อิเล็กตรอนประกอบด้วยอะไร? มวลและประจุของอิเล็กตรอน

อิเลคตรอนเป็นอนุภาคพื้นฐานซึ่งเป็นหนึ่งในโครงสร้างที่มีโครงสร้างของสสาร โดยการจำแนกเป็น fermion (อนุภาคที่มีการหมุนครึ่งจำนวนเต็มตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ E. Fermi) และแอนติบอดี (อนุภาคที่มีการหมุนครึ่งจำนวนเต็มซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งซึ่งเป็นหนึ่งในสี่ฟิสิกส์พื้นฐาน) จำนวนบิวโรนของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับศูนย์เช่นเดียวกับของแอนติบอดีอื่น ๆ

จนกระทั่งเมื่อเร็ว ๆ นี้เชื่อกันว่าอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบพื้นฐานนั่นคือโครงสร้างที่ไม่มีการแบ่งแยกไม่แบ่งแยก แต่นักวิทยาศาสตร์มีความเห็นแตกต่างกันไป อิเล็กตรอนประกอบด้วยอะไรตามความคิดของนักฟิสิกส์สมัยใหม่?

ประวัติความเป็นมา

แม้ในสมัยกรีกโบราณนักธรรมชาตินิยมสังเกตเห็นว่าอำพันที่ทำด้วยขนสัตว์ก่อนหน้านี้ดึงดูดวัตถุขนาดเล็กให้กับตัวเองนั่นคือแสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้า ชื่อของมันได้รับจากอิเล็กตรอนจากกรีกἤλεκτρονซึ่งหมายความว่า "อำพัน" คำนี้ได้รับการเสนอโดย J. Stoney ในปีพ. ศ. 2437 แม้ว่าอนุภาคของมันถูกค้นพบโดย J. Thompson ใน พ.ศ. 2440 ตรวจพบว่าเป็นเรื่องยากสาเหตุนี้เป็นมวลขนาดเล็กและการ คิดค่าบริการของอิเล็กตรอน อยู่ในประสบการณ์ในการหาข้อเด็ดขาด ภาพแรกของอนุภาคได้มาจาก Charles Wilson โดยใช้กล้องพิเศษซึ่งใช้ในการทดลองสมัยใหม่และตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่เขา

ความจริงที่น่าสนใจคือหนึ่งในสิ่งที่จำเป็นสำหรับการค้นพบอิเล็กตรอนคือคำกล่าวของเบนจามินแฟรงคลิน ในปี ค.ศ. 1749 เขาได้ตั้งสมมติฐานว่ากระแสไฟฟ้าเป็นสารวัสดุ ในการทำงานของเขานั้นมีการใช้ข้อตกลงในแง่บวกและลบในการใช้งานเป็นครั้งแรกตัวเก็บประจุการคายประจุแบตเตอรี่และอนุภาคไฟฟ้า ค่าประจุที่เฉพาะเจาะจงของอิเล็กตรอนจะถือว่าเป็นลบและโปรตอนจะถือว่าเป็นบวก

การค้นพบอิเล็กตรอน

ในปี ค.ศ. 1846 แนวคิดของ "อะตอมของกระแสไฟฟ้า" เริ่มถูกนำมาใช้ในงานของเขาโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Wilhelm Weber Michael Faraday ค้นพบคำว่า "ไอออน" ซึ่งตอนนี้บางทีพวกเขายังคงรู้จักจากโรงเรียน นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังอย่างฟิสิกส์ชาวเยอรมันและนักคณิตศาสตร์ Julius Plukker, Jean Perren, นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ William Crookes, Ernst Rutherford และคนอื่น ๆ มีส่วนเกี่ยวข้องกับธรรมชาติของกระแสไฟฟ้า

ดังนั้นก่อน Joseph Thompson ประสบความสำเร็จในการประสบความสำเร็จในการใช้ประสบการณ์ที่มีชื่อเสียงและพิสูจน์ว่าอนุภาคมีขนาดเล็กกว่าอะตอมนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากทำงานในวงนี้และการค้นพบนี้จะเป็นไปไม่ได้ถ้าพวกเขาไม่ได้ทำงานมหาศาลนี้

