Из чего состоит электрон, Как "выглядит" Электрон | Пикабу
Одним из самых универсальных свойств материи является ее способность отражаться в нашем сознании. Теперь мы знаем, что такое «паспорт» атома химического элемента. Но добрая половина экспериментов, которые сейчас проводятся на коллайдере в ЦЕРН, зациклена на поиске частиц, обладающих суперсимметрией , или иной экзотики.
Волновой пакет , представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний , всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими — например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние.
Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц — фермион-антифермионных пар см.
Поляризация вакуума и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов , которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны , которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе.
Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в х и х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков. Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки.
Для них вместе с калибровочными бозонами применяется термин « фундаментальные частицы». В активно разрабатываемой примерно с середины х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».
Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны фотон , глюоны , W - и Z -бозоны , которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в году бозон Хиггса , отвечающий за наличие инертной массы у частиц.
Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров массы частиц и т.
Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон частица, гипотетически переносящая гравитационные силы или суперсимметричные партнёры обычных частиц.
Всего модель описывает 61 частицу [5]. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны , три из которых являются нейтрино , а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон , мюон и тау-лептон. Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии , выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц — преонов.
По мнению большинства физиков, существуют неизвестные доселе типы частиц, из которых состоит тёмная материя [6]. Что означает «элементарная частица»? Здесь r - расстояние между телами, G - гравитационная постоянная, равная 6, Это выражение называют законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщий характер. Сила F N определяет движение галактик, небесных тел и падение предметов на Землю.
Закон всемирного тяготения справедлив при любом расстоянии между телами.
Изменения в картину гравитации, которые внесла общая теория относительности Эйнштейна , мы упоминать не будем. Это позволяет сравнить действие обеих сил на любом расстоянии между телами.
Поэтому гравитация сколько-нибудь существенной роли в строении атома не играет: она слишком мала по сравнению с электростатической силой. Обнаружить электрические заряды и измерить взаимодействие между ними не представляет труда. Если электрическая сила так велика, то почему она не важна, когда, скажем, падают, прыгают, бросают мяч? Потому что в большинстве случаев мы имеем дело с нейтральными незаряженными телами.
В пространстве всегда очень много заряженных частиц электронов, ионов разного знака. Под воздействием огромной по атомным масштабам притягивающей электрической силы, созданной заряженным телом, заряженные частицы устремляются к ее источнику, прилипают к телу и нейтрализуют его заряд.
Об атомных и еще более мелких, субатомных, частицах очень трудно рассказывать главным образом потому, что их свойствам никаких аналогов в нашей повседневной жизни нет. Можно подумать, что частицы, из которых состоят такие маленькие атомы, удобно представлять себе в виде материальных точек. Но все оказалось гораздо сложнее.
Наверное, когда думаешь о волне, то прежде всего представляешь себе волнующуюся морскую поверхность. Волны на берег приходят из открытого моря, длины волн - расстояния между двумя последовательными гребнями - могут быть разными. Легко наблюдать волны, имеющие длину порядка нескольких метров. При волнении, очевидно, колеблется масса воды. Волна охватывает значитель ное пространство. Волна периодичнa во времени и в пространстве. Периодичность волнового движения во времени видна в повторяемости прихода гребней волн к берегу, а можно ее обнаружить, например, по колебанию поплавка вверх-вниз.
Обозначим период волнового движения - время, за которое проходит одна волна, - буквой Т. Самые простые волны гармонические имеют определенную частоту, которая не меняется во времени. Любое сложное волновое движение может быть представлено в виде совокупности простых волн см. Строго говоря, простая волна занимает бесконечное пространство и существует бесконечно долго. Частица, как мы ее себе представляем, и волна абсолютно не похожи.
Со времен Ньютона шел спор о природе света. Что есть свет - совокупность частиц корпускул, от латинского corpusculum - тельце или волн?
Теории долго конкурировали. Волновая теория победила: корпускулярная теория не могла объяснить экспериментальные факты интерференцию и дифракцию света. С прямолинейным распространением светового луча волновая теория легко справилась. Немаловажную роль сыграло то, что длина световых волн по житейским понятиям очень мала: диапазон длин волн видимого света от до нанометров.
