Woraus besteht ein Elektron? Masse und Ladung eines Elektrons

Elektron ist ein fundamentales Teilchen, eines davon,dass sie strukturelle Einheiten der Materie sind. Bei der Klassifizierung handelt es sich um ein Fermion (ein Teilchen mit einem halbzahligen Spin, benannt nach dem Physiker E. Fermi) und ein Lepton (Teilchen mit einem halbzahligen Spin, die nicht an einer starken Wechselwirkung beteiligt sind, eine der vier grundlegenden in der Physik). Die Baryon-Zahl eines Elektrons ist ebenso wie die anderer Leptonen gleich Null.

Bis vor kurzem wurde geglaubt, dass das Elektron -elementare, das heißt, eine unteilbare, partikellose Struktur, aber Wissenschaftler sind jetzt anderer Meinung. Woraus besteht das Elektron bei modernen Physikern?

Titel Geschichte

Schon im antiken Griechenland haben Naturforscher bemerkt,dass Bernstein, zuvor mit Haaren gerieben, kleine Objekte anzieht, dh elektromagnetische Eigenschaften aufweist. Sein Name wurde vom Elektron aus dem Griechischen ἤλεκτρον, was "Bernstein" bedeutet, empfangen. Der Begriff wurde 1894 von J. Stone vorgeschlagen, obwohl das Teilchen selbst von J. Thompson 1897 entdeckt wurde. Erkennen Sie es war schwierig, der Grund dafür ist eine kleine Masse, und die Ladung des Elektrons war in der Erfahrung, das entscheidende zu finden. Die ersten Bilder des Teilchens erhielt Charles Wilson mit einer speziellen Kamera, die auch in modernen Experimenten verwendet und nach ihm benannt wird.

Es ist interessant zu bemerken, dass eine der Voraussetzungen fürDie Entdeckung des Elektrons ist das Sprichwort von Benjamin Franklin. Im Jahr 1749 entwickelte er eine Hypothese, dass Elektrizität eine materielle Substanz ist. In seinen Arbeiten wurden zuerst Begriffe wie positive und negative Ladungen, ein Kondensator, eine Entladung, eine Batterie und ein Teilchen der Elektrizität verwendet. Die spezifische Ladung eines Elektrons wird als negativ angesehen, und das Proton wird als positiv angenommen.

Die Entdeckung des Elektrons

Im Jahr 1846 wurde das Konzept des "Atom der Elektrizität"In seinen Werken verwendet der deutsche Physiker Wilhelm Weber. Michael Faraday entdeckt den Begriff „Ion“, die jetzt vielleicht wissen alle noch in der Schule. Die Frage der Elektrizität Natur beteiligt viele bedeutende Gelehrte wie der deutsche Physiker und Mathematiker Julius Plücker, Jean Perrin, dem englischen Physiker William Crookes, Ernest Rutherford und andere.

Also, vor Joseph Thompson erfolgreichEr schloß sein berühmtes Experiment und bewies die Existenz eines Teilchens kleiner als ein Atom, im Bereich Arbeit vieler Wissenschaftler und die Entdeckung wäre unmöglich, sie haben nicht diese kolossale Arbeit geleistet.

Im Jahr 1906 erhielt Joseph Thompson den NobelpreisPremium. Die Erfahrung war wie folgt: durch die parallelen Metallplatten des elektrischen Feldes, Kathodenstrahlstrahlen wurden bestanden. Dann würden sie die gleiche Art und Weise getan haben, aber in einem Spulensystem ein Magnetfeld zu erzeugen. Thompson festgestellt, dass, wenn ein elektrisches Feld Strahlen abgelenkt, und das gleiche mit magnetischer Wirkung beobachtet wird, jedoch Strahlen Kathodenstrahlflugbahn nicht verändert, wenn sie beiden Felder in einem bestimmten Verhältnis gehandelt, die auf der Partikelgeschwindigkeit abhängen.

