Теория, что электрон всего один. Вселенная из одного электрона?

Теория, что электрон всего один. Вселенная из одного электрона?

Помните: чтобы быть верной, идея должна быть совсем уж сумасшедшей? Видимо, этой мыслью и руководствовался известный американский теоретик Ричард фейнман, разрабатывая вот какую теорию ….

В середине XIX века английский теоретик Джеймс максвелл составил систему уравнений, позволившую описать поведение электромагнитного излучения. При этом неожиданно выяснилась одна деталь. Решение максвелловых уравнений для света дает не один, а два ответа. Один из них описывает "Запаздывающую" волну, которая представляет собой обычное движение света из одной точки в другую. А вот второй - некую "Опережающую" волну, которая, по идее, физически представляет собой луч света, уходящий назад во времени.
В течение сотни лет "Опережающее" решение попросту отбрасывалось как не имеющее практической ценности, в то время как "нормальное" решение достаточно точно предсказывало поведение радиоволн всех диапазонов. А вот физикам - теоретикам опережающая волна все эти годы не дает спокойно спать. Уравнения максвелла - один из столпов современной науки, поэтому к любому их решению следует отнестись очень серьезно, рассуждали ученые.

Интерес к опережающим волнам проявили и мистики; появились даже рассуждения о том, что эти волны могут нести послания из будущего. Конечно, опережающие волны не позволят нам лично посещать прошлое - это все же не машина времени, - зато, как считают не - которые исследователи, помогут организовать отправку в прошлое сообщений с предупреждениями о ключевых событиях, которые еще не произошли.

Так это или не так, решил выяснить американский теоретик Ричард фейнман, которого всегда занимала идея вернуться в прошлое. И вот, анализируя работы английского теоретика поля Дирака, согласно которым получалось, что у электрона обязательно должен быть брат - близнец, имеющий положительный заряд, фейнман обнаружил нечто странное. Внимание! Только в том случае, если изменить направление времени в уравнении Дирака на обратное и одновременно изменить знак заряда электрона, то вид уравнения остается прежним.

Другими словами, у фейнмана получилось, что электрон, движущийся назад во времени, - это то же самое, что позитрон, который движется во времени вперед! Опять-таки, с точки зрения здравого смысла, такое математическое упражнение не имеет физического обоснования. И будь на месте фейнмана кто-либо другой, он, вполне возможно, выбросил бы это решение в мусорную корзину. Но Ричард, будучи человеком, который всегда любил разного рода чудачества и загадки, решил пойти на поводу собственного любопытства.
Продолжая копаться в этом загадочном решении, фейнман заметил нечто еще более странное. Обычно если электрон и позитрон сталкиваются, они оба аннигилируют с одновременным выделением гамма-кванта энергии.

Но если рассматривать позитрон как электрон, движущийся назад во времени, то реакцию аннигиляции можно представить себе и так. Себе электрон летел. Затем он неожиданно резко развернулся во времени и направился обратно, высвободив в момент разворота некоторое количество энергии. Другими словами, процесс аннигиляции электрона и позитрона - это просто момент разворота частицы во времени! Таким образом, фейнману удалось заодно раскрыть тайну антивещества: это обычное вещество, движущееся назад во времени.
Теперь представим, что у нас есть некоторое количество антивещества, и мы сталкиваем его с обычным веществом, порождая сильнейший взрыв. В этот момент аннигилируют между собой триллионы электронов и триллионы позитронов. Но можно, по фейнману, интерпретировать этот процесс и так, что один - единственный электрон выписывает зигзаги и мечется вперед - назад во времени триллионы раз подряд.

Обсуждая этот парадокс со своим научным руководителем Джоном уилером, фейнман даже высказал мнение, что во вселенной, возможно, вообще имеется всего один электрон. И большего количества не надо ….
В самом деле, представим себе, что некогда из хаоса большого взрыва родился один - единственный электрон.

Когда-нибудь, через несколько триллионов лет, этот электрон доживет до катастрофы и гибели вселенной; тогда он развернется и направится назад, к моменту большого взрыва, где еще раз поменяет направление движения во времени.
Т.
ак что, обладая большой фантазией, можно предположить, что этот электрон с огромной скоростью постоянно путешествует во времени туда-сюда. А тогда вся наша вселенная XXI века - всего лишь временной срез путешествий этого электрона, который, словно карандаш на бумаге, рисует нам портрет вселенной. Конечно, многим эта гипотеза может показаться очень странной, даже безумной, но она, между прочим, объясняет, почему все электроны, как показывает опыт, совершенно одинаковы.

