З чаго складаецца электрон? Маса і зарад электрона

Электрон - фундаментальная часціца, адна з тых, што з'яўляюцца структурнымі адзінкамі рэчывы. Па класіфікацыі з'яўляецца фермионом (часціца з полуцелым спінам, названая ў гонар фізіка Э. Фермі) і лептонов (часціцы з полуцелым спінам, якія не ўдзельнічаюць у моцным узаемадзеянні, адным з чатырох асноўных у фізіцы). Барионное лік электрона роўна нулю, як і іншых лептонов.

Да нядаўняга часу лічылася, што электрон - элементарная, то ёсць непадзельная, якая не мае структуры часціца, аднак цяпер навукоўцы іншага меркавання. З чаго складаецца электрон па прадстаўленні сучасных фізікаў?

гісторыя назвы

Яшчэ ў Старажытнай Грэцыі прыродазнаўцы заўважылі, што бурштын, папярэдне нацёрты поўсцю, прыцягвае да сябе дробныя прадметы, то ёсць праяўляе электрамагнітныя ўласцівасці. Сваю назву электрон атрымаў ад грэцкага ἤλεκτρον, што і азначае "бурштын". Тэрмін прапанаваў Дж. Стоўн ў 1894 годзе, хоць сама часціца была адкрыта Дж. Томпсанам ў 1897 годзе. Выявіць яе было складана, прычынай гэтаму служыць малая маса, і зарад электрона стаў у вопыце па знаходжанні вырашальным. Першыя здымкі часціцы атрымаў Чарльз Вільсан з дапамогай адмысловай камеры, якая ўжываецца нават у сучасных эксперыментах і названая ў яго гонар.

Цікавы факт, што адной з перадумоў да адкрыцця электрона з'яўляецца выказванне Бенджаміна Франкліна. У 1749 годзе ён распрацаваў гіпотэзу, згодна з якой, электрычнасць - гэта матэрыяльная субстанцыя. Менавіта ў яго працах былі ўпершыню ўжытыя такія тэрміны, як станоўчы і адмоўны зарады, кандэнсатар, разрад, батарэя і часціца электрычнасці. Удзельная зарад электрона прынята лічыць адмоўным, а пратона - станоўчым.

адкрыццё электрона

У 1846 годзе паняцце «атам электрычнасці» стаў выкарыстоўваць у сваіх працах нямецкі фізік Вільгельм Вэбер. Майкл Фарадей адкрыў тэрмін «іён», які цяпер, мабыць, ведаюць усё яшчэ са школьнай лавы. Пытаннем прыроды электрычнасці займаліся шматлікія знакамітыя навукоўцы, такія як нямецкі фізік і матэматык Юліус Плюккер, Жан Перэн, англійская фізік Уільям Крукс, Эрнст Радэрфорд і іншыя.

Такім чынам, перш чым Джозэф Томпсан паспяхова завяршыў свой знакаміты вопыт і даказаў існаванне часціцы меншай, чым атам, у гэтай сферы працавала мноства вучоных, і адкрыццё было б немагчыма, ня прарабілі яны гэтай каласальнай працы.

У 1906 году Джозэф Томпсан атрымаў Нобелеўскую прэмію. Вопыт заключаўся ў наступным: скрозь паралельныя металічныя пласціны, якія стваралі электрычнае поле, прапускаліся пучкі катодных прамянёў. Затым яны павінны былі прарабіць такі ж шлях, але ўжо праз сістэму шпулек, якія стваралі магнітнае поле. Томпсан выявіў, што пры дзеянні электрычнага поля прамяні адхіляліся, і тое ж самае назіралася пры магнітным уздзеянні, аднак пучкі катодных прамянёў не змянялі траекторыі, калі на іх дзейнічалі абодва гэтых поля ў вызначаных суадносінах, якія залежалі ад хуткасці часціц.

