НЕФТЬ-ГАЗ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
На главную >>


Теперь на нашем сайте можно за 5 минут создать свежий реферат или доклад

Скачать книгу целиком можно на сайте: www.nglib.ru.

Предложения в тексте с термином "Электрон"

Как-то раз еще в самом начале учебы в Принстоне Фейнман смог вычислить с помощью квантовой теории значение параметра, который был необходим одному из аспирантов, чтобы объяснить некоторые детали того, как ядро атома захватывает электрон в процессе, известном как обратный бета-распад.

Таким образом, вероятность того, что электрон (с отрицательным зарядом), попадающий в Галактику, будет двигаться по определенной траектории, равна вероятности того, что позитрон (с положительным зарядом), покидающий Галактику, будет двигаться по этой же траектории.

Нигде эта необходимость применения новых идей не была столь насущна, как в проблеме того, что называли «собственной энергией» электрона.

Заряженная частица, например электрон, взаимодействует с другими заряженными частицами, поскольку ее окружает силовое поле.

Это поле ослабевает при удалении от электрона, поэтому сильнее всего он взаимодействует с соседними заряженными частицами.

Однако электрон является точечным зарядом; у него нулевой радиус.

Таким образом, на самом электроне интенсивность поля равнялась бы 1, деленной на 0, а это бесконечность.

Другими словами, каждый электрон должен иметь бесконечную собственную энергию, которая, помимо всего прочего, обуславливала бы его бесконечную массу, согласно уравнению Эйнштейна Е — тс2.

Еще в студенческие годы Фейнман подозревал, что разгадка, скорее всего, состоит в том, что электрон вообще не действует на самого себя.

Согласно этому представлению, один электрон совершает колебание, в результате которого через определенное время колеблется другой электрон (временное запаздывание определяется расстоянием до второго электрона и скоростью света).

Однако в этом случае первый электрон никак не может взаимодействовать сам с собой.

На самом деле, заряженная частица типа электрона должна в некоторой степени взаимодействовать с собой, чтобы объяснить явление, известное под названием реакции излучения.

Очень часто электроны «трясут», чтобы заставить их излучать электромагнитную энергию, согласно уравнениям Максвелла.

Чтобы заставить электроны в антенне совершать колебания и излучать сигнал, который нужно передать, необходима энергия, причем эта энергия может быть в два раза больше (соответственно, необходим более мощный передатчик) той, которая потребовалась бы для приведения в движение эквивалентных нейтральных частиц.

Классическое описание электронов (а равно и всех других заряженных частиц) и электромагнитных полей имеет одну любопытную особенность: взаимодействие между каждым электроном и его полем (то есть действие на самого себя) в действительности имеет две составляющие.

Именно в этом и была загвоздка первоначальной идеи Фейнмана о том, что электрон не может действовать на самого себя: даже если бы такую концепцию можно было применить, она исключила бы оба слагаемых, избавившись не только от ненужной бесконечности, но и от реакции излучения.

Фейнман понимал, что необходимо какое-то взаимодействие, которое оказывало бы на электрон некое обратное действие и при ускорении обеспечивало реакцию излучения.

Он задумался, не может ли эта обратная реакция исходить от других электронов (строго говоря, от любых других заряженных частиц), а не от самого «поля».

Как и принято у физиков при попытке решить подобную задачу, Ричард рассмотрел простейший пример: вселенную, в которой существуют только два электрона.

Когда первый заряд совершает колебание, оно воздействует на второй заряд, который совершает ответное колебание (именно так работает приемник в вашем телевизоре или радиоприемнике: электроны, которые в нем находятся, реагируют на колебания электронов в передающей антенне).

Второй электрон реагирует на колебание первого через некоторый промежуток времени, и через этот же промежуток времени первый электрон отреагирует на колебание второго.

Таким образом, обратная реакция на первый электрон происходит через некоторое время после его собственного колебания, а потому не в тот момент, когда возникает реакция излучения.

Это весьма напоминает способ решения уравнений квантовой механики, дающий решение, соответствующее электронам с положительной энергией, и решение, соответствующее электронам с отрицательной энергией.

Уилер понял, что если бы обратная реакция от второго электрона включала только опережающие волны, то ее воздействие на первый электрон попало бы на него как раз в нужное время, чтобы вызвать реакцию излучения, так как оно преодолело бы то же расстояние с той же скоростью, но назад во времени.

Запаздывающая волна движется от первого электрона вперед во времени, а опережающая волна — назад.

