Co obsahuje elektron? Hmotnost a náboj elektronu

Elektron je základní částice, jedna z těch, které jsou strukturálními jednotkami hmoty. Podle klasifikace je fermion (částice s napůl integrální rotace, pojmenoval fyzik Enrico Fermi) a leptons (částic s poloviny-celočíselné spinu, nepodílejí silné interakce, jeden ze čtyř hlavních ve fyzice). Baryonický elektronové číslo

Až do nedávné doby se věřilo, že elektron je elementární, tj. Nedělitelná struktura bez částic, ale vědci mají nyní jiný názor. Co se elektronu skládá z moderních fyziků?

Název historie

Dokonce i ve starověkém Řecku si přírodovědec všiml, že jantar, který byl předtím třením vlasy, přitahuje k sobě malé předměty, to znamená, že má elektromagnetické vlastnosti. Název elektronu obdržela od řeckého ἤlambda-epsilon-kappa-tau-rho-Omicron-nu-, což znamená "žlutě". Termín navrhl J. Stone v roce 1894, ačkoli samotná částice objevil J. Thompson v roce 1897. Zjistěte, že to bylo obtížné, důvodem je malá hmota a obvinění z elektronu bylo v zážitku nalezení rozhodujícího. První snímky částic získal Charles Wilson pomocí speciální kamery, která se používá dokonce v moderních experimentech a jmenuje se na jeho počest.

Zajímavostí je, že jedním z předpokladů pro objevení elektronu je řeč Benjamina Franklina. V roce 1749 vyvinul hypotézu, že elektřina je hmotná látka. To je v jeho práce byly nejprve použity výrazy jako kladných a záporných nábojů, vybití kondenzátoru, baterie a elektrické částic. Specifický náboj elektronu je považován za negativní a proton je považován za pozitivní.

Objev elektronu

V roce 1846 byl pojem "atom elektrického proudu" použit v jeho dílech německým fyzikem Wilhelmem Weberem. Michael Faraday objevil termín "ion", který teď možná možná ještě vědí ze školní lavice. Otázka elektřiny přírody účastní mnoho významných učenců, jako je německý fyzik a matematik Julius Plucker Jean Perrin, anglický fyzik William Crookes, Ernest Rutherford a jiní.

Před tím, než Joseph Thompson úspěšně dokončil svůj slavný experiment a prokázaly existenci částice menší než atom, v poli práce mnoha vědců a objev by bylo nemožné, ale neudělali tento kolosální dílo.

V roce 1906 získal Nobelovu cenu Joseph Thompson. Experiment byl následující: přes paralelní kovové desky, které vytvořily elektrické pole, byly předány katodové paprsky. Pak museli dělat stejnou cestu, ale již prostřednictvím systému cívek, který vytvořil magnetické pole. Thompson zjištěno, že když elektrické pole vychýleny nosníky, a to samé je pozorováno s magnetickým působením však nosníky s katodovou trajektorie nemění v případě, že jednal obě tato pole v určitých poměrech, které jsou závislé na rychlosti částic.

Po výpočtech se Thompson dozvěděl, že rychlost těchto částic je mnohem nižší než rychlost světla, což znamená, že mají hmotnost. Od tohoto okamžiku se fyzici začali domnívat, že otevřené částice hmoty jsou součástí atomu, což bylo následně potvrzeno experimenty Rutherforda. Říká se tomu "planetární model atomu".

Paradoxy kvantového světa

Otázka, z čeho se elektron skládá, je poměrně složitá, přinejmenším v této fázi vývoje vědy. Než se o tom zamyslíme, musíme se obrátit na jeden z paradoxů kvantové fyziky, které ani vědci samy o sobě nedokážou vysvětlit. Jedná se o slavný experiment s dvěma sloty, který vysvětluje duální povahu elektronu.

Její podstatou spočívá ve skutečnosti, že před spalováním částic "zbraně" je nainstalován rám s vertikálním pravoúhlým otvorem. Za ním je zeď, na které budou pozorovány stopy z hity. Takže nejprve musíme pochopit, jak se chová záležitost. Nejjednodušší způsob, jak si představit, jak jsou tenisové míče spouštěny strojem. Některé koule padnou do díry a stopy hity na stěně se přidávají k jednomu svislému proužku. Pokud do určité vzdálenosti přidáte další jeden stejný otvor, stopy budou tvořit dva pásma.

