Какое необычное свойство электрона
Здравствуйте уважаемые подписчики и гости моего канала! В этой статье я хочу затронуть очень сложный и важный вопрос для всей современной науки и порассуждать: Что же такое электрон и что мы про него знаем?
Интересно? Тогда усаживайтесь поудобнее и давайте начнем.
Что ты такое, электрон?
Абстракционное изображение атома
Электроны. Нам с вами еще со школьных скамей рассказывают, что это элементарная частица (то есть неделимая), и она как угорелая крутится вокруг ядра атома, прям как планеты, вращаются вокруг Солнца. Но так ли это на самом деле?
Ученый мир пока еще придерживается так сказать классики, ведь все самые суперсовременные приборы до сих пор не смогли запечатлеть неуловимый электрон. О первой субатомной частице, обнаруженной в 1890-х годах, зачастую пишут, что открытие совершено в 1897 году учеными Э. Вихертом и Дж. Дж. Томсоном.
Так какие свойства электрона известны на данный момент?
Электрон имеет массу
Вероятностная картина размещения единичного электрона
У электрона есть масса, она настолько мала что, например, в химии ее не учитывают, но вот для физики это важный параметр:
1. Электрон примерно весит 0,000548579909067(14) (9)(2) атомных единиц массы.
2. Масса электрона равна 1/1838 массы самого легчайшего из существующих атомов – атома водорода.
3. Энергия, которая заключена в массе электрона, равна 0,000 511 ГэВ. Это примерно в 200 000 раз больше энергии, чем переносит один фотон зеленого цвета.
У электрона есть электрический заряд
Электрон обладает электрическим зарядом, а из этого следует, что на него оказывает взаимодействие как электрическое, так и магнитное поля. При этом заряд единичного электрона равен:
Размер
На самом деле точный размер электрона до сих пор неизвестен. Он может оказаться точечным безразмерным зарядом или же обладать существенно малым размером. Так произведенные вычисления предлагают использовать для оценки радиуса электрона величину
Но данные размеры так же относительны, ведь хоть электрон и называют частицей, он так же обладает волновыми свойствами. И как звуковая волна от тамтама занимает весь объем помещения, так и электроны в атоме находятся как бы во всем объеме атома.
Это так называемый контекстуальный размер, то есть если вы оторвете электрон от атома и поместите его в замкнутое пространство (измените окружающий контекст), то его размер либо уменьшится, либо же увеличится.
Атом
Но контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Многочисленные лабораторные исследования так и не позволили определить реального размера электрона (есть расчетная величина, написанная выше). А как далеко электрон распространяется в форме волны, целиком и полностью зависит от контекста.
Спин
Среди удивительного квантового мира есть уникальный факт (который был открыт еще в 1920-х годах Гаудсмитом и Уленбеком) – элементарные частицы способны вращаться при этом, не имея даже размера. Вообразить это практически нереально, но это факт.
Электроны, как и многие другие частицы прям как миниатюрные волчки. Если такой волчок поглотит тело большего размера, то это тело начнет медленно вращаться.
Абстрактное изображение вращающегося электрона
Но это не все странности. Как было выяснено каждый из типов частиц имеет одну и ту же скорость вращения! При этом у электрона самая малая (ненулевая) скорость вращения равная.
Магнетизм
Шар, обладающий электрическим зарядом да еще вращающийся, это не что иное, как магнит, а так как у электрона есть заряд и спин, то он тоже ведет себя как миниатюрный магнит. Дайте возьмем самый обычный магнит.
Электрон обладает свойствами обычного постоянного магнита
Он приобретает свои свойства по причине того, что невероятное количество электронов, чьи спины синхронизированы, создают огромный магнит из бесчисленного количества маленьких. Кстати тот факт, что электроны ведут себя как магниты, косвенно указывают тот факт, что электроны вращаются.
А существуют ли вообще электроны или это выдумка?
Пузырьковый след от пролетающего позитрона
Перед вами знаменитая фотография, выполненная еще в далеком 1932 году, на которой запечатлен тончайший пузырьковый след.
Частицу, обладающую зарядом, прогоняют через Камеру Вильсона. В результате прохождения тела частицы образуются мельчайшие пузырьки, которые очень быстро увеличиваются в размерах, тем самым формируется след, который и удалось сфотографировать.