Но если антивещество представляет собой обычную материю, движущуюся назад во времени, то нельзя ли с его помощью послать сообщение в прошлое? Ответ прост: нельзя. Таким образом, если мы мысленно или на бумаге меняем направление оси времени для позитрона и отправляем его в прошлое, то это ничего не значит, мы всего лишь выполняем некую математическую операцию. Практически же антивещество очень трудно получить и еще труднее закодировать в античастице некую информацию.

… в общем, получается, что фейнман занимался чисто умозрительными построениями. А вот и нет! Продолжая развивать свою безумную идею, он, в конце концов, построил полную квантовую теорию электрона - квантовую электродинамику. И в 1965 году эта работа принесла фейнману и его коллегам Джулиану швингеру и синьитиро томонаге нобелевскую премию. А самой теорией физики пользуются и поныне, проводя исследования на ускорителях и предсказывая заранее, что должно получиться в итоге. И знаете, их предсказания зачастую оказываются точны. - юный техник, 2009 номер 08.

Заряд электрона формула. Опыты Милликена и Иоффе

Американский ученый Р. Милликен экспериментально доказал то, что элементарный заряд существует. В своих опытах он измерял скорость движения капель масла в однородном электрическом поле, которое создавалось между двумя электрическими пластинами. Капля заряжалась при столкновении с ионом. Сравнивались скорости движения капли не имеющей заряда и этой же капли после столкновения с ионом (приобретшей заряд). Зная напряженность поля между пластинами, вычислялся заряд капли.

Опыты Милликена повторил А.Ф. Иоффе. Он использовал металлические пылинки вместо капель масла. Изменяя напряженность поля между пластинками, Иоффе добивался равенства силы тяжести и силы Кулона, пылинка при этом оставалась неподвижной. Пылинку освещали ультрафиолетом. Заряд ее при этом изменялся, для уравновешивания силы тяжести приходилось изменять напряженность поля. По полученным величинам напряженности ученый судил об отношении электрических зарядов пылинки.

В опытах Милликена и Иоффе было показано, что заряды пылинок и капель всегда изменялись скачком. Минимальное изменение заряда было равно:

Электрический заряд всякого заряженного тела равен целому числу и кратен заряду электрона. Сейчас существует мнение, что имеются элементарные частицы – кварки, которые обладают дробным зарядом ().

Кто открыл электрон. Открытие электрона

Джозеф Джон Томсон в своей лаборатории. ~ 1880

Датой открытия электрона считается 1897 год , когда Томсоном был поставлен эксперимент по изучению катодных лучей . Первые снимки треков отдельных электронов были получены Чарльзом Вильсоном при помощи созданной им камеры Вильсона .

В 1749 году Бенджамин Франклин высказал гипотезу, что электричество представляет собой своеобразную материальную субстанцию. Центральную роль электрической материи он отводил представлению об атомистическом строении электрического флюида. В работах Франклина впервые появляются термины: заряд, разряд, положительный заряд, отрицательный заряд, конденсатор, батарея, частицы электричества.

Иоганн Риттер в 1801 году высказал мысль о дискретной, зернистой структуре электричества.

Вильгельм Вебер в своих работах с 1846 года вводит понятие атома электричества и гипотезу, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловыми и световыми явлениями.

Майкл Фарадей ввел термин « ион » для носителей электричества в электролите и предположил, что ион обладает неизменным зарядом. Г. Гельмгольц в 1881 году показал, что концепция Фарадея должна быть согласована с уравнениями Максвелла . Джордж Стони в 1881 году впервые рассчитал заряд одновалентного иона при электролизе, а в 1891 году , в одной из теоретических работ Стоней предложил термин «электрон» для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе.

Катодные лучи открыты в 1859 году Юлиусом Плюккером , название дано Эйгеном Гольдштейном , который высказал волновую гипотезу: катодные лучи представляют собой процесс в эфире . Английский физик Уильям Крукс высказал идею, что катодные лучи это поток частичек вещества. В 1895 году французский физик Жан Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем.