Vlny v této situaci se chovají jinak. Pokud jsou na stěně známky kolize s vlnou, pak v případě jedné díry bude i páska jedna. Všechno se však mění v případě dvou štěrbin. Vlna procházející děrami je rozdělena na polovinu. V případě, že horní část jedné vlny splňuje dno druhého, které se navzájem, a objeví se interferenční obrazec (více vertikální pruhy) na stěnu. Místa na křižovatce vln zanechají stopu a neexistují místa, kde by došlo k vzájemnému uhasení.

Úžasný objev

Pomocí výše popsaného experimentu vědci mohou vizuálně demonstrovat světu rozdíl mezi kvantovou a klasickou fyzikou. Když začali palbu elektrony zdi, obvykle se vyskytuje ve vertikální značku na něj: některé částice, stejně jako tenisový míček spadl do mezery, a některé ne. Ale všechno se změnilo, když se objevila druhá díra. Na stěně se objevil rušivý vzor! Nejprve se fyzici rozhodli, že elektrony se navzájem zasahují a rozhodli se je nechat venku jeden po druhém. Po několika hodinách (rychlost pohybujících se elektronů je však ještě mnohem nižší než rychlost světla), začal se znovu objevit interferenční vzor.

Neočekávaný obrat

Elektronické, společně s některými dalšími částicemi, jako jsou fotony, vykazuje vlnu-dualita částečky (také používá termín „kvantově-vlna dualismus“). Podobně kočka Schrodinger, která Současně je živý a mrtvý, stav elektronu může být korpuskulární i vlnový.

Dalším krokem v tomto experimentu však vznikly ještě další tajemství: základní částicí, o které se zdálo, že všichni věděli, dávalo neuvěřitelné překvapení. Fyzici se rozhodli nainstalovat do otvorů pozorovací zařízení, které by bylo možné opravit, skrze které štěrbiny procházejí částice a jak se projevují jako vlna. Ale jakmile byl umístěn pozorovací mechanismus, na stěně se objevily jen dvě kapely, odpovídající dvěma děrům a ne interferenční vzor! Jakmile byla odstraněna "stínování", částicka opět začala vykazovat vlnové vlastnosti, jako by věděla, že po ní nikdo nesleduje.

Další teorie

Fyzik Bourne navrhl, aby se částice nestala vlnou v doslovném smyslu slova. Elektron "obsahuje" pravděpodobnou vlnu sama o sobě, dává interferenční vzor. Tyto částice mají vlastnost superpozice, to znamená, že mohou být na nějakém místě s určitou pravděpodobností, takže mohou být doprovázeny podobnou "vlnou".

Nicméně výsledek je zřejmý: samotná přítomnost pozorovatele ovlivňuje výsledek experimentu. Zdá se neuvěřitelné, ale není to jediný příklad tohoto druhu. Fyzici také prováděli pokusy na větších částech hmoty, jakmile byl předmětem tenká část hliníkové fólie. Vědci poznamenali, že skutečnost, že určitá měření ovlivňují teplotu samotného objektu. Povaha takových jevů, které stále nemohou vysvětlit.

Struktura

Ale co se z elektronu skládá? V současné době nemůže moderní věda odpovědět na tuto otázku. Až do nedávné doby byla považována za nedělitelnou základní část, nyní se vědci nakloní tomu, že se skládá z ještě menších struktur.

Konkrétní náboj elektronu byl také považován za elementární, ale kvarky s částečným nábojem jsou nyní otevřené. Existuje několik teorií o tom, z čeho se elektron skládá.

Dnes vidíte články, ve kterých je uvedeno, že vědci dokázali oddělit elektron. To je však jen částečně pravdivé.

Nové experimenty

Sovětští vědci již v osmdesátých letech minulého století navrhli, že elektron může být rozdělen na tři kvazipartikuly. V roce 1996 se mu podařilo rozdělit na spinon Holon a nejnověji fyzik Van den Brink a jeho tým byl rozdělen do částic spinon a orbiton. Dělení může být dosaženo pouze za zvláštních podmínek. Experiment lze provést za extrémně nízkých teplot.