Когда эти волны возбуждают колебания второго электрона, он создает другую запаздывающую волну, фаза которой точно противоположна фазе первой волны, а потому эта волна полностью уничтожает первую запаздывающую волну для всех следующих моментов времени, и опережающую волну, которая возвращается по следу первой волны к исходному электрону шаг в шаг с первой волной, усиливая исходную волну, в результате чего создается полная волна, соответствующая обычному решению уравнений Максвелла.

Эта опережающая волна попадает на первый электрон как раз в тот момент, когда он начинает колебаться и вызывает реакцию излучения.

Затем она возвращается в прошлое, уничтожая исходную опережающую волну от первого электрона.

В результате между двумя электронами существует отдельная волна, точно соответствующая традиционному решению уравнений Максвелла, но во всех прочих местах эта волна уничтожается, и реакция излучения появляется из уравнений автоматически, а бесконечная собственная энергия не возникает.

Итак, вся классическая электродинамика заключалась в таком новом и математически простом выражении, которое не содержало ни электромагнитные волны, ни поля при условии, что ваш разум достаточно открыт, чтобы принять реальность взаимодействий, движущихся назад во времени, то есть, когда колеблется один электрон, второй электрон в результате этого может совершить колебание, опережающее колебание первого электрона.

Он сказал: «Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковый заряд и одинаковая масса».

» — Уилер ответил: «Потому что все они — это один и тот же электрон!

» И он объяснил свою самую последнюю блестящую мысль о том, что позитрон можно рассматривать как электрон, который движется назад во времени, и что все электроны и все позитроны во Вселенной — это, в действительности, своего рода сечение, проведенное через сложную зигзагообразную траекторию, по которой одна частица пересекла Вселенную через пространство-время, создав сложный узел.

Когда первая вспышка энтузиазма погасла, Уилер понял, что эта идея не сработает, в частности потому, что в этом случае число позитронов во Вселенной должно равняться числу электронов, так как для каждого «зига», направленного вперед во времени, должен существовать свой «заг», направленный назад во времени.

На самом же деле, во Вселенной, судя по всему, существуют только те позитроны, которые создаются при взаимодействиях частиц; они вскоре после своего появления встречаются с электронами и аннигилируют.

Это была мысль о том, что изменение направления движения электрона во времени эквивалентно изменению знака его заряда, так что электрон, который движется вперед во времени, — это позитрон, который движется назад во времени, и наоборот.

Во всех квантово-механиче-ских вычислениях позитроны можно просто-напросто представить в виде электронов, которые движутся из прошлого в будущее, подобно опережающим волнам в обычно пренебрегаемом решении уравнений Максвелла: еще один пример того, как одно и то же явление можно описать совершенно по-разному (5).

Такой метод требует использования волновой функции, описывающей поведение квантовых объектов типа электронов и фотонов, и дифференциальных уравнений, которые описывают изменения волновой функции с течением времени.

Однако действие, состоящее из опережающих и запаздывающих взаимодействий (или даже только из запаздывающих взаимодействий), вводит ключевые переменные в два различных момента времени просто потому, что, когда колеблется первый электрон, второй электрон совершает колебания с запаздыванием.

Согласно теории Дирака, электрон в атоме водорода может существовать в одном из двух квантовых состояний, обладающих точно одинаковой энергией, словно на лестнице существует двойная ступенька.

Почти столь же важное открытие — точное измерение магнитного момента электрона — осветил Изидор Раби, но оно осталось в тени работы Лэмба, хотя очень скоро (как мы увидим в главе 6) оно тоже сыграло важную роль в развитии квантовой электродинамики.

Тогда Бете вычислил энергию электрона в атоме водорода, получив обычную бесконечность плюс поправка, обусловленная присутствием соседних атомных ядер (в данном случае одного протона).

Из полученного значения он вычел энергию свободного электрона, равную бесконечности, после чего осталась только поправка — искомый энергетический сдвиг.

Фейнману пришлось вернуться в свою комнату и, бросив задачу, учиться вычислять собственную энергию электрона и прочие величины, которыми он пренебрег, еще в течение двух месяцев.

К моменту следующей из трех крупных конференций, конференции в Поконо, состоявшейся в апреле 1948 года, он проделал почти всю работу, за которую впоследствии получил Нобелевскую премию, включая усовершенствованное рассмотрение позитронов и электронов, движущихся назад во времени; однако его материал еще не был оформлен в том виде, в каком его могли бы сразу понять другие физики, воспитанные на старых методах, связанных с гамильтоновым подходом и уравнением Шредингера.

Он также вычислил важное свойство, названное магнитным моментом электрона, и степень его отклонения от значения, предсказанного уравнением Дирака.

Когда Ричард заговорил об электронах, которые движутся назад и вперед во времени, физики зашли в тупик.