Пасля разлікаў Томпсан даведаўся, што хуткасць гэтых часціц істотна ніжэй хуткасці святла, а гэта значыла, што яны валодаюць масай. З гэтага моманту фізікі сталі лічыць, што адкрытыя часціцы матэрыі ўваходзяць у склад атама, што пасля і пацвердзілася досведамі Рэзерфорда. Ён назваў яе «планетарная мадэль атама».

Парадоксы квантавага свету

Пытанне аб тым, з чаго складаецца электрон, досыць складзены, па меншай меры, на дадзеным этапе развіцця навукі. Перш чым разглядаць яго, трэба звярнуцца да аднаго з парадоксаў квантавай фізікі, якія нават самі навукоўцы не могуць растлумачыць. Гэта знакаміты эксперымент з двума шчылінамі, які тлумачыць дваістую прыроду электрона.

Яго сутнасць у тым, што перад «гарматай», якая страляе часціцамі, ўстаноўлена рамка з вертыкальным прастакутным адтулінай. За ёю знаходзіцца сцяна, на якой і будуць назірацца сляды ад трапленняў. Такім чынам, для пачатку трэба разабрацца, як паводзіць сябе матэрыя. Прасцей за ўсё прадставіць, як запускаюцца машынай тэнісныя мячыкі. Частка шарыкаў трапляе ў адтуліну, і сляды ад трапленняў на сцяне складаюцца ў адну вертыкальную паласу. Калі на некаторай адлегласці дадаць яшчэ адно такое ж адтуліну, сляды будуць утвараць, адпаведна, дзве паласы.

Хвалі ж у такой сітуацыі паводзяць сябе па-іншаму. Калі на сцяне будуць адлюстроўвацца сляды ад сутыкнення з хваляй, то ў выпадку з адным адтулінай паласа таксама будзе адна. Аднак усё мяняецца ў выпадку з двума шчылінамі. Хваля, праходзячы праз адтуліны, дзеліцца напалову. Калі вяршыня адной з хваляў сустракаецца з ніжняй часткай іншай, яны гасяць адзін аднаго, і на сцяне з'явіцца інтэрферэнцыйныя карціна (некалькі вертыкальных палос). Месцы на скрыжаванні хваляў пакінуць след, а месцы, дзе адбылося ўзаемнае гашэнне, няма.

дзіўнае адкрыццё

З дапамогай вышэйапісанага эксперыменту навукоўцы могуць наглядна прадэманстраваць свету адрозненне паміж квантавай і класічнай фізікай. Калі яны сталі абстрэльваць сцяну электронамі, на ёй выяўляўся звычайны вертыкальны след: некаторыя часціцы, сапраўды гэтак жа як тэнісныя мячыкі, траплялі ў шчыліну, а некаторыя няма. Але ўсё змянілася, калі паўстала другую адтуліну. На сцяне праявілася інтэрферэнцыйныя карціна! Спачатку фізікі вырашылі, што электроны интерферируют паміж сабой, і вырашылі пускаць іх па адным. Аднак ужо праз пару гадзін (хуткасць рухаюцца электронаў ўсё ж значна ніжэй хуткасці святла) зноў стала праяўляцца інтэрферэнцыйныя карціна.

нечаканы паварот

Электрон, разам з некаторымі іншымі часціцамі, такімі як фатоны, праяўляе карпускулярна-хвалевай дуалізм (таксама ўжываецца тэрмін "квантава-хвалевай дуалізм"). Падобна кату Шредингера, які адначасова і жывы, і мёртвы, стан электрона можа быць як карпускулярна, так і хвалевым.

Аднак наступны крок у гэтым эксперыменце спарадзіў яшчэ больш загадак: фундаментальная часціца, пра якую, здавалася, вядома ўсё, паднесла неверагодны сюрпрыз. Фізікі вырашылі ўсталяваць у адтулін назіральнай прылада, каб зафіксаваць, праз якую менавіта шчыліну праходзяць часціцы, і якім чынам яны праяўляюць сябе ў якасці хвалі. Але як толькі было пастаўлены назіральны механізм, на сцяне з'явіліся толькі дзве паласы, адпаведныя двум адтулінам, і ніякай інтэрферэнцыйнай карціны! Як толькі «сачэнне» прыбіралі, часціца зноў пачынала вязаць хвалевыя ўласцівасці, быццам ведала, што за ёй ужо ніхто не назірае.