Když elektrony jsou „chladné“ absolutní nule, což je asi -275 stupňů Celsia, se téměř zastaví a tvoří mezi nimi druh hmoty, pokud je sloučení do jediné částice. Za takových podmínek se fyzici podaří pozorovat quasiparticles, z nichž elektron "sestává".

Nosiče informací

Poloměr elektronu je velmi malý, je to 2,81794^.10^{-13. místo}cm, ale ukázalo se, že jeho součásti jsou mnohem menší. Každá ze tří částí, které byly schopny "rozdělit" elektron, nese informace o tom. Orbiton, jak naznačuje název, obsahuje data o orbitální vlně částice. Spinon je zodpovědný za tok elektronu a holon nám říká o náboji. Fyzici tak mohou samostatně pozorovat různé stavy elektronů ve silně chlazené látce. Podařilo se jim vysledovat dvojici „Holon-spinon“ a „spinon-orbiton“, ale ne všichni tři dohromady.

Nové technologie

Fyzici, kteří objevili elektron, museli čekat několik desítek let, dokud jejich objev nebyl aplikován v praxi. V současné době technologie nacházejí uplatnění v několika letech, to je dost pamatovat grafenu - úžasný materiál skládající se z atomů uhlíku v jedné vrstvě. Co bude užitečné pro rozdělení elektronu? Vědci předpovídají vytvoření kvantový počítač, jejichž rychlost je podle jejich názoru několik desítekkrát vyšší než rychlost nejmocnějších moderních počítačů.

Jaké je tajemství kvantové výpočetní techniky? To lze nazvat jednoduchou optimalizací. V známém počítači je minimální, nedělitelná část informace trochu. A pokud si myslíme, že data jsou něco vizuálního, pak jsou pro tento stroj pouze dvě možnosti. Bit může obsahovat buď nulu nebo jednu, tj. Části binárního kódu.

Nová metoda

Teď si představme, že bit obsahuje nulu a jednotka je "kvantový bit" nebo "cuebit". Úloha jednoduchých proměnných bude hrát elektronový spin (to může otáčet buď ve směru hodinových ručiček nebo proti směru hodinových ručiček). Na rozdíl od jednoduché bit Cube mohou vykonávat několik funkcí najednou, a vzhledem k tomuto zvýšení dojde rychlost, nízkou hmotnost elektronu a náboj nejsou důležité zde.

Můžete to vysvětlit příkladem labyrintu. Chcete-li se z toho dostat, musíte zkusit spoustu různých možností, z nichž pouze jeden bude správný. Tradiční počítač může rychle vyřešit problémy, ale vždy může pracovat pouze na jediném problému. Jedno po druhém půjde na všechny varianty cest a nakonec to zjistí. Kvantový počítač, kvůli dualitě laku, dokáže vyřešit mnoho problémů současně. Přezkoumá všechny možné varianty, nikoliv zase, ale v jediném okamžiku a vyřeší tento problém. Dosavadní obtížnost spočívá pouze v tom, že se na jednom úkolu daří spousta kvantových prací - to bude základem počítače nové generace.

Aplikace

Většina lidí používá počítač na úrovni domácnosti. S tímto, zatímco běžné počítače se také daří dobře, ale předvídat události, které závisí na tisících, a možná stovky tisíc proměnných, stroj by měl být prostě obrovský. Kvantový počítač snadno vyrovnat se s takovými věcmi jako předpovědi počasí po dobu jednoho měsíce, při léčbě katastrofou a jeho predikce dat, a bude také provádět složité matematické výpočty pomocí více proměnných na zlomek vteřiny, to vše s procesorem několika atomů. Je tedy možné, velmi brzy se naše nejsilnější počítače jsou tenký jako papír.

Zachování zdraví

Kvantová počítačová technologie bude obrovsky přispívat k medicíně. Lidstvo bude moci vytvořit nanomachinery se silným potenciálem, s jejich pomocí bude možné nejen diagnostikovat nemoc pouhým pohledem na celé tělo zevnitř, ale také k poskytnutí lékařské péče bez chirurgického zákroku: malý robot s „mozků“ jiným než počítač může provádět všechny operace.

Revoluce v oblasti počítačových her je nevyhnutelná. Výkonné stroje, schopné okamžitě řešit problémy, budou moci hrát hry s neuvěřitelně realistickou grafikou, nedaleko počítačových světů s plným ponořením.