Mit tartalmaz az elektron? Egy elektron tömege és töltése

Az elektron egy alapvető részecske, egyike azoknak,hogy ők az anyag szerkezeti egységei. Az osztályozás szerint ez egy fermion (egy halfinteriás spin, az E. Fermi fizikus neve) és egy lepton (olyan részecskék, amelyeknek félig egész spinja van, amelyek nem vesznek részt erős kölcsönhatásban, a fizikai négy alapelem egyikének). Az elektron baryon-száma egyenlő nullával, valamint más leptonokkal.

A közelmúltig azt hitték, hogy az elektron-elemi, azaz oszthatatlan, részleges struktúra, de a tudósok most más véleményt alkotnak. Mit csinál az elektron a modern fizikusokból?

Cím története

Még az ókori Görögországban is, a naturalista észrevette,hogy a borostyán, korábban dörzsölve a hajat, magához vonzza a kis tárgyakat, azaz elektromágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Nevét a görög ἤλεκτρον elektronja fogadta, ami "borostyánsárga". A kifejezést J. Stone javasolta 1894-ben, bár maga a részecskét J. Thompson 1897-ben fedezte fel. Nehézség észlelése, ennek oka egy kis tömeg, és az elektron töltése a meghatározó tapasztalat megtapasztalása volt. A részecske első képeit Charles Wilson készítette el egy speciális kamerával, amelyet még a modern kísérletekben is használnak, és az ő tiszteletére nevezték el.

Érdekes megjegyezni, hogy az egyik előfeltétele aAz elektron felfedezése Benjamin Franklin mondása. 1749-ben olyan hipotézist dolgozott ki, hogy a villamos energia anyagi anyag. Műveiben először használtak olyan kifejezéseket, mint a pozitív és negatív töltetek, a kondenzátor, a kisülés, az akkumulátor és a villamos energia részecske. Az elektron fajlagos töltése negatívnak tekinthető, és a proton feltételezhetően pozitív.

Az elektron felfedezése

1846-ban a "villamos atom" fogalma válta német fizikus Wilhelm Weber műveiben használja. Michael Faraday felfedezte az "ion" kifejezést, amelyet talán még mindig tudnak az iskolapadról. Számos kiemelkedő tudós, köztük a német fizikus és matematikus Julius Plukker, Jean Perrin, az angol fizikus, William Crookes, Ernst Rutherford és mások is részt vettek a villamos energia természetében.

Így, mielőtt Joseph Thompson sikeres lett volnabefejezte híres élményét, és bizonyította egy kisebb részecske létezését, mint egy atomot, sok tudós dolgozik ebben a szférában, és lehetetlen megnyitni, nem ezt a hatalmas munkát.

1906-ban Joseph Thompson megkapta a Nobel-díjatdíjat. Tapasztalat a következő volt: a párhuzamos fémlemezek a villamos mező, katódsugár gerendák vezetünk. Aztán volna ugyanúgy, de egy tekercs rendszert hozzon létre egy mágneses mezőt. Thompson találtuk, hogy ha egy elektromos erőtér gerendák, és ugyanez figyelhető meg mágneses hatással, azonban gerendák katódsugárcső pályája nem változott, ha jártak el mindkét mezőt bizonyos arányban, amelyek függnek a részecskék sebességét.

Számítások után, Thompson megtudta, hogy ezek gyorsaságaa szemcsék sokkal kisebbek a fénysebességnél, és ez azt jelentette, hogy tömegük van. Ettől a pillanattól kezdve a fizikusok elkezdték hinni, hogy az anyag nyitott részecskéi az atom részét képezik, amit ezt követően Rutherford kísérletei is megerősítettek. Ezt az atom "bolygó modelljének" nevezte.

A kvantum világának paradoxái

A kérdés, hogy mi az elektron,meglehetősen összetett, legalábbis a tudomány fejlődésének ebben a szakaszában. Mielőtt ezt megfontolnánk, meg kell fordulnunk a kvantumfizika egyik paradoxonának, amelyet még a tudósok sem tudnak megmagyarázni. Ez egy híres kísérlet két résszel, amely megmagyarázza az elektron kettős természetét.

Lényege, hogy a "pisztoly" felvétel előttrészecskék, a keret egy függőleges négyszögletes lyuk van telepítve. Mögötte van egy fal, amelyen a találatok nyomai lesznek megfigyelhetők. Tehát először meg kell értenünk, hogy az anyag hogyan viselkedik. A legegyszerűbb módja annak, hogy el tudja képzelni, hogyan indítja el a teniszlabdákat a gép. Néhány golyó a lyukba esik, és a falon lévő találatok nyomait egy függőleges szalaghoz adják. Ha egy bizonyos távolságban egy másik lyuk egy részét hozzáadja, a sávok két sávot alkotnak.