ในปี 1906 โจเซฟ ธ อมป์สันได้รับรางวัลโนเบล การทดลองมีดังต่อไปนี้: ผ่านแผ่นโลหะแบบคู่ขนานที่สร้างสนามไฟฟ้าคานแคโทดถูกส่งผ่าน จากนั้นพวกเขาก็ต้องทำแบบเดียวกัน แต่แล้วผ่านระบบขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็ก Thompson พบว่ารังสีแกว่งตัวอยู่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าและเหมือนกันกับการกระทำของแม่เหล็ก แต่คานแคโทด ray ไม่เปลี่ยนวิถีถ้าพวกเขาถูกกระทำโดยเขตข้อมูลทั้งสองในอัตราส่วนบางอย่างขึ้นอยู่กับความเร็วของอนุภาค

หลังจากการคำนวณ Thompson ได้เรียนรู้ว่าความเร็วของอนุภาคเหล่านี้มีค่าต่ำกว่าความเร็วของแสงอย่างมากซึ่งหมายความว่ามีมวล ตั้งแต่นั้นมานักฟิสิกส์ได้เชื่อว่าอนุภาคที่เปิดอยู่ของสสารเป็นส่วนหนึ่งของอะตอมซึ่งภายหลังได้รับการยืนยันจาก การทดลอง ของ รูเทอร์ฟอร์ด เขาเรียกมันว่า "แบบจำลองของดาวเคราะห์ของอะตอม"

Paradoxes ของโลกควอนตัม

คำถามเกี่ยวกับอิเล็กตรอนประกอบด้วยอะไรค่อนข้างซับซ้อนอย่างน้อยในขั้นตอนนี้ของการพัฒนาวิทยาศาสตร์ ก่อนที่จะพิจารณามันหนึ่งต้องหันไปหนึ่งใน paradoxes ของฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งแม้นักวิทยาศาสตร์เองไม่สามารถอธิบายได้ นี่คือการทดลองที่มีชื่อเสียงซึ่งมีช่องสองช่องอธิบายถึงลักษณะคู่ของอิเล็กตรอน

สาระสำคัญของมันอยู่ในความจริงที่ว่าก่อน "ปืน" ยิงอนุภาคมีการติดตั้งกรอบที่มีรูรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าแนวตั้ง ด้านหลังมีกำแพงที่มองเห็นร่องรอยจากยอดนิยม ก่อนอื่นเราต้องทำความเข้าใจว่าเรื่องนี้เป็นอย่างไร วิธีที่ง่ายที่สุดในการจินตนาการว่าลูกเทนนิสได้รับการเปิดตัวโดยเครื่อง บางลูกตกอยู่ในหลุมและร่องรอยของความนิยมบนผนังจะถูกเพิ่มลงในแถบแนวตั้ง ถ้าในระยะทางหนึ่งเพื่อเพิ่มอีกหนึ่งหลุมเดียวกันร่องรอยจะฟอร์มตามลำดับสองวง

คลื่นในสถานการณ์เช่นนี้ต่างกัน ถ้ามีสัญญาณของการชนกับคลื่นบนผนังในกรณีของหลุมหนึ่งแถบก็จะเป็นหนึ่ง อย่างไรก็ตามทุกอย่างเปลี่ยนแปลงไปในกรณีของสองช่อง คลื่นที่ไหลผ่านรูถูกแบ่งออกเป็นครึ่ง หากด้านบนของคลื่นหนึ่งตัวตรงกับส่วนล่างของอีกดวงหนึ่งพวกเขาจะดับกันและรูปแบบการรบกวนจะปรากฏบนผนัง (แถบแนวตั้งหลายเส้น) สถานที่ที่จุดตัดของคลื่นจะออกจากร่องรอย แต่ไม่มีสถานที่ใดที่มีการดับไฟร่วมกัน

