Kaj vsebuje elektron? Masa in polnjenje elektronov

Elektron je temeljni delec, eden od tistih, ki so strukturne enote snovi. Po klasifikaciji je fermion (delcev s pol-integral spin, imenovan po fizik Enrico Fermi) in leptoni (delci s pol-celo število spin, ne sodelujejo pri močni interakciji eno od štirih glavnih fizike). Baryon elektronsko število

Do nedavnega se je verjel, da je elektron elementarna, to je nedeljiva, nespecifična struktura, toda znanstveniki imajo zdaj drugačno mnenje. Kaj je elektron, ki ga sestavljajo sodobni fiziki?

Zgodovina naslova

Tudi v starodavni Grčiji so naravoslovci opazili, da jantar, ki je bil predhodno podrgnjen z lasmi, privlači majhne predmete sebi, kar pomeni elektromagnetne lastnosti. Njegovo ime je prejel od grškega ἤlambda-epsilon-kappa-tau-rho-omicron-nu-, kar pomeni "jantar". Izraz je predlagal J. Stone leta 1894, čeprav je sam delec odkril J. Thompson leta 1897. Odkrivanje je bilo težko, razlog za to je majhna masa, in naboj elektronov je bil v izkušnji z iskanjem odločilnega. Prve podobe človeka je dobil Charles Wilson z uporabo posebne kamere, ki se uporablja tudi v sodobnih eksperimentih in poimenovana v njegovi časti.

Zanimivo dejstvo je, da je eden od predpogojev za odkritje elektronov beseda Benjamina Franklina. Leta 1749 je razvil hipotezo, da je elektrika materialna snov. V njegovih delih so bili najprej uporabljeni izrazi kot so pozitivni in negativni naboji, kondenzator, izpust, baterija in delec električne energije. Specifični naboj elektrona se šteje za negativen, protona pa je pozitivna.

Odkritje elektronov

Leta 1846 je v njegovih delih uporabil pojem "atom električne energije" nemški fizik Wilhelm Weber. Michael Faraday je odkril izraz "ion", ki zdaj morda še vedno vedo s klopi. Veliko eminentnih znanstvenikov, kot so nemški fizik in matematik Julius Plukker, Jean Perrin, angleški fizik William Crookes, Ernst Rutherford in drugi, so bili vpleteni v naravo električne energije.

Tako je Joseph Thompson uspešno zaključil svoje znane izkušnje in dokazal obstoj delca, manjšega od atoma, mnogi znanstveniki delali na tem področju, odkritje pa bi bilo nemogoče in če tega ne bi naredili ogromno.

Leta 1906 je Joseph Thompson prejel Nobelovo nagrado. Poskus je bil naslednji: skozi vzporedne kovinske plošče, ki so ustvarile električno polje, so bile katodne žarke prešane. Potem so morali storiti enako, vendar že s pomočjo sistema tuljav, ki so ustvarile magnetno polje. Thompson je pokazala, da je, ko električno polje odbije žarke, in isto je opaziti z magnetno delovanja, pa nosilci katodne trajektorija ne spremeni, če so ravnali obeh teh področjih v določenih razmerjih, ki so odvisni od hitrosti delcev.

Po izračunih je Thompson izvedel, da je hitrost teh delcev precej nižja od hitrosti svetlobe, kar pomeni, da imajo maso. Od takrat so fiziki začeli verjeti, da so delci snovi del atoma, kar je bilo nato potrjeno poskusi Rutherforda. To je imenoval "planetarni model atoma".

Paradoksi kvantnega sveta

Vprašanje, kaj sestavlja elektron, je precej zapleteno, vsaj v tej fazi razvoja znanosti. Preden jo obravnavamo, se moramo obrniti k enem od paradoksa kvantne fizike, ki jih niti znanstveniki ne morejo razložiti. To je znani eksperiment z dvema režama, ki pojasnjuje dvojno naravo elektronov.

Njegova bistvo je v tem, da je pred "pištolo" žganje delci nameščen okvir z navpično pravokotno luknjo. Za njim je stena, na kateri bodo opazili sledi iz zadetkov. Torej, najprej moramo razumeti, kako se snov počuti. Najenostavnejši način predstavljati, kako teniške kroglice sprožijo stroj. Nekatere kroglice padejo v luknjo, sledi zadetkov na steni pa se doda v eno navpično trakico. Če se na nekem razdalji dodate še ena od iste luknje, bodo sledi tvorile dva pasova.