Яшчэ адна тэорыя

Фізік Борн выказаў здагадку, што часціца не ператвараецца ў хвалю ў прамым сэнсе слова. Электрон "ўтрымлiвае" ў сабе хвалю верагоднасці, менавіта яна дае інтэрферэнцыйныя карціну. Гэтыя часціцы валодаюць уласцівасцю суперпазіцыі, гэта значыць могуць знаходзіцца ў любым месцы з пэўнай доляй верагоднасці, таму іх і можа суправаджаць падобная «хваля».

Тым не менш вынік у наяўнасці: сам факт наяўнасці назіральніка ўплывае на вынік эксперыменту. Здаецца неверагодным, але гэта не адзіны прыклад такога кшталту. Фізікі праводзілі досведы і на больш буйных частках матэрыі, аднойчы аб'ектам стаў найтанчэйшы адрэз алюмініевай фальгі. Навукоўцы адзначылі, што адзін толькі факт некаторых вымярэнняў ўплываў на тэмпературу прадмета. Прыроду падобных з'яў яны растлумачыць пакуль яшчэ не ў сілах.

структура

Але з чаго складаецца электрон? На дадзены момант сучасная навука не можа даць адказ на гэтае пытанне. Да нядаўняга часу ён лічыўся непадзельнай фундаментальнай часціцай, зараз жа навукоўцы схіляюцца да таго, што ён складаецца з яшчэ больш дробных структур.

Удзельная зарад электрона таксама лічыўся элементарным, але зараз адкрыты кварк, якія маюць дробны зарад. Існуе некалькі тэорый адносна таго, з чаго складаецца электрон.

Сёння можна ўбачыць артыкулы, у якіх заяўляецца, што навукоўцам атрымалася падзяліць электрон. Аднак гэта дакладна толькі збольшага.

новыя эксперыменты

Савецкія навукоўцы яшчэ ў васьмідзесятых гадах мінулага стагоддзя выказалі здагадку, што электрон магчыма будзе падзяліць на тры квазичастицы. У 1996 годзе ўдалося падзяліць яго на спинон і Халон, а нядаўна фізікам Ван дэн Бринком і яго камандай часціца была падзелена на спинон і орбитон. Аднак расшчаплення атрымоўваецца дамагчыся толькі ў спецыяльных умовах. Эксперымент можа праводзіцца ва ўмовах вельмі нізкіх тэмператур.

Калі электроны «астываюць» да абсалютнага нуля, а гэта каля -275 градусаў па Цэльсіі, яны практычна спыняюцца і ўтвараюць паміж сабой нешта накшталт матэрыі, быццам зліваючыся ў адну часцінку. У такіх умовах фізікам і атрымоўваецца назіраць квазичастицы, з якіх «складаецца» электрон.

пераносчыкі інфармацыі

Радыус электрона вельмі малы, ён роўны ^2,81794. 10 ^-13 см, аднак выходзіць, што яго складнікі маюць нашмат меншы памер. Кожная з трох частак, на якія ўдалося «падзяліць» электрон, нясе ў сабе інфармацыю пра яго. Орбитон, як вынікае з назвы, змяшчае дадзеныя аб арбітальнай хвалі часціцы. Спинон адказвае за спін электрона, а Халон паведамляе нам аб зарадзе. Такім чынам, фізікі могуць назіраць асобна розныя станы электронаў у моцна астуджаным рэчыве. Ім удалося прасачыць пары «Халон-спинон» і «спинон-орбитон», але не ўсю тройку разам.