В то же время Анри Беккерель исследовал естественную радиацию и в 1900 году показал, что лучи, испускаемые радием, которые Эрнст Резерфорд назвал бета-лучами, имеют такой же удельный заряд, что и катодные лучи.

Трубка Гейсслера

С 1895 года Джозеф Джон Томсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги этой работы были опубликованы в 1897 г. в октябрьском номере журнала « Philosophical Magazine ». В своем опыте Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Суть опытов и гипотезу о существовании материи в состоянии ещё более тонкого дробления, чем атомы, Томсон изложил на вечернем заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Извлечение из этого сообщения было опубликовано в « Electrican » 21 мая 1897 г. За это открытие Томсон в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике .

Опыт Томсона заключался в изучении пучков катодных лучей, проходящих через систему параллельных металлических пластин, создававших электрическое поле, и систем катушек, создававших магнитное поле. Обнаружено, что лучи отклонялись при действии отдельно обоих полей, а при определенном соотношении между ними пучки не изменяли прямой траектории. Это соотношение полей зависело от скорости частиц. Проведя ряд измерений, Томсон выяснил, что скорость движения частиц гораздо ниже скорости света — таким образом было показано, что частицы должны обладать массой. Далее было выдвинуто предположение о наличии этих частиц в атомах и предложена модель атома, впоследствии развитая в опытах Резерфорда .

Видео Электронов НЕ СУЩЕСТВУЕТ? Нелепые нестыковки в физике

Символ электрона. Античастица электрона

Первой античастицей, чье существование было предсказано, а потом доказано научно, стал позитрон.

Чтобы понять происхождение этой античастицы, стоит обратиться к строению атома. Известно, что ядро атома содержит протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны (частицы, не имеющие заряда). По его орбитам обращаются электроны – частицы с отрицательным электрическим зарядом.

Позитрон – античастица электрона. Она обладает положительным зарядом. В физике символ позитрона выглядит таким образом: е⁺(для обозначения электрона используется символ е^-). Появляется эта античастица в результате радиоактивного распада.

Диаметр электрона. Классический радиус электрона

Класси́ческий ра́диус электро́на , также известный как радиус Лоренца или длина томсоновского рассеяния , базируется на классической релятивистской модели электрона, в которой предполагается, что вся масса электрона имеет электромагнитную природу, то есть масса электрона, умноженная на квадрат скорости света, равна энергии создаваемого им электрического поля. При этом электрон представляется сферической частицей с определённым радиусом, поскольку при нулевом радиусе энергия созданного электроном поля была бы бесконечной.

Классический радиус электрона равен радиусу полой сферы, на которой равномерно распределён заряд, если этот заряд равен заряду электрона, а потенциальная энергия электростатического поля $U_0$ полностью эквивалентна половине массы электрона (без учета квантовых эффектов):

Сегодня классический радиус электрона рассматривается как классический предел для размеров электрона, которая используется при рассмотрении нерелятивистского рассеяния Томсона , а также в релятивистской формуле Клейна — Нишины . Классический радиус электрона является представителем тройки фундаментальных длин, таких как боровский радиус ( $a_B$ ) и комптоновская длина волны электрона

Учитывая постоянную тонкой структуры α , классический радиус электрона можно переписать в форме:

где ${\lambda }_{0\pi }={\lambda }_0/2\pi$  — приведённая комптоновская длина волны электрона. Через длину классического радиуса электрона можно выразить комптоновскую длину волны электрона

и боровский радиус:

Если рассматривать радиус протона 0,8768 фемтометра( CODATA -2006) ,то радиус электрона в 3.21 раза больше радиуса протона.

Отсюда радиус электрона равен: 2,814528 фемтометра (2017-02-04)

Существование постоянной $r_0,$ однако, не означает, что это настоящий радиус электрона. На таких расстояниях действуют законы квантовой механики, в которой электрон рассматривается как точечная частица.

• CODATA value for the classical electron radius at NIST .
• Arthur N. Cox, Ed. «Allen’s Astrophysical Quantities», 4th Ed, Springer, 1999.

Плотность электрона. Электронная плотность

Электро́нная пло́тность  —обнаруженияв данной точке.