A hullámok ebben a helyzetben másképp viselkednek. Ha a falon egy hullám ütközésének jelei vannak, akkor egy lyuk esetén a szalag is egy lesz. Azonban mindent két rés esetében megváltozik. A lyukakon áthaladó hullám félig van felosztva. Ha az egyik hullám teteje találkozik a másik alsó részével, egymásba oltják, és a falon egy interferencia mintázat jelenik meg (több függőleges sáv). A hullámok kereszteződésében lévő helyek nyomot hagynak, és nincsenek olyan helyek, ahol kölcsönös oltás történt.

Csodálatos felfedezés

A fenti kísérlet segítségével tudósokvizuálisan bemutathatja a világnak a különbséget a kvantum és a klasszikus fizika között. Amikor elkezdték bombázni a falat elektronokkal, normális függőleges nyomot mutatott: egyes részecskék, mint a teniszlabda, beleesettek a résbe, és néhányan nem. De minden megváltozott, amikor a második lyuk megjelent. A falon interferencia-minta jelent meg! Először a fizikusok úgy döntöttek, hogy az elektronok zavarják egymást, és úgy döntöttek, hogy egyszerre kihagyják őket. Néhány óra múlva azonban a mozgó elektronok sebessége még mindig jóval alacsonyabb, mint a fénysebesség.

Váratlan fordulat

Egy elektron, néhány más részecskével együtt,mint például a fotonok, hullám-részecske dualitást mutat (a "kvantum-hullám dualizmus" kifejezést is). Schrödinger macskájához hasonlóan, amely mind életben, mind halott, egy elektronállapot lehet mind a korpuszkuláris, mind a hullámos.

Azonban a kísérlet következő lépése születettmég több titok: egy alapvető részecske, amelyről mindenről úgy tűnt, hogy ismert, hihetetlen meglepetést mutatott. A fizikusok úgy döntöttek, hogy egy megfigyelő eszközt telepítenek a lyukakba annak érdekében, hogy meg lehessen határozni, hogy a részecskék hogyan haladnak át, és hogyan jelennek meg, mint hullámok. De mihelyt a megfigyelési mechanizmust behelyeztük, csak két csík jelenik meg a falon, amely két lyuknak felel meg, és nincs interferencia-minta! Amint az "árnyékolást" eltávolították, a részecskék újra megmutatták a hullám tulajdonságait, mintha tudná, hogy senki sem figyeli.

Egy másik elmélet

A fizikus Born azt javasolta, hogy a részecske nemvalódi értelemben a hullámgá válik. Az elektron "tartalmazza" a valószínűségi hullámot, ez adja az interferencia mintát. Ezek a részecskék szuperpozícióval rendelkeznek, vagyis lehetnek bárhol egy bizonyos valószínűséggel, ezért egy ilyen "hullám" kísérheti őket.

Mindazonáltal az eredmény nyilvánvaló: a megfigyelő ténye befolyásolja a kísérlet eredményét. Hihetetlennek tűnik, de ez nem az egyetlen példa erre. A fizikusok kísérleteket végeztek az anyag nagyobb részein, miután a tárgy a legvékonyabb alumíniumfólia volt. A tudósok megjegyezték, hogy bizonyos mérések puszta ténye befolyásolja a tárgy hőmérsékletét. Ezeknek a jelenségeknek a természete még mindig nem magyarázható meg.

struktúra

De mit tartalmaz egy elektron? Jelenleg a modern tudomány nem válaszol erre a kérdésre. Egészen a közelmúltig az elválaszthatatlan részecske volt, de a tudósok hajlamosak azt hinni, hogy még kisebb szerkezetekből áll.

A specifikus elektrontöltetet is elemi elemnek tekintették, de most a részleges töltéssel rendelkező kvarkok nyitottak. Számos elmélet létezik arról, hogy mi alkot elektron.

Ma olyan cikkeket láthatsz, amelyek azt állítják, hogy a tudósok sikerült megosztaniuk az elektront. Ez azonban csak részben igaz.

Új kísérletek

Szovjet tudósok a nyolcvanas évekbena múlt században feltételezték, hogy egy elektron három kvázi-részecskére osztható. 1996-ban spinonra és holonra oszthatták, és a közelmúltban a fizikus Van den Brink és csapata a részecskéket spinonra és orbitonra osztotta. A hasadás azonban csak különleges körülmények között érhető el. A kísérlet rendkívül alacsony hőmérsékleti körülmények között történhet.