ค้นพบที่น่าทึ่ง

ด้วยความช่วยเหลือของการทดลองที่อธิบายไว้ข้างต้นนักวิทยาศาสตร์สามารถแสดงให้โลกเห็นถึงความแตกต่างระหว่างควอนตัมและฟิสิกส์คลาสสิก เมื่อพวกเขาเริ่มโจมตีกำแพงด้วยอิเล็กตรอนพบร่องรอยตามแนวตั้งตามปกติ: อนุภาคบางอย่างเช่นเดียวกับลูกเทนนิสตกอยู่ในช่องว่างและบางส่วนไม่ได้ แต่ทุกอย่างเปลี่ยนไปเมื่อหลุมที่สองปรากฏขึ้น รูปแบบการแทรกสอดปรากฏขึ้นบนผนัง! นักฟิสิกส์ตัดสินใจว่าอิเล็กตรอนแทรกแซงกันและกันและตัดสินใจปล่อยให้อิเล็กตรอนเข้ามารบกวนกัน อย่างไรก็ตามหลังจากผ่านไปสองสามชั่วโมง (ความเร็วของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ยังคงต่ำกว่าความเร็วของแสง) รูปแบบการแทรกสอดปรากฏขึ้นอีกครั้ง

การหมุนที่ไม่คาดคิด

อิเล็กตรอนร่วมกับอนุภาคอื่น ๆ เช่นโฟตอนแสดงออกถึงความคล้ายคลึงกันของคอสมสเตอร้คลื่น (dualism) (คำว่า "quantum-wave dualism" ยังใช้) เหมือน แมว Schrodinger ซึ่ง ทั้งมีชีวิตและตายสถานะของอิเล็กตรอนสามารถเป็นได้ทั้ง corpuscular และ wave

อย่างไรก็ตามขั้นตอนถัดไปในการทดลองนี้ทำให้เกิดความลึกลับมากยิ่งขึ้น: อนุภาคพื้นฐานซึ่งทุกคนดูเหมือนจะรู้ได้ทำให้เกิดความประหลาดใจอย่างไม่น่าเชื่อ นักฟิสิกส์ตัดสินใจที่จะติดตั้งที่รูรับแสงอุปกรณ์สังเกตการณ์เพื่อแก้ไขโดยที่สล็อตผ่านอนุภาคและวิธีการที่พวกเขาแสดงตัวเองเป็นคลื่น แต่ทันทีที่กลไกการสังเกตถูกวางไว้มีเพียงสองแถบที่ปรากฏบนผนังตรงกับสองหลุมและไม่มี รูปแบบการรบกวน! ทันทีที่ "เงา" ถูกลบอนุภาคอีกครั้งเริ่มแสดงคุณสมบัติของคลื่นราวกับว่ามันรู้ว่าไม่มีใครได้รับชมหลังจากที่มัน

อีกทฤษฎีหนึ่ง

นักฟิสิกส์บอร์นชี้ให้เห็นว่าอนุภาคไม่ได้กลายเป็นคลื่นในความรู้สึกที่แท้จริงของคำ อิเล็กตรอน "ประกอบด้วย" คลื่นความน่าจะเป็นของตัวเองทำให้เกิดรูปแบบการรบกวน อนุภาคเหล่านี้มีสมบัติของการซ้อนทับนั่นคือพวกมันสามารถอยู่ในที่ใด ๆ ที่มีความเป็นไปได้ที่แน่นอนดังนั้นพวกเขาจึงสามารถมาพร้อมกับ "คลื่น" ที่คล้ายกันได้

อย่างไรก็ตามผลที่ได้คือชัดเจน: การปรากฏตัวของผู้สังเกตการณ์มีผลต่อผลของการทดลอง ดูเหมือนจะไม่น่าเชื่อ แต่นี่ไม่ใช่แค่ตัวอย่างแบบนี้เท่านั้น นักฟิสิกส์ยังทำการทดลองในส่วนที่ใหญ่ขึ้นของวัตถุเมื่อวัตถุเป็นส่วนบางของอลูมิเนียมฟอยล์ นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าข้อเท็จจริงที่ว่าการวัดบางอย่างมีอิทธิพลต่ออุณหภูมิของวัตถุเพียงอย่างเดียว ธรรมชาติของปรากฏการณ์ดังกล่าวยังไม่สามารถอธิบายได้

