Как маленький электрон может рассказать о строении Вселенной
Какова форма электрона? Если вы вспомните картинки из школьных учебников, то ответ будет вполне простым: электрон — это маленький шарик с отрицательным зарядом, который меньше атома. Это, однако, довольно далеко от истины.
Электрон широко известен как один из основных компонентов атомов, составляющие мир вокруг нас. Именно электроны, окружающие ядро каждого атома, определяют, как протекают химические реакции. Их применение в промышленности широко распространено: от электроники и сварки до формирования изображений и современных ускорителей частиц. Недавно, однако, физический эксперимент под названием ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment, дослово Улучшенный холодный молекулярный электрон с электрическим дипольным моментом) поставил электрон в центр научного исследования. Вопрос, на который пыталась ответить коллаборация ACME, был обманчиво прост: какова форма электрона?
Классические и квантовые формы?
Насколько физики знают — в настоящее время электроны не имеют внутренней структуры, и, следовательно, не имеют формы в классическом значении этого слова. На современном языке физики элементарных частиц, в которой рассматривается поведение объектов, меньших атомного ядра, фундаментальными блоками материи являются непрерывные жидкостеподобные вещества, известные как «квантовые поля», которые пронизывают все пространство вокруг нас. На этом языке электрон воспринимается как квант или частица «электронного поля». Зная это, имеет ли смысл говорить о форме электрона, если мы не можем увидеть его непосредственно в микроскопе или каком-либо другом оптическом устройстве в привычном нам виде?
Типичная школьная модель атома, где электроны показываются кружочками на орбитах вокруг ядра. Увы, на деле все устроено куда сложнее.
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны адаптировать наше определение формы, чтобы оно могло использоваться в невероятно малых масштабах, или, другими словами, в области квантовой физики. Видеть различные объекты в нашем макроскопическом мире — это значит обнаруживать нашими глазами лучи света, отражающиеся от этих объектов вокруг нас.
Проще говоря, мы определяем форму объекта, наблюдая, как они реагируют, когда мы светим на них. Хотя это может казаться странным способом узнавать о форме объекта, он становится очень полезным в субатомном мире квантовых частиц. Это дает нам способ определить свойства электрона так, чтобы они имитировали тот принцип, с помощью которого мы описываем формы объектов в классическом макромире.
Что заменяет концепцию формы в микромире? Поскольку свет — это не что иное, как комбинация колеблющихся электрических и магнитных полей, было бы полезно определить квантовые свойства электрона, которые несут информацию о том, как он реагирует на эти поля. Давайте сделаем это.
Электроны в электрическом и магнитном полях
В качестве примера рассмотрим простейшее свойство электрона: его электрический заряд. Он описывает силу — и, в конечном счете, ускорение, которое испытал бы электрон, если поместить его в какое-либо внешнее электрическое поле. Это свойство электрона — его заряд — выживает и в квантовом мире.
Аналогично, другое «выживающее» свойство электрона называется магнитным дипольным моментом. Это говорит нам, как электрон будет реагировать на магнитное поле. В этом отношении электрон ведет себя так же, как крошечный стержневой магнит, пытаясь ориентироваться вдоль направления магнитного поля. Хотя важно помнить, что не нужно слишком углубляться в эти аналогии, они просто помогают нам понять, почему физики заинтересованы в измерении этих квантовых свойств с максимально возможной точностью.
Какое квантовое свойство описывает форму электрона? На самом деле их несколько. Самое простое — и полезное для физиков — то, которое называется электрическим дипольным моментом, или ЭДМ.
В классической физике ЭДМ возникает при пространственном разделении зарядов (грубо говоря, это вектор, который соединяет «центр электрической отрицательности» системы с ее «центром электрической положительности»). Электрически заряженная сфера, в которой отсутствует разделение зарядов, имеет ЭДМ, равный нулю. Но представьте себе гантель, шарики которой противоположно заряжены: одна сторона положительно, а другая отрицательно. В макроскопическом мире эта гантель будет иметь ненулевой электрический дипольный момент. Если форма объекта отражает распределение его электрического заряда, это также будет означать, что форма объекта должна отличаться от сферической. Таким образом, очевидно, ЭДМ может помочь определить форму макроскопического объекта.
Электрический дипольный момент в квантовом мире
Однако в квантовом мире определить ЭДМ куда сложнее. Там пространство вокруг электрона не пусто и не неподвижно. Скорее, оно населено различными субатомными частицами, которые в течение коротких промежутков времени переходят в виртуальное существование.
Эти виртуальные частицы образуют «облако» вокруг электрона. Если мы направим свет на электрон, часть света может отразиться от виртуальных частиц в облаке, а не от самого электрона.
Это изменит числовые значения заряда электрона, магнитного и электрического дипольного моментов. Выполнение очень точных измерений этих квантовых свойств расскажет нам, как ведут себя эти неуловимые виртуальные частицы, когда они взаимодействуют с электроном, и изменяют ли они ЭДМ электрона.