Ha az elektronok "lehűlnek" az abszolút nulla értékre, ésez körülbelül -275 Celsius fok, szinte megáll, és forma között egyfajta anyag, ha egyesülnek egyetlen részecske. Ilyen körülmények között a fizikusok képesek megfigyelni a kvázi-részecskéket, amelyekből az elektron "áll".

Információhordozók

Az elektron sugara nagyon kicsi, egyenlő a 2,81794 értékkel^.10^-13lásd azonban, hogy annak összetevői vannaksokkal kisebb méretű. Mindhárom olyan rész, amelybe "elektróda" osztva volt, információt hordoz róla. Az Orbiton, amint azt a név is jelzi, tartalmaz adatokat egy részecske orbitális hullámáról. A spinon felelős az elektron centrifugálásától, és a holon megmondja a töltésről. Így a fizikusok külön-külön megfigyelhetik az elektronok különböző állapotát egy nagyon hűtött anyagban. Követték a "holon-spinon" és a "spinon-orbiton" párokat, de nem az egészet együtt.

Új technológiák

A fizikusok, akik felfedezték az elektront, várniuk kelletttöbb évtizedig, amíg felfedezésüket a gyakorlatba helyezték. Napjainkban a technológiák csak néhány éven belül használatosak, elegendő a grafén visszahívására - ez egy csodálatos anyag, amely egy rétegből álló szénatomokból áll. Mi lesz hasznos az elektron felosztásához? A tudósok megjósolják egy kvantum számítógép létrehozását, amelynek sebessége több ezerszor több, mint a legerősebb modern számítógépeké.

Mi a kvantum-számítógépes technológia titka? Ezt egyszerû optimalizálásnak nevezhetjük. Egy ismerős számítógépen a minimális, elválaszthatatlan információ egy kicsit. És ha az adatokat vizuálisan tekintjük, akkor a gépnek csak két lehetősége van. Egy kicsit nulla vagy egy, vagyis bináris kód részeit tartalmazhatja.

Új módszer

Most képzeljük el, hogy a bit tartalmazzamind nulla, mind pedig egy "kvantum bit" vagy "könyök". Az egyszerű változók szerepe az elektron centrifugálását játssza le (akár az óramutató járásával megegyező irányban, akár ellen). Az egyszerű bitektől eltérően egy könyök egyidejűleg több funkciót is elvégezhet, amelyek miatt a működési sebesség növekedése bekövetkezik, itt nem számít az elektron kis tömege és töltése.

Ez egy labirintus példával magyarázható. Ha kijutni akarsz, sok különböző lehetőséget meg kell próbálnod, amelyek közül csak az egyik helyes. A hagyományos számítógép gyorsan megoldja a problémákat, ugyanakkor csak egyetlen probléma megoldására képes. Egyenként megy keresztül az összes ösvényen, és végül megtalálja a kiutat. A kvantumszámítógép a Qubit dualitásának köszönhetően sok problémát egyszerre megoldhat. Az összes lehetséges opciót nem viszont, hanem egyetlen pillanatban felül fogja vizsgálni, és ő is megoldja a problémát. A nehézség eddig csak abban áll, hogy sok kvantumot dolgozni egy feladaton - ez lesz az új generációs számítógép alapja.

kérelem

A legtöbb ember számítógépet használháztartási szinten. Bár a hagyományos PC-k nagyszerű munkát végeznek ezzel a módszerrel, annak érdekében, hogy előrejelezzék az eseményeket több ezer, vagy akár több százezer változótól függően, a gépnek óriásinak kell lennie. A kvantumkomputer könnyen megbirkózhat olyan dolgokkal, mint az időjárás-előrejelzés egy hónapra, a természeti katasztrófákra és előrejelzésekre vonatkozó adatok feldolgozása, valamint a komplex matematikai számítások elvégzése sok változóval egy másodperc törtrészében, és mindez egy több atom processzorral. Tehát talán hamarosan a legerősebb számítógépeink olyan vastagok lesznek, mint egy papírlap.

Az egészség megőrzése

A kvantum számítógépes technológia hatalmas leszhozzájárulás a gyógyszerhez. Az emberiség képes lesz arra, hogy nagy potenciállal rendelkező nanotechnikákat hozzon létre, segítséget nyújtva nemcsak a betegségek diagnosztizálásához, hanem az egész testet belülről is szemügyre veheti, hanem műtét nélkül is orvosi ellátásban részesülhet: a kiváló számítógépes agyi robotok képesek minden műveletet végrehajtani.

A forradalom a számítógépes játékok területén elkerülhetetlen. Hatékony gépek, amelyek képesek azonnal megoldani a problémákat, képesek lesznek játszani a hihetetlenül realisztikus grafikákkal, és a teljes merítéssel rendelkező számítógépes világok nem messze vannak.