โครงสร้าง

แต่สิ่งที่อิเล็กตรอนประกอบไปด้วย? ในขณะนี้วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ไม่สามารถตอบคำถามนี้ได้ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ถือได้ว่าเป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์มีแนวโน้มที่จะประกอบด้วยโครงสร้างที่มีขนาดเล็กกว่า

การประจุไฟฟ้าอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงได้รับการพิจารณาว่าเป็นองค์ประกอบพื้นฐาน แต่ควาร์กมีการประจุเศษส่วนอยู่ในขณะนี้ มีหลายทฤษฎีที่ว่าอิเล็กตรอนประกอบไปด้วย

วันนี้คุณสามารถดูบทความที่ระบุว่านักวิทยาศาสตร์สามารถแยกอิเล็กตรอนได้ อย่างไรก็ตามนี่เป็นเพียงบางส่วนเท่านั้น

การทดสอบใหม่

นักวิทยาศาสตร์ของโซเวียตในยุคแปดศตวรรษที่แล้วชี้ให้เห็นว่าอิเล็กตรอนอาจถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม ในปี 1996 มันเป็นไปได้ที่จะแบ่งออกเป็น spinon และ holon และเมื่อเร็ว ๆ นี้ฟิสิกส์ Van den Brink และทีมของเขามีอนุภาคแบ่งออกเป็น spinon และ orbiton อย่างไรก็ตามการแยกสามารถทำได้เฉพาะภายใต้สภาวะพิเศษเท่านั้น การทดลองสามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก

เมื่ออิเล็กตรอน "เย็นลง" ไปที่ศูนย์สัมบูรณ์และนี่คือประมาณ -275 องศาเซลเซียสพวกเขาจวนหยุดและสร้างการเรียงลำดับของสสารระหว่างพวกเขาเช่นเดียวกับการรวมเข้าเป็นหนึ่งอนุภาค ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวนักฟิสิกส์สามารถสังเกตการณ์ quasiparticles ซึ่งอิเล็กตรอน "ประกอบด้วย"

ผู้ให้บริการข้อมูล

รัศมีของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากคือ 2.81794 10 ^-13 ซม. แต่ปรากฎว่าส่วนประกอบมีขนาดเล็กมาก แต่ละส่วนสามส่วนที่สามารถแบ่งอิเล็กตรอนได้ดำเนินการข้อมูลเกี่ยวกับเรื่องนี้ Orbiton เป็นชื่อแนะนำมีข้อมูลเกี่ยวกับคลื่นโคจรของอนุภาค Spinon รับผิดชอบการหมุนของอิเล็กตรอนและ holon บอกเราเกี่ยวกับค่าใช้จ่าย ดังนั้นนักฟิสิกส์สามารถสังเกตสถานะของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันในสารที่แช่เย็นได้ พวกเขาสามารถติดตามคู่ของ "holon-spinon" และ "spinon-orbiton" แต่ไม่ใช่ทั้งสามแบบด้วยกัน

เทคโนโลยีใหม่ ๆ

นักฟิสิกส์ผู้ค้นพบอิเล็กตรอนต้องรอหลายสิบปีจนกระทั่งการค้นพบของพวกเขาถูกนำมาใช้ในทางปฏิบัติ ในยุคของเราใช้เทคโนโลยีในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเพียงจำ graphene - วัสดุที่น่าทึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนในชั้นเดียว สิ่งที่จะเป็นประโยชน์สำหรับการแยกอิเล็กตรอน? นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์การสร้าง คอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งมีความรวดเร็วในการคิดของพวกเขาเป็นเวลาหลายสิบเท่าของคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด

ความลับของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร? นี้สามารถเรียกว่าการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างง่าย ในคอมพิวเตอร์ที่คุ้นเคยชิ้นส่วนข้อมูลที่น้อยที่สุดและแบ่งแยกได้ไม่มากนัก และถ้าเราพิจารณาข้อมูลว่าเป็นภาพแล้วมีเพียงสองตัวเลือกสำหรับเครื่องเท่านั้น บิตสามารถมีศูนย์หรือหนึ่งส่วนนั่นคือส่วนของรหัสไบนารี

