Τι είναι το ηλεκτρόνιο; Η μάζα και το φορτίο του ηλεκτρονίου

Electron - ένα θεμελιώδες σωματίδιο, ένας από εκείνους που είναι οι δομικές μονάδες της ύλης. Σύμφωνα με την ταξινόμηση είναι ένα φερμιόνιο (σωματίδιο με μισό-αναπόσπαστο σπιν, που ονομάζεται μετά φυσικός Enrico Fermi) και λεπτόνια (σωματίδια με ημιακέραιο σπιν, δεν συμμετέχουν στην ισχυρή αλληλεπίδραση, μία από τις τέσσερις μεγάλες στη φυσική). αριθμός βαρυονικό του ηλεκτρονίου είναι μηδέν, καθώς και άλλα λεπτόνια.

Μέχρι πρόσφατα πιστευόταν ότι το ηλεκτρόνιο - ένα στοιχειώδες, που είναι αδιαίρετη, η οποία δεν έχει καμία δομή ενός σωματιδίου, αλλά οι επιστήμονες έχουν μια διαφορετική άποψη σήμερα. Τι είναι το ηλεκτρόνιο στην παρουσίαση της σύγχρονης φυσικής;

Η ιστορία του ονόματος

Ακόμη και στην αρχαία Ελλάδα φυσιοδίφες παρατηρήσει ότι κεχριμπάρι, προ-τρίβονται με γούνα, προσελκύει μικρά αντικείμενα, δηλαδή παρουσιάζει ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες. Το όνομα του ηλεκτρονίου που έλαβε από την ελληνική ἤλεκτρον, που σημαίνει «πορτοκαλί». Ο όρος πρότεινε ο Γιώργος. Stoney το 1894, αν το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε από τον Ι .. Thompson το 1897. Ήταν δύσκολο να βρεθεί η αιτία για αυτό είναι η μικρή μάζα και το φορτίο του ηλεκτρονίου έγινε για να βρείτε μια καθοριστική εμπειρία. Οι πρώτες εικόνες των σωματιδίων ήταν ο Charles Wilson με μια ειδική κάμερα, η οποία χρησιμοποιείται ακόμα και στη σύγχρονη πειράματα και ονομάστηκε προς τιμήν του.

Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι μία από τις προϋποθέσεις για το άνοιγμα ενός ηλεκτρονίου είναι μια ρήση του Benjamin Franklin. Το 1749 ανέπτυξε την υπόθεση ότι η ηλεκτρική ενέργεια - μια υλική υπόσταση. Είναι στα έργα του άρχισαν να χρησιμοποιούνται όροι όπως θετικά και αρνητικά φορτία, απαλλαγή πυκνωτή, μπαταριών και ηλεκτρικών σωματιδίων. Το συγκεκριμένο φορτίο του ηλεκτρονίου θεωρείται ότι είναι αρνητική, και το πρωτόνιο - θετική.

Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου

Το 1846, η έννοια της «άτομο ηλεκτρικής ενέργειας» χρησιμοποιήθηκε στα έργα του, ο Γερμανός φυσικός Wilhelm Weber. Maykl Faradey ανακάλυψε τον όρο «ιόντων», το οποίο είναι σήμερα, ίσως, γνωρίζετε τα πάντα ακόμα στο σχολείο. Το ζήτημα της φύσης της ηλεκτρικής ενέργειας που εμπλέκονται πολλοί επιφανείς λόγιοι όπως ο Γερμανός φυσικός και μαθηματικός Julius Plucker, Zhan Perren, το αγγλικό φυσικός Uilyam Kruks, Ernest Rutherford και άλλα.

Έτσι, πριν από Joseph Thompson ολοκληρώθηκε με επιτυχία περίφημο πείραμά του και να αποδείξει την ύπαρξη ενός σωματιδίου μικρότερο από ένα άτομο, στην εργασία πεδίου πολλών επιστημόνων και την ανακάλυψη θα ήταν αδύνατο, δεν έχουν κάνει αυτό το κολοσσιαίο έργο.

