Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Elektron - sfera niemal idealna

Recommended Posts

Uczeni z Imperial College London dokonali najdokładniejszych pomiarów elektronu w historii i dowiedzieli się, że jest on niemal idealną sferą. Eksperyment, który trwał ponad dekadę wykazał, że odchylenie od idealnej sfery wynosi w przypadku elektronu 0.000000000000000000000000001 cm. To oznacza, że jeśli powiększylibyśmy elektron do rozmiarów Układu Słonecznego, to odchylenie od ideału nie przekroczy grubości ludzkiego włosa.

Fizycy z ICL badali elektrony fluorku iterbu. Za pomocą niezwykle precyzyjnego lasera mierzyli ich ruch. Gdyby elektrony nie były idealnymi sferami, zauważonoby chybotanie elektronu w czasie ruchu, a niczego takiego nie odnotowano.

Teraz Brytyjczycy chcą dokonać jeszcze bardziej precyzyjnych pomiarów. Ich badania są bardzo istotne, gdyż pozwalają na poszerzenie naszej wiedzy o antymaterii. Ta bowiem powinna zachowywać się identycznie, jak zwykła materia. Odpowiednikiem elektronu w antymaterii jest pozytron. Badając elektron dowiadujemy się jak wygląda i jak zachowuje się pozytron, a zatem dowiadujemy się, jak różnią się materia i antymateria.

Gdyby elektron nie był idealną sferą, oznaczałoby to, ze materia i antymateria różnią się znacznie bardziej, niż dotychczas sądzono, a to z kolei pozwoliłoby wyjaśnić, dlaczego antymateria zniknęła z wszechświata.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Czyli, elektron z grubsza rzecz biorąc wygląda tak jak piłeczka od ping-ponga. Ta piłeczka wykonana jest, jak wiadomo, z celuloidu. A z czego "wykonany" jest elektron? Elektron wg współczesnej wiedzy jest cząstką elementarną i nie ma struktury wewnętrznej. Myślę, ze w tych badaniach chodziło raczej nie o sferyczność elektronu jako takiego, ale o "kształt" pola elektrycznego.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Badając elektron dowiadujemy się jak wygląda i jak zachowuje się pozytron, a zatem dowiadujemy się, jak różnią się materia i antymateria.

Przecież to zdanie nie ma logicznego sensu.

Badamy elektron i dowiadujemy jak się zachowuje pozytron - ponieważ zakładamy że są identyczne(pomijając ładunek).

Jeśli założyliśmy identyczność to nie możemy przecież poznać różnic.

To tak jakby ktoś napisał:

Zmierzyłem masę kilograma złota, dzięki temu dowiedziałem się jaką masę ma kilogram srebra. I dlatego wiem jak różni się masa 1 kg złota od masy 1 kg srebra.

Przecież to bez sensu.

W oryginale jest inaczej:

Understanding the shape of the electron could help researchers understand how positrons behave and how antimatter and matter might differ.

Zrozumienie kształtu elektronu może pomóc badaczom zrozumieć zachowanie pozytronu i jak może się różnić antymateria od materii.

Fizycy z ICL badali elektrony fluorku iterbu. Za pomocą niezwykle precyzyjnego lasera mierzyli ich ruch.

Możnaby coś napisać jak udało im się osiągnąć taką precyzję. Zasada nieoznaczoności Heisenberga powoduje to powstanie wielu różnych sprzężeń które raczej uniemożliwiają uzyskanie takiej precyzji.

Laser(czyli fotony) ma wpływ na energię, masę, pęd i prędkość elektronu. Zatem zmienia się wszystko co tylko może się zmienić.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Uwielbiam te wzniosłe nagłówki ... i nawet słowa nie ma o tym o czym naprawdę jest chwalony artykuł. Mianowicie jedyne co udało im się dowieść eksperymentalnie, to poprawienie górnego ograniczenia na elektryczny moment dipolowy elektronu:

http://physicsworld.com/cws/article/news/46085

Natomiast chyba nie ma wątpliwości że elektron ma też własności kierunkowe: spin i związany magnetyczny moment dipolowy - czyli trochę różni się od idealnej sfery ...

Miło jednak że mówią o kształcie elektronu - czyli że nie jest tylko idealnym matematycznym punktem jak wielu automatycznie zakłada, tylko jednak jest tam jakiś 'kształt' konfiguracji pola, m.in. sklejający bez osobliwości pole elektryczne aż do środka elektronu ...

Share this post


Link to post
Share on other sites

Ciekawy artykuł... inne źródła na które natrafiałem pisały, że elektron nie ma żadnej struktury bo jest po prostu punktem.

 

Najbardziej mnie tu jednak zaszokowało to, że ma on jakiekolwiek odchylenie idealnej sfery. Czy może to oznaczać, że jest on zbudowany z jeszcze mniejszych cząsteczek?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Dlaczego z mniejszych cząstek? Jest po prostu konfiguracją pola ...

Z jakichś powodów ładunek jest skwantowany (np. jako wiąz topologiczny) - wewnątrz sfery ładunek jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.

Czyli jeśli mamy sferę w której jest najmniejszy możliwy ujemny ładunek, taka konfiguracja pola pozostanie stabilna dopóki nie spotka się z przeciwnym odpowiednikiem - jest to właśnie elektron: najniżej energetyczna konfiguracja pola (m.in. elektrycznego) o najmniejszym możliwym ładunku.