วิธีใหม่

สมมติว่าบิตมีศูนย์และหน่วยเป็น "บิตควอนตัม" หรือ "cuebit" บทบาทของตัวแปรง่ายๆจะถูกเล่นโดยการหมุนอิเล็กตรอน (สามารถหมุนได้ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา) ซึ่งแตกต่างจากบิตที่เรียบง่าย cuebit สามารถทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกันเนื่องจากเหตุนี้และจะมีการเพิ่มความเร็วในการทำงานมวลขนาดเล็กและการประจุของอิเล็กตรอนที่นี่ไม่สำคัญ

คุณสามารถอธิบายได้ด้วยตัวอย่างของเขาวงกต เพื่อให้ได้ออกจากนั้นคุณต้องลองหลายตัวเลือกที่แตกต่างจากที่หนึ่งเดียวจะถูกต้อง คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมสามารถแก้ปัญหาได้อย่างรวดเร็ว แต่ในเวลาใดเวลาหนึ่งสามารถทำงานได้กับปัญหาเดียวเท่านั้น เขาจะไปทีละตัวแปรทั้งหมดของเส้นทางและในที่สุดเขาจะหา คอมพิวเตอร์ควอนตัมเนื่องจากความเป็นคู่ของคิวบ์สามารถแก้ปัญหาได้หลายอย่างพร้อม ๆ กัน เขาจะพิจารณาทางเลือกที่เป็นไปได้ทั้งหมดไม่ใช่ในทางกลับกัน แต่ในเวลาเดียวและเขาจะแก้ปัญหาด้วย ความยากลำบากเพื่อให้ห่างไกลเป็นเพียงการบังคับให้ควอนตั้มจำนวนมากทำงานได้กับงานชิ้นเดียวซึ่งจะเป็นพื้นฐานของคอมพิวเตอร์รุ่นใหม่

ใบสมัคร

คนส่วนใหญ่ใช้คอมพิวเตอร์ในระดับครัวเรือน ด้วยเหตุนี้ในขณะที่เครื่องคอมพิวเตอร์แบบเดิม ๆ ก็ทำได้ดี แต่ในการทำนายเหตุการณ์ที่ขึ้นอยู่กับจำนวนหลายพันตัวและอาจมีหลายร้อยหลายพันตัวแปรเครื่องควรมีขนาดใหญ่มาก คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถรับมือกับสิ่งต่างๆเช่นการคาดการณ์สภาพอากาศสำหรับเดือนข้อมูลการประมวลผลข้อมูลภัยพิบัติจากธรรมชาติและการทำนายพวกเขารวมถึงการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนโดยมีตัวแปรหลายตัวแปรแยกเป็นสองส่วนด้วยตัวประมวลผลของอะตอมหลายตัว ดังนั้นอาจจะเร็ว ๆ นี้คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ของเราจะหนากับแผ่นกระดาษ

การรักษาสุขภาพ

เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมีส่วนร่วมกับยา มนุษย์จะมีโอกาสสร้าง nanomechanisms ด้วยศักยภาพที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาจะเป็นไปได้ไม่ใช่แค่การวินิจฉัยโรคโดยการมองทั้งร่างกายจากภายในเท่านั้น แต่ยังให้ความช่วยเหลือด้านการแพทย์โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงในการผ่าตัดด้วยนั่นคือหุ่นยนต์ที่มีขนาดเล็กที่สุดที่มี "สมอง" ของคอมพิวเตอร์ยอดเยี่ยมสามารถดำเนินการได้ทั้งหมด

การปฏิวัติในรูปทรงกลมของเกมคอมพิวเตอร์เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงได้ เครื่องที่มีประสิทธิภาพสามารถแก้ปัญหาได้ทันทีจะสามารถเล่นเกมที่มีกราฟิกสมจริงอย่างไม่น่าเชื่อไม่ไกลนักแล้วโลกของคอมพิวเตอร์ที่มีการแช่เต็มรูปแบบ