А отклонение частицы от прямой обусловливается воздействием магнитного поля. Запечатленный изгиб на фото указал, что прошедшая частица была позитроном (античастица электрона, обладающая точно таким же зарядом, как и электрон, только со знаком «+»). Другие элементы на фото – артефакты и дефекты пленки.
Сам же электрон, в отличие от молекул и атомов (которые научились фотографировать с помощью специальных микроскопов), так и не удалось запечатлеть до сих пор. Отчасти потому что до сих пор нет более чувствительной аппаратуры, способной разглядеть сверхмалый и неуловимый электрон.
Атом с вращающимися электронами
Исследования элементарных частиц не прекращаются ни на минуту и, возможно, в скором будущем, мы с вами увидим первое реальное изображение неуловимого и, пожалуй, самого важного кирпичика нашей Вселенной.
Понравилась статья, тогда не забудьте подписаться, поставить лайк и сделать репост. Тогда вы точно не пропустите новые выпуски!
Источник
В 1925 году Альберт Эйнштейн рекомендовал своему коллеге Максу Борну познакомиться с докторской диссертацией французского физика Луи де Бройля такими странными словами: «Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно».
Эйнштейну было свойственно тонкое чувство юмора и насмешливое отношение к общепринятым вкусам и привычкам. Например, свою любовь к путешествиям на парусной яхте Эйнштейн объяснял тем, что на ней он может не бояться посетителей. Про школу, где одновременно с естественными науками преподавался закон божий, Эйнштейн говорил, что дети в конце концов начнут думать, что бог — это газообразное позвоночное…
Но в словах Эйнштейна, обращенных к Борну, за шуткой скрывалась серьезная взволнованная мысль. Еще бы — из работ де Бройля следовало, что электрон, к которому все уже привыкли относиться как к частице, обладает одновременно явно выраженными волновыми свойствами!
Де Бройль пришел к своим выводам чисто теоретически. Если уравнения движения электрона по орбите вокруг атома, полученные с использованием соотношения теории относительности, связывающего массу и энергию, записать в форме, которой пользуются оптики для описания волновых процессов, то оказывается, что электрон обладает длиной волны, а устойчивыми орбитами являются как раз те, на которых укладывается целое число длин волн электрона.
Вполне возможно, что «сумасшедшей» теории де Бройля пришлось бы ждать признания много лет, если бы о ней не вспомнили в трудную минуту физики-экспериментаторы Дэвиссон и Джермер. В трудную минуту размышлений над непонятными результатами очередного опыта…
Открытие было сделано, как это часто бывает, почти случайно. Дэвиссон и Джермер изучали отражение электронов от поверхности никелевых пластинок. Пластины тщательно очищали от окислов и между экспериментами хранили в герметично закрытых сосудах, лишенных кислорода. Однажды один из сосудов разбился. Пластинку решили прокалить, чтобы избавиться от быстро выросшей на воздухе пленки окисла. Тогда на поверхности металла образовались крохотные кристаллики никеля.
Луи де Бройль (Louis de Broglie)
Экспериментаторы продолжали опыты, но прокаленная пластинка никеля стала вести себя необычным образом. Если от остальных пластин электроны отражались зеркально, как и положено потоку частиц, то от прокаленной пластинки электроны рассеивались в разные стороны, причем в одних направлениях их поток значительно усиливался, а в других — заметно ослабевал. Потоки электронов вели себя как пучки света в экспериментах Юнга и Френеля при изучении явлений дифракции и интерференции.
Объяснить эти опыты удалось только благодаря теории де Бройля.
Размеры мелких кристалликов никеля оказались соизмеримыми с длиной волны электронов, вычисленной де Бройлем. Электроны «обходили» кристаллики, как световые волны огибают мелкие непрозрачные препятствия в опытах по дифракции…
Первый успех окрылил сторонников теории де Бройля. Может быть, электронные волны позволят еще подробнее, чем рентгеновские лучи, заглянуть в глубь вещества?
