Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Теория одного электрона. Вселенная из одного электрона?

04.05.2016 в 18:52

Теория одного электрона. 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

Теория одного электрона. Вселенная из одного электрона?. 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. 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. В случае 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.

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.

Теория одного электрона. Теория одноэлектронной Вселенной

Теория одноэлектронной Вселенной  —, в которой всеявляются одним электроном, находящимся попеременно в разных точках. Предпосылкой для создания гипотезы являлся принцип, то есть невозможность экспериментально различить два электрона. Основоположником гипотезы считается. Ввиду своей простоты гипотеза может быть сформулирована в рамках школьной программы по физике.

Формулировка

Рассмотрим для простоты двумерную Вселенную — одна ось пространства и одна ось времени. Вначертим произвольную кривую. Укажем направление обхода этой кривой. Выделим две части этой кривой: та часть, которая идёт вправо (синяя линия) и та часть, которая идёт влево (красная линия). Эти цвета соответствуют электрону и. Фрагментируем время: разделим ось времени на множество составляющих, при этом шаг разбиения может быть различным. Выберем на каждой полосе только одну составляющую кривой. Проделав всё это, мы имеем Вселенную, в которой в каждый момент времени всегда существует только один электрон, при этом может показаться что их несколько (на рисунке такое число достигает четырёх).

История создания

Фейнман пришёл к своей основной идее, когда он был студентом ввесной 1940 года, во время телефонного разговора со своим профессором физики. В речи при получении Нобелевской премии Фейнман следующим образом передаёт эту историю: «Фейнман, — сказал Уилер, — я знаю, почему все электроны обладают одним и тем же зарядом и одной и той же массой». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому, — ответил Уилер, — что все они являются одним и тем же электроном!»

В 1948 году Ричард Фейнман разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени.

Проблемы теории

  • Электронейтральность Вселенной. По этой теории число электронов должно быть или равным числу позитронов или отличаться на единицу. Однако во Вселенной(вот почему, когда Уилер описал свою гипотезу, Фейнман сразу же спросил его: «Но, профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов». «Хорошо, — парировал Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или ещё в чём-нибудь»).
  • Трудности при объяснении некоторых реакций элементарных частиц.
  • Достаточно создать одну пару электрон-позитрон, а потом их же аннигилировать, и тогда мировая линия электрона замкнется в кольцо, никак не связанное с мировой линией другого электрона, значит, электрон не один.

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.

Кто открыл электрон. История открытия

Джозеф Джон Томсон широко известен как первооткрыватель электрона. Большую часть своей карьеры профессор работал над различными аспектами проводимости электричества через газы. В 1897 ( год открытия электрона) он экспериментально доказал, что так называемые катодные лучи на самом деле являются отрицательно заряженными частицами в движении.

Много интересных вопросов связано непосредственно с процессом открытия. Очевидно, что характеристиками катодных лучей занимались еще до Томсона, и несколько ученых уже внесли свой важный вклад. Можно ли тогда с точностью сказать, что именно Томсон был первым, кто обнаружил электрон? Ведь он не изобрел вакуумную трубку или наличие катодных лучей. Открытие электрона - это чисто кумулятивный процесс. Кредитуемый первооткрыватель вносит важнейший вклад, обобщая и систематизируя весь накопленный до него опыт.

Кто открыл электрон. История открытия

Движение электронов. Совет 1: Как двигаются электроны

Электрон — стабильная элементарная частица, несущая отрицательный заряд. Величина заряда электрона принята за единицу измерения электрического заряда элементарных частиц.

Движение электронов. Совет 1: Как двигаются электроны

Инструкция

1

Электроны находятся в постоянном движении, вращаясь вокруг положительно заряженного атомного ядра. Сумма отрицательных зарядов электронов равна сумме положительных зарядов протонов ядра, поэтому атом нейтрален. Движение электронов вокруг ядра не хаотическое, его закономерности описаны планетарной теорией строения атома.

2

Планетарная модель атома была предложена в начале двадцатого века английским физиком Резерфордом. Упрощенно, по теории Резерфорда атом похож на звездную систему, в которой планеты-электроны вращаются по определенным орбитам вокруг звезды -атома.

3

С помощью законов механики описать движение электрона, как точки, нельзя. Электрон не движется с расчетной скоростью по заданной траектории, а с определенной периодичностью появляется в зоне своего вращения вокруг ядра атома . Такая зона не является линейной орбитой, а представляет собой орбиталь, существующую по законам квантовой механики. Взаимодействующие орбитали всех электронов создают вокруг атомного ядра электронную оболочку.

4

Электронная оболочка атома неоднородна, в ней выражены энергетические уровни с разной силой притяжения электронов к ядру. На близких к ядру слоях электроны притягиваются к ядру сильнее, чем на более удаленных. Чем ближе к ядру, тем меньше электронов в орбитали. Максимально возможное число электронов на энергетическом уровне N определяется формулой:
N=2n²
где n — номер энергетического уровня.

5

У орбиталей разные формы. Так, электронное облако первого уровня имеет самую устойчивую форму — сферическую. Более удаленные слои вытянуты гантелеобразно, а у периферических орбит очень сложная конфигурация. Такие уровни малоустойчивы, электроны движутся по ним со все возрастающей скоростью, связь с ядром все более ослабевает, а энергия электронов накапливается.