Более короткие электромагнитные волны - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, а более длинные - инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые и все остальные радиоволны. К концу XIX века победа волновой теории света над корпускулярной казалась окончательной и бесповоротной.
Однако ХХ век внес серьезные коррективы. Казалось, что свет или волны, или частицы. Оказалось - и волны и частицы. Для частиц света, для его квантов, как принято говорить, было придумано специальное слово - "фотон". Слово "квант" происходит от латинского слова quantum - сколько, а "фотон" - от греческого слова photos - свет.
Слова, обозначающие название частиц, в большинстве случаев имеют окончание он. Как ни удивительно, в одних экспериментах свет ведет себя как волны, а в других - как поток частиц. Постепенно удалось построить теорию, предсказывающую, как, в каком эксперименте будет вести себя свет.
В настоящее время эта теория всеми принята, разное поведение света уже не вызывает удивления. Первые шаги всегда особенно трудны. Приходилось идти против устоявшегося в науке мнения, высказывать утверждения, кажущиеся ересью. Настоящие ученые искренне верят в ту теорию, которую они используют для описания наблюдаемых явлений.
Отказаться от принятой теории очень трудно. Первые шаги сделали Макс Планк и Альберт Эйнштейн Согласно Планку - Эйнштейну, именно отдельными порциями, квантами, свет излучается и поглощается веществом. Коэффициент пропорциональности h назвали постоянной Планка в честь немецкого физика, который ввел ее в теорию излучения в году. И уже в первой трети XX века стало понятно, что постоянная Планка - одна из важнейших мировых констант.
Квант света - это много или мало? Частота видимого света порядка 10 14 с За счет этой энергии можно поднять на высоту 1 сантиметр массу в 10 грамма. По человеческим масштабам чудовищно мало.
Но это масса 10 14 электронов. В микромире совсем другие масштабы! Конечно, человек не может ощутить массу в 10 грамма, но глаз человека столь чувствителен, что может увидеть отдельные кванты света - в этом убедились, произведя ряд тонких экспериментов. В обычных условиях человек не различает "зернистости" света, воспринимая его как непрерывный поток.
Зная, что свет имеет одновременно и корпускулярную и волновую природу, легче представить себе, что и "настоящие" частицы обладают волновыми свойствами. Впервые такую еретическую мысль высказал Луи де Бройль Он не пытался выяснить, какова природа волны, характеристики которой предсказал. Дальнейшее развитие атомной физики привело к пониманию природы волн, описывающих движение атомных и субатомных частиц. Возникла наука, получившая название "квантовая механика" в первые годы ее чаще называли волновой механикой.
Квантовая механика применима к движению микроскопических частиц. При рассмотрении движения обычных тел например, любых деталей механизмов нет никакoго смысла учитывать квантовые поправки поправки, обязанные волновым свойствам материи.
Одно из проявлений волнового движения частиц - отсутствие у них траектории. Для существования траектории необходимо, чтобы в каждый момент времени частица имела определенную координату и определенную скорость.
Но именно это и запрещено квантовой механикой: чстица не может иметь одновременно и определенное значение координаты х , и определенное значение скорости v. Постоянную Планка часто называют универсальным квантом "действия".
Не уточняя термин действие , обратим внимание на эпитет универсальный. Он подчеркивает, что соотношение неопределенности справедливо всегда. Зная условия движения и массу частицы, можно оценить, когда нужно учитывать квантовые законы движения другими словами, когда нельзя пренебречь волновыми свойствами частиц и их следствием - соотношениями неопределенности , а когда вполне можно пользоваться классическими законами движения.
Подчеркнем: если можно, то и нужно, так как классическая механика существенно проще квантовой. Чем масса больше, тем роль квантовых законов меньше. Чтобы почувствовать, когда пренебречь квантовыми свойствами заведомо можно, постараемся оценить величины неопределенностей D х и D v.
Если D х и D v пренебрежимо малы по сравнению с их средними классическими значениями, формулы классической механики прекрасно описывают движение, если не малы, необходимо использовать квантовую механику.
Нет смысла учитывать квантовую неопределенность и тогда, когда другие причины в рамках классической механики приводят к большей неопределенности, чем соотношение Гейзенберга. Рассмотрим один пример. Помня, что мы хотим показать возможность пользоваться классической механикой, рассмотрим "частицу", масса которой 1 грамм, а размер 0,1 миллиметра. По человеческим масштабам это - крупинка, легкая, маленькая частица.