Новыя тэхналогіі

Фізікам, які адкрыў электрон, прыйшлося чакаць некалькі дзясяткаў гадоў да таго часу, пакуль іх адкрыццё было ўжыта на практыцы. У наш час тэхналогіі знаходзяць выкарыстанне ўжо праз некалькі гадоў, досыць успомніць графен - дзіўны матэрыял, які складаецца з атамаў вугляроду ў адзін пласт. Чым будзе карысна расшчапленне электрона? Навукоўцы прадказваюць стварэнне квантавага кампутара, хуткасць якога, на іх думку, у некалькі дзясяткаў разоў больш, чым у самых магутных сучасных ЭВМ.

У чым таямніца квантавай кампутарнай тэхналогіі? Гэта можна назваць простай аптымізацыяй. У звыклым кампутары мінімальная, непадзельная частка інфармацыі - гэта біт. І калі мы лічым дадзеныя чымсьці візуальным, то для машыны варыянту толькі два. Біт можа ўтрымліваць альбо нуль, альбо адзінку, то ёсць часткі двайковага кода.

новы метад

Зараз давайце прадставім, што ў біце змяшчаецца і нуль, і адзінка - гэта «квантавы біт», або «К'юбі». Ролю простых зменных будзе гуляць спін электрона (ён можа круціцца або па гадзіннікавай стрэлцы, альбо супраць). У адрозненне ад простага біта, К'юбі можа выконваць адначасова некалькі функцый, за кошт гэтага і будзе адбывацца павелічэнне хуткасці працы, малая маса і зарад электрона тут не маюць значэння.

Растлумачыць гэта можна на прыкладзе з лабірынтам. Каб выбрацца з яго, трэба перакаштаваць мноства розных варыянтаў, з якіх правільным будзе толькі адзін. Традыцыйны кампутар хай і вырашае задачы хутка, але ўсё ж у адзін момант часу можа працаваць толькі над адной-адзінай праблемай. Ён перабярэцца па адным усе варыянты шляхоў, і ў выніку выявіць выхад. Квантавы жа кампутар, дзякуючы дваістасці кьюбита, можа вырашаць мноства задач адначасова. Ён перагледзіць ўсе магчымыя варыянты не па чарзе, а ў адзіны момант часу, і таксама вырашыць задачу. Цяжкасць пакуль складаецца толькі ў тым, каб прымусіць мноства квантаў працаваць над адной задачай - гэта і будзе асновай кампутара новага пакалення.

прымяненне

Большасць людзей карыстаецца кампутарам на побытавым узроўні. З гэтым пакуль выдатна спраўляюцца і звычайныя ПК, аднак каб прагназаваць падзеі, якія залежаць ад тысяч, а можа і сотняў тысяч зменных, машына павінна быць проста велізарная. Квантавы кампутар жа лёгка справіцца з такімі рэчамі, як прагназаванне надвор'я на месяц, апрацоўка дадзеных па стыхійным бедствам і іх прадказанне, а таксама будзе здзяйсняць вельмі складаныя матэматычныя вылічэнні з многімі зменнымі за долю секунды, і ўсё гэта з працэсарам велічынёй у некалькі атамаў. Так што магчыма, ужо вельмі хутка нашы самыя магутныя кампутары будуць таўшчынёй з аркуш паперы.

захаванне здароўя

Квантавыя камп'ютэрныя тэхналогіі унясуць вялікі ўклад у медыцыну. Чалавецтва атрымае магчымасць ствараць наномеханизмы з наймагутным патэнцыялам, з іх дапамогай можна будзе не толькі дыягнаставаць хваробы, проста паглядзеўшы на ўвесь арганізм знутры, але і аказваць медыцынскую дапамогу без хірургічнага ўмяшання: драбнюткія робаты з «мазгамі» выдатнага кампутара змогуць выконваць усе аперацыі.

Непазбежная рэвалюцыя і ў сферы камп'ютэрных гульняў. Магутныя машыны, здольныя імгненна вырашаць задачы, змогуць прайграваць гульні з неверагодна рэалістычнай графікай, не за гарамі ўжо і кампутарныя светы з поўным апусканнем.