Совет 2: Как найти число электронов в атоме

Атом состоит из ядра и окружающих его электронов , которые вращаются вокруг него по атомным орбиталям и образуют электронные слои (энергетические уровни). Количество отрицательно заряженных частиц на внешних и внутренних уровнях определяет свойства элементов. Число электронов , содержащихся в атоме , можно найти, зная некоторые ключевые моменты.

Движение электронов. Совет 1: Как двигаются электроны

Вам понадобится

  • - бумага;
  • - ручка;
  • - периодическая система Менделеева.

Инструкция

1

Чтобы определить количество электронов , воспользуйтесь периодической системой Д.И. Менделеева. В этой таблице элементы расположены в определенной последовательности, которая тесно связана с их атомным строением. Зная, что положительный заряд атома всегда равен порядковому номеру элемента, вы легко найдете количество отрицательных частиц. Ведь известно - атом в целом нейтрален, а значит, число электронов будет равно числу протонов и номеру элемента в таблице. Например, порядковый номер алюминия равен 13. Следовательно, количество электронов у него будет 13, у натрия – 11, у железа – 26 и т.д.

2

Если вам необходимо найти количество электронов на энергетических уровнях, сначала повторите принцип Пауля и правило Хунда. Потом распределите отрицательные частицы по уровням и подуровням с помощью все той же периодической системы, а точнее ее периодов и групп. Так номер горизонтального ряда (периода) указывает на количество энергетических слоев, а вертикального (группы) – на число электронов на внешнем уровне.

3

Не забывайте о том, что количество внешних электронов равно номеру группы только у элементов, которые находятся в главных подгруппах. У элементов побочных подгрупп количество отрицательно заряженных частиц на последнем энергетическом уровне не может быть больше двух. Например, у скандия (Sc), находящегося в 4 периоде, в 3 группе, побочной подгруппе, их 2. В то время как у галия (Ga), который находится в том же периоде и той же группе, но в главной подгруппе, внешних электронов 3.

4

При подсчете электронов в атоме , учтите, что последние образуют молекулы. При этом атомы могут принимать, отдавать отрицательно заряженные частицы или образовывать общую пару. Например, в молекуле водорода (H2) общая пара электронов . Другой случай: в молекуле фторида натрия (NaF) общая сумма электронов будет равна 20. Но в ходе химической реакции атом натрия отдает свой электрон и у него остается 10, а фтор принимает - получается тоже 10.

Скорость электрона в вакууме. Скорость электрона в атоме больше скорости света в вакууме!

18.02.2017, 10:42. Просмотров 843. Ответов 10

Метки нет( Все метки )

Скорость электрона в вакууме. Скорость электрона в атоме больше скорости света в вакууме!-1)= U - Кинетическая энергия или U=Eп-T где Еп - полная энергия тела в данном случае электрон, Т- потенциальная энергия тела. По уравнению Шредингера для атома водорода полная энергия меньше потенциальной, а это возможно если кинетическая меньше нуля. U=0 при v=0 , U>0 при vc. Так что скорость электрона в атоме водорода превышает скорость света в вакууме.
Добавлено через 2 часа 27 минут Что теория Бора, что уравнение Шредингера, все равно полная энергия электрона отрицательна. В теории Бора потенциальная энергия приравнена к нулю, а это значит в формуле U=Eп -Т T=m0c2=0, а полная энергия все равно меньше потенциальной, а это все равно возможно если кинетическая энергия отрицательна и формула
Скорость электрона в вакууме. Скорость электрона в атоме больше скорости света в вакууме! Добавлено через 5 часов 38 минут А что по этому поводу говорит теория Бора
Отсюда кинетическая энергия электрона
Скорость электрона в вакууме. Скорость электрона в атоме больше скорости света в вакууме!Потенциальная его энергия
Скорость электрона в вакууме. Скорость электрона в атоме больше скорости света в вакууме!Полная энергия, соответственно, равна
Скорость электрона в вакууме. Скорость электрона в атоме больше скорости света в вакууме!Как видим полная и потенциальная отрицательны причем -Еп=Uположительной кинетической или потенциальная, если ее вычесть из полной то получим положительное тоже значение что и отрицательная полная энергия. Другими словами +1=-1- (-2)
Добавлено через 1 час 10 минут Модель Бора показывает главное, что бы сохранить кинетическую энергию положительной надо что бы полная и потенциальная энергии были отрицательны, иначе полная энергия меньше потенциальной за счет отрицательной кинетической.
Добавлено через 17 часов 2 минуты Когда электрон в потенциальной яме, его потенциальная энергия отрицательна и больше положительной кинетической, так что полная тоже отрицательна. И это ( потенциальная яма) в солидных учебниках, так что путаница с полной энергией ( не в школе у МарьИвановны)Что не хватает полной энергии из теории Бора до полной энергии СТО формулу плиз с учетом всех энергий и полных и не полных. И плиз объясните что в СТО потенциальная яма, как выглядит с точки зрения энергий полной, потенциальной, кинетической и всех остальных которые найдутся при объяснении.