Но она в 10 24 раз тяжелее протона и в миллион раз больше атома! Пусть "наша" крупинка движется в сосуде, наполненном водородом. Если крупинка летит достаточно быстро, нам кажется, что она движется по прямой с определенной скоростью. Это впечатление ошибочно: из-за ударов молекул водорода по крупинке ее скорость при каждом ударе чуть изменяется.
Оценим, на сколько именно. Изменение скорости крупинки можно подсчитать, воспользовавшись законом сохранения количества движения. Изменение происходит совершенно случайно и в случайном направлении. Местоположение крупинки определить с точностью большей, чем 0,1 ее размера, по-видимому, очень трудно. Казалось бы, очень маленькая величина. Во всяком случае, неопределенности скорости и координаты так малы, что можно рассматривать среднее движение крупинки.
Вывод: рассматривая движение крупинки, учитывать ее волновые свойства, то есть существование квантовой неопределенности координаты и скорости, не нужно. Вот когда речь идет о движении атомных и субатомных частиц, ситуация резко меняется.
Продолжение следует. Другие статьи из рубрики «Об основах наук». Читайте в номере. Факт дня Червяги кормят детёнышей «молоком». Адрес: г. При этом их размеры «вдоль оси» приблизительно равны диаметру сферического «облака», а вместе они образуют сложную эквипотенциальную поверхность ограничивающую область с «равной плотностью вероятность». Не сложно догадаться, что таких поверхностей может быть три, четыре, пять и больше, но для стабильных атомов все заканчивается на седьмой поверхности, при этом каждая последующая поверхность условно, примерно в два раза больше предыдущий.
Следуя такой логики стоило бы ожидать что размеры «тяжелых» атомов должны быть очень большими, а сами они как следствие очень «легкими», но учитывая что каждый протон в «ядре» «сжимает» электронные «облака», размеры атомов только уменьшаются, а их плотность как следствие растет. Вернемся теперь к Мюону, как несложно догадаться уже для атома с номером 8, то есть для Бериллия, «облако вероятности» Мюона на самой «первой» «нижней» оболочки, будет равно «облаку вероятности» «ядра», и эксперименты показывают, что так оно в действительности и есть, то есть, следуя «классическому» определению, Мюон «вращается» вокруг «ядра» атома «внутри» самого «ядра».
Для элемента с номером 10, то есть благородного газа Неона, замена всех электронов на мюоны привела бы к тому что мюонные «облака» были бы меньше «ядра» атома и получилось бы что «ядро» снаружи, а мюонные «оболочки» «внутри». Такое состояние может практически полностью «отключить» «кулоновский барьер» и позволить двум атомам беспрепятственно сблизиться на расстояния действия «сильного» взаимодействия, то есть осуществить акт «слияния».
На последок хотелось бы еще раз вернуться к посту про гелиевое топливо "Экзотическое" химическое топливо для ракет , механизм аккумуляции энергии которого теперь можно объяснить гораздо проще на основании выше изложенного. Таким образом и получается «подвесить» электрон с запасенной в нем энергией над «атомным ядром», упасть в них ему мешает общий с «нижним» электроном спин.
Запрещено: - Оскорблять участников сообщества, а так же пользователей Пикабу. Насколько я поняла, электрон не имеет определённого местоположения и "орбиты", он "появляется" в некоторой области.
Или есть некоторая область, где он может появиться. Или проявляется? Проявляет своё влияние. Его электрон кто-нибудь вообще видел? Или было замечено только его влияние? Какова вероятность того, что его электрона не существует вообще как частицы? Какова вероятность того, что его электрона не существует между "появлениями"? Вы всё верно описали, но для большинства людей, имхо, это выглядит как "тарабарщина", "ничего не понятно" и "херня какая-то". И чем глубже начинаешь объяснять - тем меньше понимания и интереса.
Моей первой реакцией было: совершенно несложно понять и абсолютно несложно догадаться. А мы все тут такие! Привет, единомышленники! ТС, алло, на дворе 21 век, а ты мыслишь терминами "облако" из недоквантовой физики химии и чуток из квантовой механики, которому уже лет!