Если для рентгеновских лучей атомы кристалла служат дифракционной решеткой и с их помощью можно измерить расстояния между атомами, то для электронов окажутся доступными и более мелкие детали строения микромира. Например, удастся оценить размеры отдельных атомов и разглядеть наконец доселе невидимый атом во всех подробностях…
Как быстро развивается физика в XX веке! Казалось бы, совсем недавно были определены масса и заряд электрона, и сравнение электрона с маленьким заряженным шариком, быстро вращающимся вокруг ядра, заняло прочное место в сознании физиков. И вот электрону опять нужно подыскивать новый зрительный образ…
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.
Источник
Вывод
К описанию микромира нельзя подходить с человеческими мерками. В микромире человеку все непривычно, а поэтому странно. Электрон оказывается необычным объектом, у него свойства и частиц и волн. Для рационального мышления это представляется невозможным. Срабатывает бинарная логика Аристотеля: Третьего не дано! Подобного “не может быть!”
Поэтому при изучении микромира необходима смена стереотипов мышления. Вместо бинарной логики Аристотеля, в квантовой физике необходимо применять принцип дополнительности Бора, о котором речь пойдет далее.
При изучении квантовой механики приходится использовать обе половины человеческого мозга, подключая ассоциативно-образное и интуитивное мышление для выработки нового понятийного аппарата, адекватного квантовой объективной реальности.
В гуманитарном наследии древнего Китая находится подходящий случаю символ Тайдзы: Инь и Ян – символ единства и борьбы противоположностей. Инь- интуитивный женский ум, Ян- рациональный рассудок мужчины. Инь- символ Земли, Ян- символ Неба.
Образ дуализма свойств микрочастиц. Образ единения двух типов менталитета, двух компонент единой культуры.
Язык квантовой физики
Характерной чертой современного естествознания является применение взаимно-дополнительных стилей (ассоциативно-образного и рационально-логического) в описании объектов микромира. Это проявляется даже в терминологии. Современная физика микромира носит название Квантовая хромодинамика.
О каком цвете в применении к объектам микромира идет речь? Рассмотрим кратко как вводится терминология в физике на примере описания свойств электрона и классификации микрочастиц.
| Свойство | Символ свойства | Область значений |
| Гравитации, инертности | m, масса | m > 0 |
| Притяжения и отталкивания | q, заряд | q > 0, q < 0, q=0 |
| Собственного вращения | S, спин | S = (1/2) Pi |
Как выявляются эти свойства? Говорят, что свойства частиц материи раскрываются при их взаимодействиях, в процессах измерений или непосредственных наблюдений.
С математической точи зрения свойства – это коэффициенты которые входят в уравнения, описывающие взаимодействия частиц или действие полей на частицы.
Вспомним второй закон Ньютона :
a = F/ m .
Здесь внешние начальные и граничные условия определяются векторной суммой всех действующих на данную частицу (материальную точку) сил. Ускорение a есть результат, а масса m – свойство данной частицы.
Для другой массы в тех же условиях получим другой результат. Масса электрона будет фигурировать и вформулеДебройля, по которой определяется длина волны Дебройля. Как и ускорение, длина волны Дебройля не являетсясвойством электрона. Она является параметром поля состояний электрона в данных условиях.
Термины масса ( по-видимому от amass – куча) и заряд (нагрузка) сложились и утвердились в классическом естествознании исторически. Термин спин появился в квантовой физике, буквально повторяя английский звукорядspin – (вращение, в авиации – штопор). Для собственного магнитного момента нетслова, выражающего это свойство, для единицы его измерения приняли термин магнетонБора.
Названия вновь открываемых частиц несут иногда отпечаток личности автора, предложившего термин. Э.Ферми, итальянец, предложил нейтрино (уменьшительное от нейтрона). Позитрон – позитивный, то есть положительный электрон. Греческий язык использован при классификации элементарных частиц по массам: Лептоны – Мезоны – Барионы . Соответственно: легкие, средние и тяжелые.
Когда в 60-е годы была обнаружена множественность микрочастиц, их стали называть просто по буквам греческого алфавита. Например, пи-минус-мезон, тау-мезон, лямбда-гиперон. Очень короткоживущие частицы начали называть резонансами, отражая тот экспериментальный факт, что частицы наблюдаются только в очень узком диапазоне энергий взаимодействий. Здесь их “выход” резко возрастает, подобно резонансу в вынужденном колебательном движении.