Первое задание, которое Бете дал Дайсону, состояло в повторении вычисления, впервые сделанного Бете, лэмбовского сдвига для электрона с нулевым спином (вымышленное упрощение), учитывая требования специальной теории относительности (соответствующие учету спина).

К примеру, мой атом: когда я думаю об электроне, который вращается в атоме, я вижу атом, век

На этом заседании один из физиков, Мюр-рей Слотник, представил новые результаты, описывающие, как электрон отскакивает от нейтрона.

» Когда они сравнили результаты, оказалось, что Фейнман не только получил те же ответы, что и Слотник, но и нашел гораздо более общее решение, которое разрешало передачу импульса от электрона к нейтрону (отдачу нейтрона, когда о него ударяется электрон); Слотник же решил эту задачу только для нулевой передачи импульса (без отдачи).

Мы знаем, как вычислить любую величину, которая связана с электронами и фотонами.

Квантовая электродинамика — это теория, описывающая все взаимодействия света (фотонов) и заряженных частиц, в частности, все взаимодействия фотонов и электронов.

Поскольку взаимодействия между атомами зависят от расположения электронов в облаках вокруг ядер, это означает, что, помимо всего прочего, КЭД лежит в основе всей химии.

Свойство, называемое магнитным моментом электрона, о котором мы упоминали в главе 5, является, наряду с лэмбовским сдвигом, классическим примером успеха новой теории; это свойство можно полностью объяснить с помощью фейнмановской теории.

Если воспользоваться электронной теорией Дирака, то можно выбрать такие единицы измерения, в которых величина магнитного момента электрона будет в точности равна 1.

Все это обосновывает наш переход к альтернативной квантово-механи-ческой формулировке происходящего, где свет описывается через некоторые категории (фотоны, электроны или что-либо еще), следующие по траекториям, определяемыми квантовыми вероятностями.

Впоследствии позитрон сталкивается с другим электроном и аннигилирует, образуя гамма-луч.

(Ь) Однако точно так же можно сказать, что есть всего один электрон (е), который слева начинает двигаться в будущее, затем сталкивается с энергетическим фотоном, который движется назад во времени и заставляет электрон повернуть вспять и двигаться назад во времени до столкновения с другим гамма-лучом, который вернет его к движению в будущее.

Позитрон же — это электрон, движущийся назад во времени.

Эксперимент с двумя щелями демонстрирует, что даже в случае с объектом, который мы привыкли считать частицей (типа электрона), нечто (либо сама частица, либо вероятностная волна) проходит через обе щели и интерферирует сама с собой так, что на экране создается некоторая картина.

Можно вообще представлять все большее и большее количество щелей, пока не останется ничего, что мешало бы прохождению электронов или фотонов, то есть эксперимент без щелей, или с одной щелью, или с бесконечно большим количеством щелей, в зависимости от ваших предпочтений.

Одна из главных идей Фейнмана заключалась в том, что электрон или фотон (или что-то еще) можно по-прежнему считать прошедшим через каждую из бесконечного количества щелей, как обычно, складывая вероятности, связанные с каждым путем.

Интегрируя (складывая) вероятности буквально для каждого возможного пути фотонов или электронов от источника света до детекторного экрана, вы получаете, что самый вероятный путь следования частицы — это прямая линия от источника до детектора.

Типичной фейнмановской диаграммой является пространственно-временная диаграмма, представляющая взаимодействие двух электронов, состоящее в обмене фотоном.

Электроны приближаются друг к другу, обмениваются фотоном и расходятся в разные стороны (рисунок 11).

Я видел движущиеся электроны: в одной точке они рассеивались, затем перемещались в другую точку и рассеивались там, испуская фотон, который двигался дальше.

Но чтобы ухватить суть происходящего, достаточно одних картинок, на которых мы и остановимся, после того как расскажем, каким образом был сделан тот фантастически точный расчет магнитного момента электрона.

Простейшую разновидность взаимодействия электрона с магнитным полем можно представить в виде диаграммы, изображенной на рисунке 12.

Фотон от магнита поглощается электроном.

Однако электрон также может быть вовлечен в своего рода взаимодействие с самим собой, при котором он испускает фотон, затем вновь поглощает тот же самый фотон (называемый «виртуальным» фотоном), а в промежут

Фейнмановская диаграмма также может описать, как движущийся из А в В электрон отклоняется при взаимодействии с магнитным полем (когда он встречает фотон от магнита).

Следует рассмотреть возможность испускания электроном двух фотонов (одного за другим) и последующего поглощения их.