Valovi v tej situaciji se obnašajo drugače. Če obstajajo znaki trka z valom na steni, potem je v primeru ene luknje tudi trak. Vendar pa se vsaka spremeni v primeru dveh razrezov. Val, ki poteka skozi luknje, je razdeljen na polovico. Če vrh enega od valov doseže spodnji del drugega, se ugasnejo in na steni se pojavi motnja (več navpičnih pasov). Kraji na križišču valov bodo zapustili sled, in ni nobenih krajev, kjer je bilo medsebojno gašenje.

Neverjetno odkritje

S pomočjo opisanega eksperimenta lahko znanstveniki vizualno pokažejo razliko med kvantno in klasično fiziko. Ko so začeli bombardirati steno z elektroni, je pokazala normalno vertikalno sled: nekateri delci, tako kot teniške kroglice, so padli v vrzel, nekateri pa niso. Ampak vse se je spremenilo, ko se je pojavila druga luknja. Na steni se je pojavil interferenčni vzorec! Sprva so se fiziki odločili, da se elektroni med seboj motijo ​​in se odločijo, da jih izpustijo naenkrat. Vendar pa po nekaj urah (hitrost premikajočih se elektronov še vedno precej nižja od hitrosti svetlobe) se je spet pojavil interferenčni vzorec.

Nepričakovana sprememba

Elektron, skupaj z nekaterimi drugimi delci, kot so fotoni, kaže korpuskularni valni dualizem (uporabljen je tudi izraz "kvantni valovit dualizem"). Podobno mačka Schrodinger, kdo Hkrati je živ in mrtev, stanje elektronov je lahko tako korpuskularno kot val.

Naslednji korak v tem poskusu je povzročil še več skrivnosti: temeljni delec, ki ga je vsakdo zdel znan, je dal neverjetno presenečenje. Fiziki so se odločili, da na odprtinah namestijo opazovalno napravo, skozi katero reže delce preidejo, in kako se manifestirajo kot val. Toda takoj, ko je bil postavljen opazovalni mehanizem, so se na steni pojavile le dve pasovi, ki ustrezajo dvema luknjama in št motenj! Takoj, ko je bil odstranjen "senčenje", je delec spet začel prikazovati lastnosti valov, kot bi vedel, da nihče ne gleda po njej.

Druga teorija

Fizikar Bourne je predlagal, da delec ne postane val v dobesednem pomenu besede. Elektron "vsebuje" verjetnostni val sam po sebi, daje interferenčni vzorec. Ti delci imajo lastnost superpozicije, to je, da so lahko kjerkoli z določeno verjetnostjo, zato jih lahko spremlja podoben "val".

Kljub temu je rezultat očiten: samo prisotnost opazovalca vpliva na rezultat poskusa. Zdi se neverjetno, vendar to ni edini primer take vrste. Fiziki so opravili tudi eksperimente na večjih delih snovi, ko je bil predmet tanek del aluminijaste folije. Znanstveniki so ugotovili, da je dejstvo, da so nekatere meritve vplivale samo na temperaturo objekta. Narava takih pojavov še vedno ne morejo razložiti.

Struktura

Toda kaj vsebuje elektron? Sodobna znanost trenutno ne more odgovoriti na to vprašanje. Do nedavnega se je štel za nedeljiv temeljni delec, zdaj so znanstveniki nagnjeni k dejstvu, da je sestavljen iz še manjših struktur.

Tudi specifični naboj elektrona se šteje za osnovnega, vendar so kvarki z delnim polnjenjem zdaj odprti. Obstaja več teorij o tem, kaj vsebuje elektron.

Danes si lahko ogledate člene, v katerih je navedeno, da so lahko znanstveniki ločili elektron. Vendar je to le delno res.

Novi preizkusi

Sovjetski znanstveniki že v osemdesetih letih prejšnjega stoletja so predlagali, da se lahko elektron razdeli na tri kvasipartice. Leta 1996 je bilo mogoče razdeliti na spinon in holon, v zadnjem času pa je fizik Van den Brink in njegova ekipa delil delil na spinon in orbiton. Vendar se lahko cepitev doseže le pod posebnimi pogoji. Poskus lahko izvedemo pri izredno nizkih temperaturah.