Отметим, что при исследовании центральной положительно заряженной области атома – ядра, выявилась его внутренняя структура: ядро состоит из протонов и нейтронов. На смену классическому атомизму пришла концепция атома, состоящего из субатомных частиц, для которых ввели термин “элементарные”, в смысле более неделимые. Как когда то считали неделимым атом.
В 60-70 годы нашего столетия обнаружилась не только множественность (более 350 !) элементарных частиц, но и то, что многие из них являются составными. В такой ситуации термин “элементарнаячастица” изменил свое физическое содержание. В современном естествознании это всего лишь объединяющее название для целого мира микрочастиц.
Парадигма классического естествознания включает в себя концепцию целостного, простого и гармоничного устройства мира. Основой мировой гармонии – вертикальное соподчинение (иерархия) различных, но подобных структурных уровней. “То,что наверху подобно тому, что внизу”.
В рамках классического естествознания всегда были обоснованными (предписывала парадигма!) поиски первоэлементов. И классический атомизм завершился стройной периодической системой Д.И.Менделеева, включающей около 120 элементов.
На рубеже формирования современного естествознания, в начале 70 годов нашего века, было экспериментально обнаружено более350микрочастицто есть, в три раза большее количество, чем химических элементов!
Классическое идейное наследие подталкивало к поиску гармонии в новом разнообразии и к поиску новых первоэлементов – базовых, “действительно элементарных” частиц.
Источник
Все знают что такое электричество, которое существует благодаря существованию мельчайших частиц Электронов, благодаря которым в свою очередь работает вся электронная техника. А какое самое удивительное свойство имеют электроны? Это мельчайшая элементарная частица, входящая в состав атома и обладающая электрическим зарядом. Электроны составляют оболочку ядра атома и притягиваются к ядру, состоящему из протонов и нейтронов. Принято считать, что притягиваются разноимённые заряды, а одноимённые отталкиваются, поэтому электрон условно называют отрицательно заряженным, протон — положительно. Способность свободных, не связанных с ядрами электронов перемещаться по проводнику, и порождает такое удивительное явление, как электрический ток, без которого трудно себе представить современную жизнь. система выбрала этот ответ лучшим Электрон это теоретическая модель придуманная физиками-химиками чтобы оправдать свой корпускулярный тип мировосприятия. Самое удивительное в этой модели это дуальность поведения так называемого “электрона”, т.е. у физиков не получилось остаться в мире частиц и пришлось дополнить модель волновыми свойствами и всякими вероятностными чудесами. Меня конечно всегда поражало, как эта нелогичная модель, бешено вращаясь вокруг ядра, медленно ползет по проводнику. И как она не заканчивается в том месте откуда “выползла”. В возбужденное состояние, наверное, переходит все-таки не сам электрон, а атом или молекула (это по поводу ответа Tayres). Конечно, скачкообразное изменение энергии электрона с поглощением или испусканием кванта – свойство удивительное. А еще удивительное свойство у электрона – это спин, которое совершенно невозможно представить себе. Хотя иногда пишут, что электрон “вращается вокруг оси”, но это неверно, да и никакой оси у электрона нет. Электро́н — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Удивительная способность это, вероятно, способность электрона переходить в возбужденное состояние. Или менять электронный уровень, выделяя при этом энергию. Знаете ответ? |
Источник
|
Макеты страниц
Микрочастицами называют элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и другие простые частицы), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (молекулы, атомы, ядра атомов и т. п.).
Термин «микрочастица» отражает только одну сторону объекта, к которому он применяется. Всякий микрообъект (молекула, атом, электрон, фотон и т. д.) представляет собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства и частицы, и волны. Может быть, правильнее было бы называть его «частицей-волной».
Микрообъект не способен воздействовать непосредственно на наши органы чувств — ни видеть, ни осязать его нельзя. Ничего подобного микрообъектам в воспринимаемом нами мире не существует. Микротела «не похожи ни на что из того, что вам хоть когда-нибудь приходилось видеть».