Электрон может испустить виртуальный фотон, а затем поглотить его, параллельно взаимодействуя с фотоном от магнита.

Кроме этого, есть еще и другие сложности, которые нужно включать если не в расчет, то, по крайней мере, в наше умственное представление того, что же происходит с электроном или с любым другим квантовым объектом.

Один фотон не переносит большого количества энергии, и электрон, несомненно, может потратить некоторую долю своей кинетической (или какой-то еще) энергии на создание фотона.

Оказывается, что в квантовом мире невозможно одновременно определить все свойства квантового объекта, например фотона или электрона.

Самое важное здесь то, что этот принцип никак не связан с нашей неспособностью измерять свойства таких крошечных объектов, как электроны; эта характеристика «встроена» в саму природу этих объектов^4).

Электрон может иметь очень точно определенное положение (как в том случае, когда он создает световое пятно на экране детектора), но после этого сам электрон не «знает», куда он направится дальше.

Или электрон может иметь

130 Ричард Фейнман четко определенный импульс (как в том случае, когда он движется по определенной траектории), но при этом сам электрон точно не «знает», в каком месте этой траектории он находится.

Им не нужно занимать энергию у электронов, участвующих во взаимодействии.

И даже эти виртуальные электроны и виртуальные позитроны могут принять участие в процессе создания фотонов и виртуальных пар.

Каждый «реальный» электрон на самом деле окружен целым облаком виртуальных фотонов и прочих объектов, которые беспрестанно рождаются и умирают.

Именно облако виртуальных фотонов (и других частиц), окружающее электрон, не дает ему вести себя подобно «голому» точечному заряду и сокращает его взаимодействие с самим собой от бесконечности до малой величины, обуславливающей лэмбовский сдвиг.

Частицы, которые могут принять участие в слабых взаимодействиях, — это протон и нейтрон, с одной стороны, и электрон и связанная с ним частица, называемая нейтрино, с другой стороны.

Протоны и нейтроны являются членами семейства барионов, а электроны и нейтрино — это члены семейства лептонов.

В течение нескольких минут нейтрон распадается, выбросив электрон и преобразуясь в протон.

132 Ричард Фейнман первый взгляд кажется, что мир приобрел один лептон (электрон); однако оказывается, что при распаде нейтрона всегда создается также еще одна частица — антинейтрино.

В данном случае во взаимодействие могут вступить протон и электрон, обмениваясь частицей W~, чтобы создать нейтрон и нейтрино.

Объясняя все, что можно объяснить о взаимодействиях электронов и фотонов, шаблон КЭД объясняет также и все то, что можно объяснить о слабых взаимодействиях, почти со столь же высокой точностью, которая присуща и самой КЭД.

Используя КЭД в качестве шаблона, теория электрослабых взаимодействий описывает взаимодействие, в котором нейтрон (N) взаимодействует с нейтрино (уе) путем обмена W--частицей, вследствие чего создается протон (р+) и электрон (е~) (сравните с рисунком 11).

В этом случае во взаимодействие вступят электрон и протон, создавая нейтрон и нейтрино.

Для работы над последним вопросом ему нужно было сравнить теорию с экспериментом так же, как он сравнивал теорию квантовой электродинамики с практическим измерением лэмбовского сдвига или магнитного момента электрона.

Ключ к объяснению сверхтекучести лежит в поведении квантовых объектов, а именно: отношении к атомам гелия как к самостоятельным квантовым объектам типа электронов или фотонов; точнее, в отношении к ним именно как к фотонам.

К фермионам относятся объекты, которые мы привыкли считать частицами, например электроны; каждый из них имеет полу целое значение

Каждый из электронов, окружающих ядро атома, должен находиться в уникальном квантовом состоянии на отдельной ступеньке энергетической «лестницы».

154 Ричард Фейнман ступеньке могут располагаться два электрона, потому что их спины могут иметь противоположное направление (один |, другой |), но всем остальным электронам приходится довольствоваться, в некотором смысле, положением, все более далеким от ядра, чтобы не оказаться в том же состоянии, что и один из этих двух внутренних электронов.

На самом деле, положение вещей немного сложнее, чем мы описали, но важный момент состоит в том, что каждый электрон имеет свое место подобно человеку, который пришел в театр и знает, что для него зарезервировано место в зрительном зале.

Если бы фермионы не обладали таким свойством исключительности, все электроны в атоме — в любом атоме — толпились бы в самом низком энергетическом состоянии вблизи ядра, вследствие чего все атомы обладали бы более или менее одинаковыми химическими свойствами, а химического разнообразия, благодаря которому мир так интересен, а жизнь возможна, не было бы вообще.