Ko se elektroni »ohladijo« do absolutne ničle in to je približno -275 stopinj Celzija, se praktično ustavijo in med seboj tvorijo nekakšno materijo, kot je združevanje v en delec. V takšnih pogojih fiziki uspevajo opazovati kvazipodule, katerih elektron je "sestavljen".

Informacijski prevozniki

Polmer elektrona je zelo majhen, to je 2,81794^.10^-13cm, vendar se izkaže, da so njegove komponente precej manjše. Vsak od treh delov, ki so lahko "razdelili" elektron, prinašajo informacije o tem. Orbiton, kot že ime pove, vsebuje podatke o orbitalnem valu delca. Spinon je odgovoren za centrifugiranje elektronov, holon pa nam pove, kako je napolnjen. Tako lahko fiziki ločeno opazujejo različna stanja elektronov v močno ohlajeni snovi. Uspeli so slediti parom "holon-spinon" in "spinon-orbiton", vendar ne skupaj v celoti.

Nove tehnologije

Fiziki, ki so odkrili elektron, so morali počakati nekaj deset let, dokler se njihovo odkritje ne uporabi v praksi. V našem času se tehnologija uporablja v nekaj letih, samo zapomni grafena - čudovit material, ki ga sestavljajo atomi ogljika v eni plasti. Kaj bo koristno za delitev elektronov? Znanstveniki napovedujejo nastanek kvantni računalnik, katerih hitrost je po njihovem mnenju nekaj desetkrat večja od tiste najmočnejših sodobnih računalnikov.

Kaj je skrivnost kvantne računalniške tehnologije? To lahko imenujemo preprosta optimizacija. V znanih računalnikih je minimalni, nedeljiv del informacij malo. Če razmišljamo o podatkih kot nekaj vidnega, potem je na voljo le dve možnosti za napravo. Bit lahko vsebuje nič ali eno, to je del binarne kode.

Nova metoda

Zdaj si predstavljamo, da bit vsebuje nič, enota pa je "kvantni bit" ali "cuebit". Vloga preprostih spremenljivk bo igrala elektronsko vrtenje (lahko se vrti v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca). Za razliko od preprostega bitja, cuebit lahko hkrati opravi več funkcij hkrati, zaradi česar se bo povečala hitrost delovanja, majhna masa in naboj elektronov pa tu niso pomembni.

To lahko razložiš s primerom labirinta. Če se želite izogniti, morate preizkusiti veliko različnih možnosti, od katerih bo le en pravilen. Tradicionalni računalnik lahko hitro reši probleme, vendar lahko kadar koli deluje le na enem samem problemu. Pojdil bo po eno po vsej različici poti in na koncu bo izvedel. Kvantni računalnik, zaradi dvojnosti lakta, lahko rešuje več težav hkrati. Vse možne možnosti bo preučil ne v zameno, temveč v enem trenutku in bo rešil težavo. Težava doslej je samo, da veliko dela na eni nalogi - to bo osnova računalnika nove generacije.

Uporaba

Večina ljudi uporablja računalnik na ravni gospodinjstva. S tem, medtem ko konvencionalni osebni računalniki tudi počnejo dobro, toda za napovedovanje dogodkov, ki so odvisni od tisočev in morda na stotine tisoč spremenljivk, mora biti stroj preprosto ogromen. Kvantni računalnik lažje spopadanje s takšnimi stvarmi kot so vremenske napovedi za mesec, zdravljenje nesreče in njenih napovedovanje podatkov, in bo nastopil tudi zapletene matematične izračune z več spremenljivk za delček sekunde, vse s procesorjem nekaj atomov. Torej morda bodo kmalu naši najmočnejši računalniki debeli s papirjem.

Ohranjanje zdravja

Kvantna računalniška tehnologija bo velik prispevek k medicini. Človeštvo bo mogel ustvariti nanomachinery z velikim potencialom, z njihovo pomočjo, bo mogoče, ne samo za diagnosticiranje bolezni, zgolj s pogledom na celotno telo od znotraj, temveč tudi za zagotavljanje zdravstvene oskrbe brez operacije: drobne roboti z "možgani" drugačnih od računalnika lahko izvaja vse postopke.

Revolucija na področju računalniških iger je neizogibna. Zmogljivi stroji, ki so sposobni takojšnjega reševanja problemov, bodo lahko igrali igre z neverjetno realistično grafiko, nedaleč od računalniških svetov s polnim potapljanjem.