Το 1906, Dzhozef Τόμπσον έλαβε το βραβείο Νόμπελ. Εμπειρία ήταν ως εξής: μέσω των παράλληλων μεταλλικών πλακών του ηλεκτρικού πεδίου, διήλθαν δοκών καθοδικών ακτίνων. Στη συνέχεια, θα γίνει με τον ίδιο τρόπο, αλλά σε ένα σύστημα πηνίο για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο. Thompson βρεθεί ότι όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο εκτρέπεται δοκών, και το ίδιο παρατηρείται με μαγνητική δράση, ωστόσο δοκοί καθοδικών ακτίνων τροχιά δεν αλλάξει εάν ενεργούσαν οι δύο από αυτούς τους τομείς σε ορισμένες αναλογίες, τα οποία εξαρτώνται από την ταχύτητα των σωματιδίων.

Μετά τους υπολογισμούς Thompson έμαθε ότι η ταχύτητα αυτών των σωματιδίων είναι σημαντικά χαμηλότερη από την ταχύτητα του φωτός, και αυτό σήμαινε ότι έχουν μάζα. Από αυτό το σημείο της φυσικής έχουν έρθει για να πιστεύουν ότι η ανοικτή σωματίδιο ύλης που περιλαμβάνεται στα άτομα που επιβεβαιώθηκε στη συνέχεια από τον Rutherford. Ο ίδιος αποκάλεσε «ένα πλανητικό μοντέλο του ατόμου.»

Παράδοξα του κβαντικού κόσμου

Το ερώτημα του τι συνιστά ένα ηλεκτρόνιο αρκετά πολύπλοκη, τουλάχιστον σε αυτό το στάδιο της ανάπτυξης της επιστήμης. Πριν από την εξέταση αυτή, θα πρέπει να επικοινωνήσετε με ένα από τα παράδοξα της κβαντικής φυσικής, που ακόμη και οι επιστήμονες δεν μπορούν να εξηγήσουν. Αυτό είναι το περίφημο πείραμα των δύο σχισμών, εξηγώντας τη διττή φύση του ηλεκτρονίου.

Η ουσία του είναι ότι πριν από το «πιστόλι», ψήσιμο σωματίδια, βάζουμε πλαίσιο με κάθετες ορθογώνιο άνοιγμα. Πίσω της είναι ένας τοίχος, στην οποία θα πρέπει να τηρούνται τα ίχνη των χτυπήματα. Έτσι, θα πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε πώς η ύλη συμπεριφέρεται. Ο ευκολότερος τρόπος για να δείτε πώς να ξεκινήσει τις μπάλες του τένις μηχανή. Μέρος του χάντρες πτώση μέσα στην τρύπα, και τα ίχνη των αποτελεσμάτων τοιχώματος σε προστίθεται σε μια ενιαία κατακόρυφη ζώνη. Αν σε μια ορισμένη απόσταση για να προσθέσετε ένα άλλο τα ίδια ίχνη τρύπα θα σχηματίσει, αντίστοιχα, δύο ζώνες.

Τα κύματα συμπεριφέρονται επίσης διαφορετικά σε μια τέτοια κατάσταση. Εάν ο τοίχος θα δείξει ίχνη σύγκρουσης με ένα κύμα, στην περίπτωση ενός συγκροτήματος ανοίγματος θα είναι επίσης ένα. Ωστόσο, τα πράγματα αλλάζουν στην περίπτωση των δύο σχισμές. Κύμα περνώντας μέσα από τις οπές, χωρίζεται στη μέση. Αν το ένα πάνω στο κύμα συναντά το κάτω μέρος του άλλου, που αλληλοαναιρούνται, και το σχέδιο παρέμβασης (πολλαπλές κάθετες ρίγες) θα εμφανιστεί στον τοίχο. Τοποθετήστε στη διασταύρωση των κυμάτων θα αφήσουν το στίγμα τους, και τους τόπους όπου υπήρχε αμοιβαία απόσβεση, όχι.