так же, как фотоны, а другая его часть ведет себя подобно частицам типа электронов (фермионный газ).

Подобные фундаментальные открытия происходят в физике крайне редко; одним из немногих примеров, сравнимых с уравнением Дирака для электрона, могли бы стать электромагнитные уравнения Максвелла.

Однако в 1957 году он приблизился к реализации своей мечты — приблизился настолько, чтобы убедить себя в том, что он сделал важный вклад — со своим вариантом теории бета-распада — процесса слабого взаимодействия, при котором ядро (или отдельный нейтрон) выбрасывает электрон.

Даже Дирак поднимался к этой вершине лишь дважды: первый раз, создав свою версию квантовой механики, и второй — составив уравнение движения электрона.

Чтобы объяснить свойства повседневной материи, состоящей из атомов, хватало протона, нейтрона и электрона вкупе с нейтрино, которое еще напрямую не наблюдалось, но было необходимо для объяснения бета-распада.

В этих ускорителях для ускорения частиц типа электронов или протонов до очень высоких скоростей (составляющих ощутимую часть от скорости света) используются электромагнитные поля.

Допустим, что быстро движущийся электрон сталкивается с нейтроном, создавая ливень частиц; это не значит, что созданные частицы были, в некотором смысле, скрыты внутри нейтрона и ждали высвобождения; при подобных экспериментах общая масса созданных при столкновении частиц может быть во много раз больше массы нейтрона, и вся эта масса возникает из энергии движения сталкивающихся частиц.

Частицы, безразличные к сильному взаимодействию (например электроны), называют лептонами.

Свойства атомов определяются количеством и природой частиц, из которых они образованы: электронов, протонов и нейтронов.

С самого начала Цвейг считал их реальными частицами, а не «абстрактными полями», и его ничуть не смутил тот факт, что для действия подобной схемы каждый из его «тузов» должен был иметь заряд, составляющии некоторую долю заряда электрона: ^ или ± если заряд электронапринять за 1.

Новый ускоритель состоял из прямой трубки длиной в две мили, из которой пучок электронов попадал в мишень, где электроны сталкивались со стационарными протонами, создавая осколки в виде частиц, струящихся из точки столкновения.

Такой эксперимент был менее эффективен, чем столкновение протонов, но, поскольку электроны можно считать точечными частицами, все надеялись, что при рассеивании электронов на протонах в ходе эксперимента проявится какая-либо структура протона точно так же, как несколькими десятилетиями раньше при рассеивании частиц с гораздо более низкой энергией на атомах было открыто существование ядра атома.

С самого начала Фейнман был убежден, что кварки — если они действительно существуют — могут быть изолированными частицами не больше, чем это могут электроны.

Не забывайте, что каждый электрон окружен облаком виртуальных фотонов — переносчиков электромагнитного взаимодействия; судя же по представлениям того времени, кварки внутри протона или нейтрона связаны с облаками «глюонов» — переносчиков сильного взаимодействия, удерживающих их вместе.

Если действительно существуют частицы с зарядом, равным одной или двум третьим от заряда электрона, почему их никто не видел?

На языке того, что сейчас называется квантовой хромодинами-кой (КХД), которая занимается изучением кварков, обменивающихся глю-онами так же, как электроны обмениваются фотонами в КЭД (см.

Действие есть сумма всех разностей, взятых во всех точках траектории движения мяча в воздухе (точно так же действие можно вычислить для заряженных частиц, движущихся в электрическом или магнитном поле, включая электроны, движущиеся в атомах).

Например, электрическая сила между двумя электронами сильнее гравитационной силы между этими же электронами чуть более, чем в 4 х 1042 раза.

В КЭД можно добавить к диаграмме одну петлю и вычислить результирующую квантовую поправку, затем добавить две петли, затем три и так далее, постоянно повышая точность вычисления (например, магнитного момента электрона), покуда у вас хватит терпения и мощности компьютера для проведения таких вычислений (это и есть метод теории возмущений, упомянутый Хартлом).

Все вместе описывает то, что называют амплитудой частного взаимодействия, например, одного пути, который может выбрать электрон через одну из щелей в эксперименте с двумя щелями.

В этом случае волна-предложение проходит через обе щели прежде, чем электрон вообще начнет движение.

Волна-подтверждение также возвращается через обе щели, более того, волны-подтверждения возвращаются по всем возможным путям, отовсюду, куда только может попасть электрон; это очень напоминает безумные траектории, по которым свет отражается от зеркала в КЭД.

Однако электрон принимает только одну волну-подтверждение и потому в действительности движется только по одному пути к месту назначения на детекторном экране.