Nach Berechnungen lernte Thompson, dass die Geschwindigkeit von diesenTeilchen ist viel niedriger als die Lichtgeschwindigkeit, und das bedeutete, dass sie Masse haben. Von diesem Moment an begannen Physiker zu glauben, dass die offenen Teilchen der Materie Teil des Atoms waren, was anschließend durch Rutherfords Experimente bestätigt wurde. Er nannte es das "planetare Modell des Atoms".

Paradoxe der Quantenwelt

Die Frage, woraus das Elektron besteht,ist zumindest in diesem Stadium der Entwicklung der Wissenschaft ziemlich komplex. Bevor man darüber nachdenkt, muss man sich einem der Paradoxa der Quantenphysik zuwenden, die selbst Wissenschaftler nicht erklären können. Dies ist ein berühmtes Experiment mit zwei Schlitzen, das die duale Natur des Elektrons erklärt.

Sein Wesen ist das vor dem "Schießen"Partikel, ein Rahmen mit einem vertikalen rechteckigen Loch ist installiert. Dahinter befindet sich eine Wand, auf der Spuren von Treffern beobachtet werden. Also müssen wir zuerst verstehen, wie sich die Materie verhält. Die einfachste Art sich vorzustellen, wie die Tennisbälle von der Maschine gestartet werden. Einige der Kugeln fallen in das Loch, und die Spuren von Schlägen an der Wand werden zu einem vertikalen Streifen hinzugefügt. Wenn in einiger Entfernung ein weiteres Loch desselben Loches hinzugefügt wird, bilden die Spuren jeweils zwei Bänder.

Wellen in dieser Situation verhalten sich anders. Wenn es Anzeichen einer Kollision mit einer Welle an der Wand gibt, dann wird bei einem Loch der Streifen auch einer sein. Bei zwei Schlitzen ändert sich jedoch alles. Die Welle, die durch die Löcher geht, ist in zwei Hälften geteilt. Wenn die Spitze einer der Wellen den unteren Teil der anderen trifft, löschen sie sich gegenseitig aus, und an der Wand erscheint ein Interferenzmuster (mehrere vertikale Bänder). Die Orte an der Kreuzung der Wellen werden eine Spur hinterlassen, und es gibt keine Orte, wo es gegenseitige Löschung gab.

Tolle Entdeckung

Mit Hilfe des oben beschriebenen Experiments, Wissenschaftlerkann der Welt den Unterschied zwischen Quanten- und klassischer Physik visuell demonstrieren. Als sie anfingen, die Wand mit Elektronen zu bombardieren, zeigte sich eine normale vertikale Spur: Einige Teilchen fielen, genau wie Tennisbälle, in die Lücke, andere nicht. Aber alles änderte sich, als das zweite Loch erschien. Ein Interferenzmuster erschien an der Wand! Zuerst entschieden die Physiker, dass die Elektronen sich gegenseitig stören, und beschlossen, sie nacheinander auszulassen. Nach einigen Stunden (die Geschwindigkeit der Elektronenbewegung ist jedoch immer noch viel geringer als die Lichtgeschwindigkeit) begann sich wieder ein Interferenzmuster zu bilden.

Unerwartete Wendung

Elektron, zusammen mit einigen anderen Teilchen,Wie Photonen manifestiert sich ein Korpuskularwellen-Dualismus (der Begriff "Quantenwellendualismus" wird auch verwendet). Wie die Schrödinger-Katze, die sowohl lebendig als auch tot ist, kann der Zustand des Elektrons sowohl korpuskular als auch wellenförmig sein.

Der nächste Schritt in diesem Experimentnoch mehr Puzzles: Ein fundamentales Teilchen, das jeder zu kennen schien, überraschte. Physiker beschlossen, an den Öffnungen ein Beobachtungsgerät zu installieren, durch welches die Teilchen hindurchgehen und wie sie sich als Welle manifestieren. Aber sobald der Beobachtungsmechanismus platziert wurde, erschienen nur zwei Bänder an der Wand, entsprechend zwei Löchern, und kein Interferenzmuster! Sobald das "Shadowing" entfernt wurde, zeigte das Partikel wieder Welleneigenschaften, als wüsste sie, dass niemand darauf achtet.