καταπληκτική ανακάλυψη

Με τη βοήθεια του παραπάνω πειράματος, οι επιστήμονες μπορούν να αποδείξουν σαφώς στον κόσμο τη διαφορά μεταξύ της κβαντικής και κλασικής φυσικής. Όταν ξεκίνησε να εκτοξεύει ηλεκτρόνια τοίχο, εμφανίζεται συνήθως σε μια κάθετη σήμανση πάνω του: μερικά σωματίδια ακριβώς όπως μια μπάλα του τένις έπεσε στο κενό, και μερικοί δεν το κάνουν. Αλλά ότι όλα άλλαξαν, όταν υπήρχε μια δεύτερη τρύπα. Στον τοίχο αποκάλυψε το σχέδιο παρέμβασης! Πρώτα Φυσική αποφάσισε ότι τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και αποφάσισε να τους αφήσει ένα προς ένα. Ωστόσο, μετά από μερικές ώρες (ταχύτητα των κινούμενων ηλεκτρονίων εξακολουθεί να είναι πολύ μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός) και πάλι άρχισαν να δείχνουν ένα πρότυπο παρεμβολών.

απρόσμενη τροπή

Ηλεκτρονικά, μαζί με ορισμένα άλλα σωματίδια όπως τα φωτόνια, παρουσιάζει μια δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου (επίσης χρησιμοποιεί τον όρο «quantum-κύμα δυϊσμός»). Όπως και η γάτα του Schrödinger ότι τόσο ζωντανή και νεκρή, η κατάσταση των ηλεκτρονίων μπορεί να είναι τόσο σωματιδιακή και το κύμα.

Ωστόσο, το επόμενο βήμα σε αυτό το πείραμα έχει δημιουργήσει ακόμα πιο μυστήρια: ένα θεμελιώδες σωματίδιο, το οποίο φαινόταν να ξέρει τα πάντα, παρουσίασε μια απίστευτη έκπληξη. Οι φυσικοί αποφασίσετε να εγκαταστήσετε σε τρύπες της συσκευής οριοθέτησης του πεδίου για να κλειδώσει, μέσω του οποίου σχισμή το σωματίδιο είναι, και πώς εκδηλώνονται ως κύματα. Αλλά από τη στιγμή που τέθηκε μηχανισμός παρακολούθησης στον τοίχο υπήρχαν μόνο δύο ζώνες που αντιστοιχούν σε δύο τρύπες, και όχι σχέδιο παρέμβασης! Από τη στιγμή που η «σκιά» καθαρίζονται, σωματιδίων άρχισαν και πάλι να δείξει τις ιδιότητες κυμάτων όπως και αν ήξερε ότι ήταν ήδη κανείς δεν παρακολουθεί.

Μια άλλη θεωρία

Φυσικός Born πρότεινε ότι το σωματίδιο δεν θα μετατραπεί σε ένα κύμα κυριολεκτικά. Elektron «περιέχει» ένα κύμα πιθανότητας, ότι δίνει ένα διαπλεκόμενο σχέδιο. Τα σωματίδια αυτά έχουν την ιδιότητα της υπέρθεσης, που σημαίνει ότι μπορεί να είναι οπουδήποτε σε μια ορισμένη πιθανότητα, και ως εκ τούτου μπορούν να συνοδεύονται από μια τέτοια «κύμα».

Παρ 'όλα αυτά, το αποτέλεσμα είναι προφανές: η απλή παρουσία του παρατηρητή επηρεάζει την έκβαση του πειράματος. Φαίνεται απίστευτο, αλλά δεν είναι το μοναδικό παράδειγμα αυτού του είδους. πειράματα φυσικής διεξήχθησαν σε ένα μεγάλο μέρος της μητέρας, μόλις το αντικείμενο του τμήματος ήταν το λεπτότερο φύλλο αλουμινίου. Οι επιστήμονες έχουν επισημάνει ότι το γεγονός και μόνον ότι ορισμένες μετρήσεις επηρεάζουν τη θερμοκρασία του αντικειμένου. Η φύση αυτών των φαινομένων που εξηγούν δεν είναι ακόμα σε ισχύ.

δομή

Αλλά αυτό που αποτελεί το ηλεκτρόνιο; Σε αυτό το σημείο, η σύγχρονη επιστήμη δεν μπορεί να απαντήσει αυτή την ερώτηση. Μέχρι πρόσφατα θεωρήθηκε αδιαίρετη θεμελιώδη σωματίδια, αλλά τώρα οι επιστήμονες έχουν την τάση να πιστεύουν ότι αποτελείται από ακόμη μικρότερες δομές.