Наряду с полным использованием опережающих и запаздывающих волн, согласно такой картине природа действительно производит «суммирование историй», чтобы определить, куда, в конечном итоге, попадет электрон.

Это объясняет квантовые загадки типа той, откуда электроны «заранее знают», открыта одна щель или обе в эксперименте с двумя щелями (см.

Самое замечательное свойство транзакционнои интерпретации состоит в том, что она является простым способом представить, что происходит в квантовом мире без загадок типа котов, которые являются живыми и мертвыми одновременно, или электронов, которые проходят через две щели одновременно; и все, что от нас при этом требуется, — принять реальность опережающих волн.

Атомы водорода Бете вычисляет энергию электрона в 108 — и микроволны 106 — и подход, связанный с интегрированием по путям 205-206

Предметный указатель — замедляющиеся 99-100 — и деление ядра 94 — и радиоактивный распад 130 — и слабые взаимодействия 130, 131 — кварки и 132, 133 — обнаружены 38 — под действием сильного взаимодействия 183— электрически нейтральные 38— электроны, отскакивающие от 117 Немецкая электрон-синхротронная установка (DESY) 188

Позитроны виртуальные 129 — и электроны 83, 109, 121, 129 — положительно заряженные 50, 75 — получили название 50 Полюса магнита 35, 36 «Поля-духи» 254-255 «Поминики по Финнегану» (Джойс) 185 Постоянная Планка 41, 43, 255 Премия им.

121,206,258-260 — электрона Дирака 48-50, 81, 95, 106,

15 Фоккер, Адриан 82 Фокс, Джеффри 193 Фонд Форда 168 Фотоны виртуальные 127-129, 134, 190 — и гравитоны 159 — и эксперимент с двумя щелями 46, 56 — и электроны 120, 121 — получили название 42 — рассеивание другими фотонами 116 — рассеивание под действием электрического поля 116 Фотоэлектрический эффект 42 Франкфортский арсенал, Филадельфия

56, 120, 122, 260-262 Электричество 35, 140, 168 Электродинамика 83, 134 — симметричная во времени 84 Электромагнетизм 39, 132, 182, 248, 249, — иКЭД 130 Электромагнитные волны 39-40, 42 — и уравнения Максвелла 35 — находящиеся в одной фазе 39 — находящиеся в разных фазах 39 Электрон(ы) взаимодействие с самим собой 78-80, 127 — виртуальные 129 — волновое поведение 43, 44 — движущиеся вперед и назад во времени 83, 109, 110— и виртуальные фотоны 127, 190— и неопределенность 128— и позитроны 83, 109, 121, 129— и радиоактивный распад 130, 131— и слабые взаимодействия 130, 131— и эксперимент с двумя щелями 45, 46— как частицы 44— магнитный момент 106, 110, 120, 126—

К примеру, с помощью специальной теории относительности приходится описывать электроны, беснующиеся внутри атомов*.

Электрон был открыт в 1890-х годах британским физиком Дж.

Кроме того, ядро каждого атома окружено электронным облаком из расчета один отрицательно заряженный электрон на каждый протон в ядре; это облако остается на своем месте, благодаря взаимному притяжению отрицательного заряда электронов и суммарного положительного заряда ядра.

Кроме того, в начале 1930-х годов физики уже начали подозревать, что существует еще одна разновидность частиц, названная нейтрино, которая не была обнаружена непосредственно, но требовалась для уравновешения запаса энергии каждый раз, когда нейтрон превращался в протон при отрыве электрона (этот процесс известен под названием бета-распада).

Почему все отрицательно заряженные электроны внешней части атома не втягиваются в ядро под действием притяжения всех положительно заряженных протонов?

В ядре сосредоточена почти вся масса атома (протоны и нейтроны примерно равны по своей массе, которая где-то в 2000 раз превышает массу электрона), однако электроны отвечают за относительно большой размер атома и за «лицо», которым он обращен к миру (т.

В нем были частицы, вроде недавно открытых электронов, и волны, вроде электромагнитных волн, описываемых уравнениями Максвелла.

Таким образом, даже тогда было ясно, что свет создают электроны, которые каким-то образом колеблются в атомах.

Хотя интерпретация квантовой идеи Эйнштейном точно разрешала грандиозное противоречие в физике (каким образом свет, падающий на металлическую поверхность, высвобождает электроны при фотоэлектрическом эффекте), сначала она встретила враждебную реакцию.

Мы до сих пор не объяснили, почему электроны не падают в ядро атома.

В центре располагалось ядро, вокруг которого по орбитам, весьма похожим на орбиты планет, вращались электроны.