Рассмотрим водородоподобный — систему из двух зарядов: положительно заряженного тяжёлого, и электрона, вероятность обнаружения которого распределена сферически симметрично вокруг ядра. Таким образом, у атома(и ему подобных) в основном состоянии электронная плотность зависит только от расстояния до ядра и одинакова в любой точке сферы. Это состояние электрона характеризуется нулевым(так называемое s -состояние). В возбуждённых состояниях с отличным от нуля орбитальным моментом электрона ( p -, d -, f -… состояния) сферическая симметрия электронной плотности отсутствует. В достаточно сложныхэлектронная плотность, как правило, несимметрична, а форма электронного облака может меняться. Например, при замещении трёх атомов водородана чрезвычайно электроотрицательные атомыеё(pK) снижается с 4,76 до почти 1 в результатевызванного снижения силы притяжения H⁺к; силавозрастает. Существуют две простые, но логичные точки зрения на это явление. По одной из них, увеличение силы кислоты отражает смещение плотности распределения единственного избыточного электрона карбоксильного кислорода в сторону от H+, и сила притяжения протона ослабевает. Согласно другой точке зрения, причиной этого явления служит не смещение, а «разжижение» «облака отрицательного электричества», то есть снижение электронной плотности вокруг однозарядного атома.

В качестве модели состояния электрона в атоме, впринято представление об, плотность соответствующих участков которого пропорциональна вероятности нахождения там электрона.

Электронное облако часто изображают в виде граничной поверхности. При этом обозначение электронной области при помощи точек опускают. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно пребывание электрона, называют атомной орбиталью (смысл которого вытекает из).

Применяются графические изображения распределения электронной плотности относительно ядра.

Кривая радиального распределения вероятности показывает, что электрон находится в тонком концентрическом шаровом слое радиуса r толщины dr вокруг ядра.

Проекция максимума кривой соответствуетα₀=0,53 Å.

Во многих случаях для решенияиспользуют различные приближения. Вероятностную (статистическую) интерпретацию волновой функции разработал. В 1954 году М.Борн удостоенс формулировкой «За фундаментальные исследования в области квантовой механики, особенно, за.»

1. Ахметов Н.С. Неорганическая химия. — издание 2, переработанное и дополненное. —М.: «Высшая школа», 1975. — 672 с.

Свободный электрон

Именно поток свободных электронов образует электрический ток. Больше всего не связанных с атомами электронов в металлах, чем и объясняется их высокая электропроводимость.

Впервые предположение о том, что электрический разряд состоит из отдельных частиц, еще в середине XVIII века высказал Бенджамин Франклин (1706-1790). Сходные идеи в той или иной форме развивались на протяжении всего XIX столетия: так, важной вехой стало открытие Майклом Фарадеем (1791-1867) ионов – переносчиков электрического заряда в растворах солей. Ионы, как сейчас известно, представляют собой атомы с неравным количеством протонов и электронов, но их структура оставалась загадкой вплоть до рубежа веков.

Проводя эксперименты с так называемыми «катодными лучами» (отрицательно заряженным излучением, возникающим в разреженном газе), британский физик Джозеф Томсон (1856-1940) обнаружил их дискретную природу. Лучи искривлялись под воздействием магнитных полей, а их скорость была значительно меньше скорости света. Следовательно, лучи – точнее, их составляющие – имели массу, которая при этом составляла лишь тысячные доли от массы любого известного иона. Томсон назвал новые частицы «электронами» (от греческого слова «янтарь»: с древности было известно, что от трения янтарь начинает притягивать мелкие предметы и испускать искры – эффекты, которые в современных терминах объясняются через идею статического электричества). Вскоре они стали важнейшим элементом всех новых моделей атомов.

Чтобы вырваться за пределы атома и стать свободным, электрону требуется некоторое количество энергии, разное для разных элементов. Её электрон может получить, например, за счёт поглощения фотонов света или любого другого электромагнитного излучения.

Другой способ образования свободных электронов – так называемый «бета-минус-распад», то есть превращение нейтрона внутри атомного ядра в протон. В ходе этого процесса из высвобожденных энергии и электрического заряда возникают пучки быстрых электронов и других частиц, антинейтрино.