Η ειδική φορτίο του ηλεκτρονίου θεωρείται επίσης ένα βασικό, αλλά είναι τώρα ανοικτή κουάρκ με κλασματική χρέωση. Υπάρχουν διάφορες θεωρίες ως προς το τι συνιστά ένα ηλεκτρόνιο.

Σήμερα μπορούμε να δούμε το άρθρο, το οποίο αναφέρει ότι οι επιστήμονες ήταν σε θέση να διαιρέσει το ηλεκτρόνιο. Ωστόσο, αυτό είναι μόνο εν μέρει αλήθεια.

νέα πειράματα

Σοβιετική επιστήμονες πίσω στη δεκαετία του ογδόντα του περασμένου αιώνα να υποθέσει ότι το ηλεκτρόνιο μπορεί να χωριστεί σε τρεις quasiparticles. Το 1996 κατάφερε να το διαιρέσει σε spinon και Holon, και πρόσφατα ο φυσικός Van den Brink και η ομάδα του ήταν χωρισμένη σε spinon σωματιδίων και orbiton. Ωστόσο, η διάσπαση είναι δυνατό να επιτευχθεί μόνο σε ειδικές περιστάσεις. Το πείραμα μπορεί να διεξαχθεί κάτω από συνθήκες εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.

Όταν τα ηλεκτρόνια είναι «cool» στο απόλυτο μηδέν, το οποίο είναι περίπου -275 βαθμούς Κελσίου, σχεδόν σταματήσει και να σχηματίζουν μεταξύ τους ένα είδος ύλης, εφόσον συγχωνεύονται σε ένα ενιαίο σωματίδιο. Υπό αυτές τις συνθήκες, και οι φυσικοί μπορούν να παρατηρήσουν quasiparticles, από τα οποία «είναι» ένα ηλεκτρόνιο.

πληροφορίες φορείς

ακτίνας ηλεκτρονίων είναι πολύ μικρή, είναι ίση με ^2,81794. 10 ^-13 εκατοστά, αλλά αποδεικνύεται ότι οι συνιστώσες της έχουν ένα πολύ μικρότερο μέγεθος. Κάθε ένα από τα τρία μέρη στα οποία κατάφερε να «χάσμα» το ηλεκτρόνιο, μεταφέρει τις πληροφορίες σχετικά με αυτό. Orbiton, όπως το όνομα υπονοεί, περιέχει δεδομένα σχετικά με την σωματίδιο τροχιακό κύματος. Spinon υπεύθυνη για την περιστροφή του ηλεκτρονίου, και Holon μας λέει για τη χρέωση. Έτσι, η φυσική μπορεί να παρατηρήσει ξεχωριστά διαφορετικές καταστάσεις των ηλεκτρονίων σε ένα έντονα ψυχόμενο υλικό. Κατάφεραν να εντοπίσουν ένα ζευγάρι των «Holon-spinon» και «spinon-orbiton», αλλά όχι και οι τρεις μαζί.

νέες τεχνολογίες

Ο φυσικός που ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο έπρεπε να περιμένουν αρκετές δεκαετίες πριν, μέχρι την ανακάλυψή τους έχει εφαρμοστεί στην πράξη. Σήμερα τεχνολογίες βρίσκουν εφαρμογή σε πολλά χρόνια, αρκεί να θυμηθούμε γραφενίου - καταπληκτικό υλικό που αποτελείται από άτομα άνθρακα σε ένα ενιαίο στρώμα. Η διάσπαση του ηλεκτρονίου θα ήταν χρήσιμη; Οι επιστήμονες προβλέπουν ότι η δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή, η ταχύτητα των οποίων, σύμφωνα με αυτούς, μερικές δεκάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή του πιο ισχυρούς υπολογιστές του σήμερα.

Ποιο είναι το μυστικό της κβαντικής τεχνολογίας των υπολογιστών; Αυτό μπορεί να ονομαστεί μια απλή βελτιστοποίηση. Στο συμβατικό υπολογιστή, το ελάχιστο αδιαίρετο τμήμα των πληροφοριών - ένα κομμάτι. Και αν λάβουμε υπόψη τα δεδομένα με κάτι οπτική, κάτι για το αυτοκίνητο μόνο δύο επιλογές. Bit μπορεί να περιέχει είτε μηδέν ή ένα, ότι είναι μέρος ενός δυαδικού κώδικα.