В соответствии с классической теорией, электроны, движущиеся по таким орбитам, постоянно испускали бы электромагнитное излучение, теряя энергию и очень быстро падая на ядро.

Однако Бор понял, что это невозможно, так как, если расширить идею Планка, электроны «имеют право» только лишь излучать энергию в виде отдельных порций — квантов.

Вследствие этого электрон не может постоянно падать в ядро; вместо этого ему скорее пришлось бы перепрыгивать с одной устойчивой орбиты на другую по мере потери энергии и движения к ядру, как если бы Марсу пришлось внезапно перепрыгнуть на орбиту Земли.

Но, сказал Бор, все электроны не могут столпиться на самой близкой к ядру орбите (как все планеты Солнечной системы не могут вдруг перепрыгнуть на орбиту Меркурия), так как на каждой орбите может находиться только разрешенное количество электронов.

Если внутренняя орбита заполнена, то любые другие электроны, принадлежащие этому атому, обязаны располагаться на более удаленных от ядра орбитах.

Картина, нарисованная Бором, основывалась на весьма эксцентричном сочетании классических представлений (орбит), новых квантовых понятий, догадок и новых правил, изобретенных для объяснения, почему все электроны не могут находиться на одной орбите.

Бор приписывал эти линии перепрыгиванию электронов с одной орбиты (одного энергетического уровня) на другую внутри атомов.

Яркая линия появляется тогда, когда все идентичные электроны во многих идентичных атомах (подобных атомам натрия в газовых фонарях) перепрыгнули ближе к ядру на необходимое расстояние, причем каждый из них высвободил одинаковое количество электромагнитной энергии в виде световых квантов с одинаковой частотой, определяемой формулой Планка Е = hf.

Темная линия образуется тогда, когда фоновую энергию поглотили электроны, совершающие соответствующий энергетический прыжок вверх с одной устойчивой орбиты на другую, более удаленную от ядра («одной ступенькой вверх» по лестнице).

Если бы электроны на самом деле были волнами, сказал де Бройль, то каждая орбита атома могла бы соответствовать моделям, в которых целое число электронных волн укладывалось бы по орбите, создавая так называемую стоячую волну.

Де Бройль получил степень доктора философии, а научному миру пришлось смириться с тем, что как свет, который они привыкли считать волной, можно также описать в виде частиц, так и электрон, который они привыкли считать частицей, можно описать в виде волн.

Джордж Том-сон, доказавший, что электроны — это волны, был сыном Дж.

(Ь) Когда электроны (или даже фотоны) пропускают через такую установку, но при одной открытой щели, они, подобно частицам, скапливаются за этой щелью.

Откуда электроны наперед знают, открыта ли одна щель или две, и соответствующим образом изменяют поведение?

Но если в ходе эксперимента с двумя щелями выпускать отдельные частицы (например электроны) друг за другом, то из повседневного опы

Соответствующий детекторный экран по другую сторону (по сути, напоминающий экран телевизора) должен был бы — если электроны являются частицами — показать две кляксы, соответствующие траекториям электронов, проходящих через каждую щель.

Мы подчеркиваем, что такой эксперимент действительно имел место и что так себя ведут и электроны, и фотоны.

К примеру, перед тем как в эксперименте с двумя щелями будет выпущен отдельный электрон, экспериментатор не сможет сказать, в какое место экрана, находящегося по другую сторону, попадет этот электрон.

Вероятно, что этот электрон появится на яркой полосе, и невероятно, что он появится на одной из темных полос картины, — это все, что вы можете сказать.

Так как же нам рассматривать электрон «в» атоме, где он не «прибывает» на детектор, а скорее «путешествует» по своей «орбите»?

Согласно стандартному представлению, которым в течение последних семидесяти лет пользуются физики, электрон невозможно поместить в какую-то одну точку пространства вблизи ядра, место нахождения каждого электрона охватывает некоторую область пространства, окружающего ядро, причем она не просто тянется по отдельной орбите (подобно орбитам, по которым планеты движутся вокруг Солнца), а простирается в виде оболочки, буквально

Орбиталь считают «облаком вероятности», представляющим вероятность нахождения электрона.

Положение, в которое электрон может прибыть, обусловливается исключительно случаем, произвольно выбранным из всех доступных вариантов.

Но сразу по окончании наблюдения электрон вновь растворится в дымке вероятностей.

Способ появления объекта типа электрона в виде частицы при измерении называется «коллапсом волновой функции»; предполагается, что все квантовые системы существуют в некотором состоянии вероятностной неопределенности, пока не осуществлено наблюдение или измерение, вызывающее коллапс волновой функции.