Eine andere Theorie

Physiker Bourne schlug vor, dass das Teilchen nicht istwird im wahrsten Sinne des Wortes zur Welle. Das Elektron "enthält" eine Wahrscheinlichkeitswelle in sich selbst, es gibt ein Interferenzmuster. Diese Teilchen haben die Eigenschaft der Superposition, dh sie können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit an jedem Ort sein, so dass sie von einer ähnlichen "Welle" begleitet sein können.

Dennoch ist das Ergebnis offensichtlich: die Tatsache der Anwesenheit eines Beobachters beeinflusst das Ergebnis des Experiments. Es scheint unglaublich, aber das ist nicht das einzige Beispiel dieser Art. Physiker führten auch Experimente an größeren Teilen der Materie durch, sobald das Objekt ein dünner Abschnitt aus Aluminiumfolie war. Die Wissenschaftler stellten fest, dass bestimmte Messungen die Temperatur des Objekts allein beeinflussten. Die Natur solcher Phänomene können sie immer noch nicht erklären.

Struktur

Aber woraus besteht ein Elektron? Im Moment kann die moderne Wissenschaft keine Antwort auf diese Frage geben. Bis vor kurzem galt es als unteilbares Elementarteilchen, jetzt neigen Wissenschaftler dazu, dass es aus noch kleineren Strukturen besteht.

Die spezifische Ladung des Elektrons wurde ebenfalls als elementar angesehen, aber Quarks mit einer gebrochenen Ladung sind jetzt offen. Es gibt verschiedene Theorien darüber, woraus das Elektron besteht.

Heute können Sie die Artikel sehen, in denen es heißt, dass Wissenschaftler in der Lage waren, das Elektron zu trennen. Dies ist jedoch nur teilweise richtig.

Neue Experimente

Sowjetische Wissenschaftler in den achtziger JahrenIm letzten Jahrhundert wurde angenommen, dass ein Elektron in drei Quasiteilchen aufgeteilt werden kann. Im Jahr 1996 war es möglich, es in Spinon und Holon zu teilen, und vor kurzem hatten Physiker Van den Brink und sein Team ein Teilchen in ein Spinon und ein Orbiton unterteilt. Splitting kann jedoch nur unter besonderen Bedingungen erreicht werden. Das Experiment kann bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt werden.

Wenn die Elektronen auf den absoluten Nullpunkt "abkühlen", undes sind ungefähr -275 Grad Celsius, sie hören praktisch auf und bilden eine Art Materie zwischen sich, wie das Verschmelzen zu einem Teilchen. Unter solchen Bedingungen gelingt es Physikern, Quasiteilchen zu beobachten, aus denen das Elektron "besteht".

Informationsträger

Der Radius des Elektrons ist sehr klein, es ist 2,81794^.10^-13cm, aber es stellt sich heraus, dass seine Komponenten habenviel kleinere Größe. Jeder der drei Teile, die das Elektron "teilen" konnten, trägt Informationen darüber. Orbiton enthält, wie der Name schon sagt, Daten über die Orbitalwelle eines Teilchens. Spinon ist für den Spin des Elektrons verantwortlich, und das Holon sagt uns etwas über die Ladung. Somit können Physiker die verschiedenen Zustände von Elektronen in einer stark gekühlten Substanz getrennt beobachten. Sie gelang es, Paare von "Holon-Spinon" und "Spinon-Orbiton" zu verfolgen, aber nicht die ganzen drei zusammen.