Самое интересное, что среди этих виртуальных частиц могут быть новые, неизвестные нам виды, с которыми мы еще не сталкивались. Чтобы увидеть их влияние на электрический дипольный момент электрона, нам нужно сравнить результат измерения с теоретическими предсказаниями размера ЭДМ, рассчитанными в соответствии с принятой в настоящее время теории Вселенной, Стандартной модели.
Все элементарные частицы Стандартной модели.
До сих пор Стандартная модель точно описывала все лабораторные измерения, которые когда-либо проводились. Тем не менее, она не может решить многие из наиболее фундаментальных вопросов — например, почему материя доминирует над антиматерии во всей Вселенной. Стандартная модель также предсказывает ЭДМ электрона: она требует, чтобы он был настолько мал, чтобы эксперимент ACME не имел возможности его измерить. Но что случилось бы, если бы ACME фактически обнаружил ненулевое значение для электрического дипольного момента электрона?
Латаем дыры в Стандартной модели
Были предложены новые теоретические модели, которые исправляют недостатки Стандартной модели, предсказывая существование новых тяжелых частиц. Эти модели могут заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Чтобы проверить такие модели, нам нужно доказать существование этих новых тяжелых частиц. Это можно сделать с помощью серьезных экспериментов, таких как эксперименты на международном Большом адронном коллайдере (БАК), путем непосредственного производства новых частиц в столкновениях при высоких энергиях.
В качестве альтернативы, мы могли бы видеть, как эти новые частицы изменяют распределение заряда в «облаке» и их влияние на ЭДМ электрона. Таким образом, однозначное наблюдение дипольного момента электрона в эксперименте ACME доказало бы, что новые частицы действительно присутствуют. Это была цель эксперимента ACME.
Что нужно сделать, чтобы измерить электрический дипольный момент? Нам нужно найти источник очень сильного электрического поля, чтобы проверить реакцию электрона на него. Один из возможных источников таких полей можно найти внутри таких молекул, как монооксид тория. Эта молекула и использовалась в эксперименте ACME. Светя тщательно настроенными лазерами на эти молекулы, можно узнать значения электрического дипольного момента электрона, если он не слишком мал.
Однако, как оказалось, это так. Физики коллаборации ACME не наблюдали электрический дипольный момент электрона — это говорит о том, что его значение слишком мало, чтобы их экспериментальный аппарат мог его обнаружить. Этот факт имеет важное значение для нашего понимания того, что мы можем ожидать от экспериментов на Большом адронном коллайдере в будущем.
Интересно, что тот факт, что коллаборацией ACME не был обнаружен ЭДМ электрона, фактически исключает существование новых тяжелых частиц, которые легче всего обнаружить на БАК. Это замечательный результат для «настольного» эксперимента, который влияет как на то, как мы планируем прямой поиск новых частиц на гигантском Большом адронном коллайдере, так и на то, как мы строим теории, описывающие природу частиц. Удивительно, что изучение чего-то такого маленького, как электрон, может многое рассказать нам о Вселенной.
Источник
Что мы знаем об электроне
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?
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
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.
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.
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.
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.
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?
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.
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
10 самых маленьких частиц во Вселенной
Ответ на постоянный вопрос о самой маленькой вещи во Вселенной развился вместе с человечеством. Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг.
Затем был открыт атом. Концепция атомов была впервые предложена греками, которые полагали, что объекты могут быть бесконечно разделены на две части, пока не останется одна неделимая частичка материи. Эта невообразимо малая единица не могла быть разделена дальше и поэтому называлась «атомом», образованным от греческого слова A-tomos. Где «А» означает «нет» и «томос» – делить.
Он считался неделимым, пока он не раскололся, чтобы обнаружить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже казались фундаментальными частицами, прежде чем ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.
Так какие же из частиц являются самыми маленькими во Вселенной?
10. Электрон
Электрон – отрицательно заряженная субатомная частица. Он может быть свободным (не привязанным к какому-либо атому) или связанным с ядром атома. Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни. Чем больше сферическая оболочка, тем выше энергия, содержащаяся в электроне электрических проводниках поток тока возникает в результате движения электронов от атома к атому в отдельности и от отрицательных к положительным электрическим полюсам в целом. В полупроводниковых материалах ток также возникает как движение электронов.
9. Позитрон
Позитроны – это античастицы электронов. Основным отличием от электронов является их положительный заряд. Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов, когда происходит распад, эти радионуклиды испускают позитрон и нейтрино.
В то время как нейтрино выходит без взаимодействия с окружающим веществом, позитрон взаимодействует с электроном. Во время этого процесса аннигиляции массы позитрона и электрона превращаются в два фотона, которые расходятся в почти противоположных направлениях.
8. Протон
Протонная стабильная субатомная частица с положительным зарядом, равным по величине единице заряда электрона и массой покоя 1,67262 × 10 -27 кг.