Поскольку лицо, которым атом обращен к миру — к другим атомам, — это его электронное облако, а вся химия зависит от способа взаимодействия электронных облаков различных атомов друг с другом, именно такое квантово-механи-ческое представление поведения электронов лежит в основе чрезвычайно успешного современного понимания химии, развившегося благодаря этим открытиям (6).

Уравнение Дирака содержало в себе все, что было известно об электроне, и давало предсказания, соответствовавшие результатам экспериментов.

Уравнение Дирака не только объясняло все, что можно было объяснить об электроне; оно давало два варианта объяснения.

Второе решение уравнения Дирака описывает частицы, тождественные электронам, но имеющие отрицательную энергию.

Но гений Дирака задался вопросом «что если» — что если эти электроны с отрицательной энергией существуют?

Загвоздка состояла в том, что если допустить возможность отрицательной энергии электронов, на первый взгляд кажется, что все электроны должны иметь отрицательную энергию.

Если бы у электронов существовали «уровни отрицательной энергии», то ясно, что даже самый высокий из них находился бы ниже самого низкого уровня положительной энергии и все электроны падали бы на отрицательные уровни, испуская при этом сияющую электромагнитную энергию.

Если бы все «море» отрицательной энергии было наполнено электронами, то единственным вакантным местом для остальных электронов остались бы более высокие уровни положительной энергии.

Допустим, что некоторое энергетическое взаимодействие — быть может, воздействие космического луча — сообщило энергию одному из невидимых электронов в море отрицательной энергии и перевело его в состояние с положительной энергией?

В таком случае электрон стал бы

50 Ричард Фейнман обнаружимым («видимым») для физиков, подобно обычному электрону.

Однако в море отрицательной энергии этот электрон оставил бы после себя «дырку».

Электроны переносят отрицательный электрический заряд, поэтому, как в конце 1920-х годов показал Дирак, дырка в море отрицательного заряда вела бы себя как частица с положительным зарядом (отсутствие отрицательного эквивалентно присутствию положительного).

Допустим, что дырка находится рядом с обнаружимым видимым электроном, например электроны с отрицательной энергией в море отталкиваются видимым электроном и пытаются избежать этого воздействия, по очереди прыгая в дырку; как только один соседний невидимый электрон попадет в нее, дырка заполнится, а на его месте появится новая дырка и т.

Весь эффект состоял бы в движении дырки к видимому электрону, причем ее поведение в точности совпадало бы с поведением положительно заряженной частицы.

Чтобы узнать, что происходит при встрече дырки с видимым электроном, читайте дальше.

Если рассматривать его уравнение непосредственно, то единственный физический смысл, который можно приписать дырке, — это то, что она является частицей, подобной электрону, но с положительным зарядом.

Но не забывайте, что в 1928 году физикам были известны всего две разновидности частиц: электрон (с отрицательным зарядом) и протон (гораздо более массивный, но с положительным зарядом, по величине равным отрицательному заряду электрона).

Однако в 1932 году американец Карл Андерсон обнаружил следы частиц, которые вели себя точно так же, как электроны, но обладали положительным зарядом.

Андерсон заключил, что новые частицы являются положительно заряженными двойниками электронов и назвал их позитронами (пример того, что называют антиматерией); эти частицы обладали именно такими свойствами, которые совпадали с поведением дырок Дирака.

Все это можно объяснить с помощью вариаций теории дырок, причем эта теория до сих пор остается одним из лучших умственных представлений того, каким образом высвобождается энергия, когда частица (такая как электрон) встречает своего двойника из мира античастиц (в данном случае позитрон) и аннигилирует, оставляя после себя лишь сгусток энергии.

Электрон провалился в позитронную дырку, при этом высвободилась энергия, после чего и дырка, и электрон просто исчезли из повседневного мира, так как произошло их взаимоуничтожение.

Или если имеется свободная энергия (быть может, от энергетического фотона), невидимый электрон с отрицательной энергией может быть вытолкнут из дырки и превращен в видимый, создавая тем самым (с дыркой, которая осталась после него) электронно-позитронную пару.

Однако хотя физическая картина проста и довольно привлекательна (если вам не мешает жить понятие моря невидимых электронов с отрицательной энергией), математика теории дырок оказалась достаточно громоздкой, чтобы использовать ее для описания взаимодействий дырок.

Ко времени получения Дираком Нобелевской премии человек, которому предстояло показать гораздо более простой способ описания взаимодействий электронов и протонов, перешел в выпускной класс средней школы в Фар-Рокуэй.




Главный редактор проекта: Мавлютов Р.Р.
oglib@mail.ru