νέα μέθοδος

Τώρα ας φανταστούμε ότι σε ένα κομμάτι που περιέχεται και το μηδέν, και η μονάδα - ένα «κβαντικό bit» ή «Cube». Ο ρόλος των απλών μεταβλητών θα παίξει το σπιν του ηλεκτρονίου (που μπορεί να περιστρέφεται είτε δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα). Σε αντίθεση με απλό κομμάτι Cube μπορεί να εκτελέσει πολλές λειτουργίες ταυτόχρονα, και λόγω αυτής της αύξησης θα συμβεί ταχύτητας, μικρής μάζας των ηλεκτρονίων και το φορτίο δεν είναι σημαντικό εδώ.

Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το παράδειγμα του λαβυρίνθου. Για να βγούμε από αυτό, θα πρέπει να δοκιμάσετε πολλές διαφορετικές επιλογές από τις οποίες μόνο μία είναι σωστή. Παραδοσιακά υπολογιστή λύνει ακόμη και τα προβλήματα γρήγορα, αλλά κάποια στιγμή θα μπορούσε να λειτουργήσει μόνο σε ένα ενιαίο πρόβλημα. Ο ίδιος απαριθμεί όλες τις επιλογές σε ένα σύστημα, και τελικά να βρίσκει διέξοδο. Το κβαντικό υπολογιστή, χάρη στην kyubita δυαδικότητα μπορεί να λύσει πολλά προβλήματα ταυτόχρονα. Θα επανεξετάσει όλες οι επιλογές δεν είναι on line και σε μια στιγμή στο χρόνο, αλλά και να λύσει το πρόβλημα. Η δυσκολία είναι μόνο στο μέτρο που είναι να πάρει πολλή δουλειά στην κβαντική αντικείμενο - αυτό θα αποτελέσει τη βάση για μια νέα γενιά υπολογιστών.

εφαρμογή

Οι περισσότεροι άνθρωποι χρησιμοποιούν έναν υπολογιστή σε επίπεδο νοικοκυριού. Με αυτή την εξαιρετική δουλειά μέχρι τώρα και τα συμβατικά υπολογιστές, αλλά να προβλέψει συγκεκριμένα γεγονότα χιλιάδες, ίσως και εκατοντάδες χιλιάδες των μεταβλητών, η μηχανή πρέπει να είναι απλά τεράστια. Κβαντικό υπολογιστή με την ίδια ευκολία αντιμετωπίσει θέματα όπως η πρόβλεψη του καιρού για ένα μήνα, την επεξεργασία των καταστροφών και των δεδομένων πρόβλεψης της, και θα εκτελέσει επίσης περίπλοκη μαθηματικών υπολογισμών με πολλαπλές μεταβλητές για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, όλα με επεξεργαστή λίγων ατόμων. Έτσι είναι δυνατό, πολύ σύντομα πιο ισχυρούς υπολογιστές μας είναι λεπτές.

Η φροντίδα της υγείας

Η κβαντική τεχνολογία των υπολογιστών θα κάνει μια τεράστια συμβολή στην ιατρική. Η ανθρωπότητα θα είναι σε θέση να δημιουργήσει nanomachinery με ισχυρό δυναμικό, με τη βοήθειά τους, θα είναι δυνατή όχι μόνο για τη διάγνωση της νόσου με απλά κοιτάζοντας ολόκληρο το σώμα από το εσωτερικό, αλλά και να παρέχουν ιατρική περίθαλψη, χωρίς χειρουργική επέμβαση: μικροσκοπικά ρομπότ με «εγκεφάλους», εκτός από έναν υπολογιστή μπορεί να εκτελέσει όλες τις λειτουργίες.

Αναπόφευκτη επανάσταση στον τομέα των ηλεκτρονικών παιχνιδιών. Ισχυρές μηχανές που μπορεί να λύσει άμεσα το πρόβλημα, θα είναι σε θέση να παίξετε παιχνίδια με απίστευτα ρεαλιστικά γραφικά, δεν είναι μακριά και ήδη κόσμους υπολογιστή με μια πλήρη εμβάπτιση.