Около десяти лет назад казалось, что и спектроскопия, и эксперименты по рассеянию сходились на протонном радиусе 0,8768 фемтометров (миллионные доли миллионной доли миллиметра).
Но в 2010 году новый поворот в спектроскопии поставил под сомнение этот идиллический консенсус. Команда измерила протонный радиус 0,84184 фемтометров.
7. Нейтрон
Вы знаете, что нейтроны находятся в ядре атома. В нормальных условиях протоны и нейтроны слипаются в ядре. Во время радиоактивного распада они могут быть выбиты оттуда. Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.
Нейтроны можно найти практически во всех атомах вместе с протонами и электронами. Водород -1 является единственным исключением. Атомы с одинаковым количеством протонов, но с разным количеством нейтронов называются изотопами одного и того же элемента.
Количество нейтронов в атоме не влияет на его химические свойства. Однако это влияет на его период полураспада, меру его стабильности. Нестабильный изотоп имеет короткий период полураспада, при котором половина его распадается на более легкие элементы.
6. Фотон
Представьте себе луч желтого солнечного света, сияющего через окно. Согласно квантовой физике, этот луч состоит из миллиардов крошечных пакетов света, называемых фотонами, которые текут по воздуху. Но что такое фотон?
Фотон – это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения. Это основная единица всего света.
Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью всем наблюдателям 2,998 × 10 8 м/с. Обычно это называют скоростью света, обозначаемой буквой с.
Согласно квантовой теории света Эйнштейна, фотоны имеют энергию, равную частоте их колебаний, умноженной на постоянную Планка. Эйнштейн доказал, что свет – это поток фотонов, энергия этих фотонов – это высота частоты их колебаний, а интенсивность света соответствует количеству фотонов.
5. Кварк
Кварк – одна из фундаментальных частиц в физике. Они соединяются, чтобы сформировать адроны, такие как протоны и нейтроны, которые являются компонентами ядер атомов.
Кварк имеет ограничение, что означает, что кварки не наблюдаются независимо, но всегда в сочетании с другими кварками. Это делает невозможным непосредственное измерение свойств (массы, спина и четности); эти черты должны быть выведены из частиц, состоящих из них.
4. Глюон
Спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва Вселенная была невероятно плотной плазмой, настолько горячей, что не могло существовать ни ядер, ни даже ядерных частиц.
Плазма состояла из кварков, частиц, которые составляют нуклоны и некоторые другие элементарные частицы, и глюонов, безмассовых частиц, которые «переносят» силу между кварками.
Глюоны – это обменные частицы для цветовой силы между кварками, аналогичные обмену фотонов в электромагнитной силе между двумя заряженными частицами. Глюон можно считать фундаментальной обменной частицей, лежащей в основе сильного взаимодействия между протонами и нейтронами в ядре.
3. Мюон
Мюоны имеют такой же отрицательный заряд, как и электроны, но в 200 раз больше массы. Они возникают, когда частицы высокой энергии, называемые космическими лучами, врезаются в атомы в атмосфере Земли.
Путешествуя со скоростью, близкой к скорости света, мюоны осыпают Землю со всех сторон. Каждая область планеты размером с руку поражена примерно одним мюоном в секунду, и частицы могут пройти через сотни метров твердого материала, прежде чем они будут поглощены.
По словам Кристины Карлогану, физика из Физической лаборатории Клермон-Феррана во Франции, их вездесущность и проникающая способность делают мюоны идеальными для визуализации больших плотных объектов без их повреждения.
2. Нейтрино
Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда и очень маленькой массы, которая может даже быть нулевой.
Нейтрино являются одной из самых распространенных частиц во Вселенной. Однако, поскольку они очень мало взаимодействуют с материей, их невероятно сложно обнаружить.
Для обнаружения нейтрино требуются очень большие и очень чувствительные детекторы. Как правило, нейтрино с низкой энергией проходит через многие световые годы нормальной материи, прежде чем взаимодействовать с чем-либо.
Следовательно, все наземные нейтринные эксперименты основаны на измерении крошечной доли нейтрино, которые взаимодействуют в детекторах разумного размера.
1. Бозон Хиггса
Физике частиц обычно тяжело конкурировать с политикой и сплетнями знаменитостей за заголовки, но бозон Хиггса привлек серьезное внимание. Возможно, знаменитое и неоднозначное прозвище знаменитого бозона, «Частица Бога», заставляло гудеть средства массовой информации.
С другой стороны, интригующая возможность того, что бозон Хиггса отвечает за всю массу во Вселенной, захватывает воображение.
Бозон Хиггса является, если не сказать, самой дорогой частицей всех времен. Это немного несправедливое сравнение; например, для открытия электрона потребовалось немного больше, чем для вакуумной трубки и настоящего гения, а для поиска бозона Хиггса потребовалось создание экспериментальных энергий, которые раньше редко встречались на планете Земля.
Источник