Neue Technologie

Physiker, die das Elektron entdeckt haben, mussten warteneinige Dutzend Jahre bis zur Entdeckung in der Praxis. In unserer Zeit wird Technologie in einigen Jahren verwendet, erinnern Sie sich nur an Graphen - ein erstaunliches Material, das aus Kohlenstoffatomen in einer Schicht besteht. Was wird für die Aufspaltung eines Elektrons nützlich sein? Wissenschaftler sagen die Schaffung eines Quantencomputers voraus, dessen Geschwindigkeit ihrer Meinung nach mehrere Dutzend Mal höher ist als der der leistungsfähigsten modernen Computer.

Was ist das Geheimnis der Quantencomputertechnologie? Dies kann als einfache Optimierung bezeichnet werden. Im vertrauten Computer ist der minimale, unteilbare Teil der Information ein bisschen. Und wenn wir die Daten als etwas Sichtbares betrachten, gibt es nur zwei Optionen für die Maschine. Ein Bit kann entweder Null oder Eins enthalten, also Teile des Binärcodes.

Neue Methode

Nun stellen wir uns vor, dass das Bit enthältund Null, und die Einheit ist ein "Quantenbit" oder "Cuebit". Die Rolle von einfachen Variablen wird durch den Elektronenspin gespielt (er kann sich entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen). Anders als ein einfaches Bit kann Cuebit dadurch mehrere Funktionen gleichzeitig ausführen, und es wird eine Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit geben, wobei die kleine Masse und die Ladung eines Elektrons hier nicht wichtig sind.

Sie können dies am Beispiel eines Labyrinths erklären. Um herauszukommen, müssen Sie viele verschiedene Optionen ausprobieren, von denen nur eine richtig ist. Ein herkömmlicher Computer kann Probleme schnell lösen, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt kann er nur an einem einzigen Problem arbeiten. Er wird nacheinander alle Varianten der Wege gehen und schließlich wird er es herausfinden. Ein Quantencomputer kann aufgrund der Dualität von Ellen viele Probleme gleichzeitig lösen. Er wird alle möglichen Optionen nicht nacheinander, sondern zu einem bestimmten Zeitpunkt überarbeiten, und er wird das Problem lösen. Die Schwierigkeit besteht bisher nur darin, eine Menge Quanten an einer Aufgabe arbeiten zu lassen - das wird die Grundlage für einen Computer der neuen Generation sein.

Anwendung

Die meisten Leute benutzen den Computer fürHaushaltsebene. Während herkömmliche PCs ebenfalls gut funktionieren, aber Ereignisse vorherzusagen, die von Tausenden und vielleicht Hunderttausenden von Variablen abhängen, sollte die Maschine einfach riesig sein. Ein Quantencomputer kann beispielsweise Wetterprognosen für einen Monat verarbeiten, Daten zu Naturkatastrophen verarbeiten und Vorhersagen treffen sowie komplexe mathematische Berechnungen mit vielen Variablen im Bruchteil einer Sekunde durchführen, die alle aus mehreren Atomen bestehen. Vielleicht werden unsere leistungsstärksten Computer sehr bald mit einem Blatt Papier voll sein.

Erhaltung der Gesundheit

Quanten-Computer-Technologien werden eine große Menge bringenBeitrag zur Medizin. Die Menschheit wird in der Lage Nanomaschinen mit großen Potenzial, mit ihrer Hilfe zu schaffen, wird es möglich sein, nicht nur Krankheit zu diagnostizieren, indem Sie einfach auf dem ganzen Körper von innen suchen, sondern auch die medizinische Versorgung zu bieten, ohne Chirurgie: winziger Roboter mit „Gehirn“ anders als ein Computer alle Operationen ausführen kann.

Die Revolution im Bereich der Computerspiele ist unvermeidlich. Leistungsfähige Maschinen, die Probleme sofort lösen können, werden in der Lage sein, Spiele mit unglaublich realistischen Grafiken zu spielen, nicht weit entfernt von bereits Computerwelten mit voller Immersion.