«Раз поведение атомов так непохоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному физику — всем оно кажется своеобразным и туманным. Даже большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы, и это совершенно естественно, потому что весь непосредственный опыт человека, вся его интуиция — все прилагается к крупным телам.
Мы знаем, что будет с большим пред метом; но именно так мельчайшие тельца не поступают. Поэтому, изучая их, приходится прибегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и не пытаться связывать их с нашим непосредственным опытом».
В доквантовой физике «понять» означало составить себе наглядный образ объекта или процесса. Квантовую физику нельзя понять в таком смысле слова. Всякая наглядная модель неизбежно будет действовать по классическим законам и поэтому непригодна для представления квантовых процессов. Поэтому самое правильное, Что можно сделать, — это отказаться от попыток строить наглядные модели поведения квантовых объектов. Отсутствие наглядности поначалу может вызвать чувство неудовлетворенности, но со временем это чувство проходит, и все становится на свои места.
Сочетая в себе свойства частицы и волны, микротела «не ведут себя ни как волны, ни как частицы…». Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое. Никто никогда не наблюдал, например, полэлектрона. В то же время волну можно разделить на части (например, направив световую волну на полупрозрачное зеркало) и воспринимать затем каждую часть в отдельности. Отличие микрочастицы от привычной нам макрочастицы заключается в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, вследствие чего понятие траектории применительно к микрочастице утрачивает смысл.
Своеобразие свойств микрочастиц отчетливее всего обнаруживается в следующем мысленном эксперименте. Направим на преграду с двумя узкими щелями параллельный пучок моноэнергетических (т. е. обладающих одинаковой кинетической энергией) электронов (рис. 19.1). За преградой поставим фотопластинку . Вначале закроем вторую щель и произведем экспонирование в течение времени т. Почернение на обработанной фотопластинке будет характеризоваться кривой 1 на рис. 19.1,б. Вторую фотопластинку подвергнем экспозиции в течение того же времени , закрыв первую щель. Характер почернения передается в этом случае кривой 2 на рис. 19.1,б. Наконец, откроем обе щели и подвергнем экспонированию в течение времени третью пластинку.
Картина почернения, получающаяся в последнем случае, изображена на рис. 19.1 в. Эта картина отнюдь не эквивалентна наложению первых двух картин. Она оказывается аналогичной картине, получающейся при интерференции двух когерентных световых волн. Характер картины свидетельствует о том, что на движение каждого электрона оказывают влияние оба отверстия. Такой вывод несовместим с представлением о траекториях. Если бы электрон в каждый момент времени находился в определенной точке пространства и двигался по траектории, он проходил бы через определенное отверстие — первое или второе.
Рис. 19.1.
Явление же дифракции доказывает, что в прохождении каждого электрона участвуют оба отверстия — и первое, и второе.
Не следует, однако, представлять дело так, что какая-то часть электрона проходит через одно отверстие, а другая часть — через второе. Мы уже отмечали, что электрон, как и другие микрочастицы, всегда обнаруживается как целое, с присущей ему массой, зарядом и другими характерными для него величинами. Таким образом, электрон, протон, атомное ядро представляют собой частицы с весьма своеобразными свойствами. Обычный шарик, даже и очень малых размеров (макроскопическая частица), не может служить прообразом микрочастицы. С уменьшением размеров начинают проявляться качественно новые свойства, не обнаруживающиеся у макрочастиц.
В ряде случаев утверждение об отсутствии траекторий у микрочастиц, казалось бы, противоречит опытным фактам. Так, например, в камере Вильсона путь, по которому движется микрочастица, обнаруживается в виде узких следов (треков), образованных капельками тумана; движение электронов в электроннолучевой трубке превосходно рассчитывается по классическим законам, и т. п. Это кажущееся противоречие объясняется тем, что при известных условиях понятие траектории оказывается применимым к микрочастицам, но только с некоторой степенью точности.
Положение оказывается точно таким, как и в оптике. Если размеры преград или отверстий велики по сравнению с длиной волны, распространение света происходит как бы вдоль определенных лучей (траекторий). При определенных условиях понятие траектории оказывается приближенно применимым к движению микрочастиц, подобно тому как оказывается справедливым закон прямолинейного распространения света.
Источник