не. Но всичко се промени, когато се появи втората дупка. На стената се е появила интерферентна схема! Първоначално физиците решиха, че електроните се намесват помежду си и реши да ги пусне един по един. Въпреки това, след няколко часа (скорост на движещите се електрони все още е много по-ниска от скоростта на светлината) отново започна да показва модел смущения.

Неочакван ход

Електронни, заедно с някои други частици като фотоните, проявява дуалността вълна-частиците (също използва термина "квантова вълна дуализъм"). като котка Шрьодингер, която В същото време тя е жива и мъртва, състоянието на електрона може да бъде както корпускулярна, така и вълнова.

Следващата стъпка в този експеримент обаче поражда още повече загадки: фундаментална частица, която всички сякаш знаеше, даде невероятна изненада. Физиците решиха да инсталират в отворите наблюдателно устройство, което да определи, през кой слой преминават частиците и как те се проявяват като вълна. Но веднага след като беше поставен механизмът за наблюдение, на стената се появиха само две ленти, съответстващи на две дупки, а не интерференция! Веднага след премахването на "сянката", частицата отново започна да показва свойства на вълните, сякаш знаеше, че никой не я наблюдава.

Друга теория

Физикът Борн предполага, че частицата не се превръща в вълна в буквалния смисъл на думата. Електронът "съдържа" самата вълна на вероятностите, тя дава интерференция. Тези частици имат свойството на суперпозиция, т.е. те могат да бъдат на всяко място с определена вероятност, така че те могат да бъдат придружени от подобна "вълна".

Въпреки това резултатът е очевиден: самото присъствие на наблюдател засяга резултата от експеримента. Изглежда невероятно, но това не е единственият пример от този род. Физиците също провеждат експерименти върху по-големи части от материята, след като обектът беше тънка част от алуминиево фолио. Учените отбелязват, че фактът, че определени измервания са повлияли само на температурата на обекта. Естеството на такива явления, те все още не могат да обяснят.

структура

Но от какво се състои електронът? В момента съвременната наука не може да даде отговор на този въпрос. Доскоро тя се смяташе за неделима фундаментална частица, сега учените са склонни към факта, че тя се състои от още по-малки структури.

Специфичното зареждане на електрона също се счита за елементарно, но сега са отворени кварки с частична заряд. Има няколко теории за това, от което се състои електронът.

Днес можете да видите статиите, в които се казва, че учените са успели да отделят електрона. Това обаче е само частично вярно.

Нови експерименти

Съветски учени вече през осемдесетте години на миналия век предполагат, че един електрон може да бъде разделен на три квазипартички. През 1996 г. е възможно да се раздели на шпон и холон, а наскоро физикът Ван ден Бринк и неговият екип имаха частица, разделена на спинон и орбитон. Разделянето обаче може да се постигне само при специални условия. Експериментът може да се извърши при изключително ниски температури.

Когато електроните са "готини", за да абсолютната нула, което е около -275 градуса по Целзий, те почти спре и форма между тях един вид материя, ако обединяването им в единен частица. При тези условия физиците успяват да наблюдават квазипартиците, от които се състои електронът.

Информационни носители

Радиусът на електрона е много малък, той е 2.81794^.10^-13cm, но се оказва, че неговите компоненти са много по-малки. Всяка от трите части, които са успели да "разделят" електрона, носи информация за него. Както подсказва името, Orbiton съдържа данни за орбиталната вълна на частицата. Спинът е отговорен за въртенето на електрона и холона ни разказва за таксата. По този начин физиците могат да наблюдават поотделно различните състояния на електрони в силно охладено вещество. Те успяха да проследят двойките "холон-спин" и "спин-орбитон", но не и трите заедно.

Нови технологии

Физиците, които откриха електрона, трябваше да чакат няколко десетина години, докато тяхното откритие се приложи на практика. В наше време технологията се използва след няколко години, просто помнете графен - невероятен материал, състоящ се от въглеродни атоми в един слой. Какво ще бъде полезно за разделянето на електрона? Учените предсказват създаването квантов компютър, чиято скорост според тях е няколко десетки пъти по-голяма от тази на най-мощните съвременни компютри.

Каква е тайната на квантовата компютърна технология? Това може да се нарече проста оптимизация. В познатия компютър минималната, неделима част от информацията е малко. И ако ние мислим за данните като нещо визуално, тогава има само две възможности за машината. Малкото може да съдържа нула или една, т.е. части от двоичния код.

Нов метод

Сега нека си представим, че малкото съдържа нула и единицата е "квантов бит" или "cuebit". Ролята на простите променливи ще се играе от електронното въртене (може да се върти по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка). За разлика от обикновения бит, загадката може да изпълнява няколко функции едновременно, поради това, и ще има увеличение на скоростта на работа, малката маса и зареждането на електрона не са важни тук.

Можете да обясните това с примера на лабиринт. За да се измъкнете от нея, трябва да опитате много различни варианти, от които само един ще бъде правилен. Традиционният компютър може бързо да реши проблемите, но във всеки един момент може да работи само върху един единствен проблем. Той ще върви един по един с всички варианти на пътеките и в крайна сметка ще разбере. Квантовият компютър, поради двойствеността на лакътя, може да реши много проблеми едновременно. Той ще преразгледа всички възможни варианти не на свой ред, а в един момент и ще реши проблема. Трудността досега е само да се направи много работа по кванти за една задача - това ще бъде в основата на компютър от ново поколение.

приложение

Повечето хора използват компютър на ниво домакинство. С това, докато традиционните персонални компютри също се справят добре, но за да предскажат събития, които зависят от хиляди и може би стотици хиляди променливи, машината трябва да бъде просто огромна. Квантов компютър лесно се справят с такива неща като прогнозиране на времето за един месец, лечението на бедствие и неговите прогнози данни, а също така ще изпълняват сложни математически изчисления с множество променливи за част от секундата, всички с процесор на няколко атома. Така че това е възможно, в най-скоро нашите най-мощните компютри са тънки като хартия.

Запазване на здравето

Квантовата компютърна технология ще има огромен принос в медицината. Човечеството ще бъде в състояние да създаде nanomachinery с голям потенциал, с тяхна помощ, това ще бъде възможно не само да се диагностицира болестта, като просто погледнете в цялото тяло от вътре, но и за осигуряване на медицинска помощ, без да хирургия: миниатюрни роботи с "мозъците", различни от един компютър може да извършва всички операции.

Революцията в сферата на компютърните игри е неизбежна. Мощни машини, способни незабавно да решават проблеми, ще могат да играят игри с невероятно реалистични графики, недалеч от компютърните светове с пълно потапяне.