Share this post


Link to post
Share on other sites

To jest cecha modelu a nie prawdziwej fizyki - nie zaobserwowano cząstki o niecałkowitym ładunku ...

http://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment

... i to modelu z którym jest pełno problemów, jak niemożność wytłumaczenie spinu protonu ('proton spin crisis') czy to że na elektryczny moment dipolowy protonu też są silne ograniczenia, co trudno sobie wyobrazić dla dwóch plusików i minusika :)

Share this post


Link to post
Share on other sites

@thikim: nie zgodzę się. Zakładamy identyczność, ale wiemy, że przynajmniej jedną cechą się różnią. To z kolei może mieć daleko idące konsekwencje, które możemy poznać w przyszłości. Kto wie, ile tak naprawdę jest różnic?

Share this post


Link to post
Share on other sites

np. jako wiąz topologiczny

 

Zapewne to wyrażenie ma jakiś swój angielski, znacznie lepiej googlowalny odpowiednik? :)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Webby, tłumaczy się to na 'topological constrain', albo raczej 'topological charge' osobliwości topologicznej - chodzi o to że mając np. pole wektorowe, jak weźmiemy pętlę(/sferę) to wzdłuż niej pole musi wykonać całkowitą ilość obrotów (nawinięć na sferę) - tzw. indeks Conleya, staje się on wiązem topologicznym konfiguracji pola dookoła punktu i daje kwantyzację (całkowite wielokrotności) spinu(2D)/ładunku(3D):

http://demonstrations.wolfram.com/SeparationOfTopologicalSingularities/

Jest to charakterystyczne dla modeli solitonowych cząstek - np. skyrmionowych: mezonów, barionów, ale zdarzają się też dla np. elektronów, jak prof. Fabera:

http://arxiv.org/PS_cache/hep-th/pdf/9910/9910221v4.pdf

W którym w każdym punkcie przestrzeni mamy wektor jednostkowy (ze sfery 2D), ale ta sfera w modelu jest równikiem sfery 3D, tylko że wyjście z równika kosztuje energię (potencjalną pola) - daje cząstkom masę.

Teraz jeśli mamy najprostszą konfigurację typu ładunku - 'jeż': wszystkie wektory kierują się na zewnątrz punktu, topologia zmusza pole do wyjścia z równika i 'sklejenia się' w jednym z 2 biegunów sfery 3D, wybierając znak +/- spinu oraz dając cząstce energię spoczynkową, która dzięki niezmienniczości lorentzowskiej staje się masą inercjalną tego solitonu. Dalej pokazane jest że dynamika pola kierunków daje efektywnie oddziaływanie elektromagnetyczne takich elektronów.

To 'wyjście z równika' kosztem energii potencjalnej (typu Higgsa) odpowiada temu że nie da się skleić pola elektrycznego ładunku do jego centrum - potrzebna jest jakaś deformacja oddziaływania EM.

W tym modelu spin nie ma fizycznego kierunku, nie ma miejsce na wewnętrzny zegar cząstki konieczny dla falowej natury z mechaniki kwantowej ( http://www.racjonalista.pl/forum.php/s,404014 ), dostajemy tylko solitony typu elektronu ...

Można to naprawić np. przechodzą na pole elipsoid - dorzucając oprócz tej głównej osi, dodatkowe osie prostopadłe do niej, dostając jeden dodatkowy stopień swobody, którego obrót odpowiada kwantowej fazie, pozwalając na falową naturę cząstek. W takim polu konfiguracja próżni pilnuje już zarówno kwantowania ładunku(wewnątrz sfery) jak i spinu(wewnątrz pętli). Tym razem rodzina solitonów dość dobrze oddaje całą menażerię cząstek (nie więcej) - dostajemy 3 struktury o spinie 1/2, które budują odpowiednio neutrina, leptony, mezony, bariony, jądra z oczekiwanymi własnościami elektromagnetycznymi, gradacją mas i rozpadami. Do elektromagnetyzmu jako dynamika próżni dochodzi mechanika kwantowa (oraz grawitacja dla 4D elipsoid). Tu są obrazki:

http://www.scienceforums.net/topic/54811-ellipsoid-field-solitons-particle-menagerie-correspondence/page__view__findpost__p__590130

Share this post


Link to post
Share on other sites

Najbardziej mnie tu jednak zaszokowało to, że ma on jakiekolwiek odchylenie idealnej sfery.

 

Może wraz ze wzrostem dokładności badań (jak się dokładnie przeprowadzane, niestety nie mam pojęcia) może się okaże, że to odchylenie jest jeszcze mniejsze? O ile zakładam, iż naukowcy mają jakieś super triki do sprawdzania takich rzeczy, to zastanawia mnie, na ile są wstanie przy pomocy tak podatnych na cokolwiek materiałów badań pojedyncze elektrony...

Share this post


Link to post
Share on other sites

Ale z tego co rozumiem, jeśli jest to ładunek którego budowa wypełnia jakąś fizyczną przestrzeń, można go jeszcze podzielić na mniejsze ładunki które będą zajmowały mniejszy fragment przestrzeni?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Żadne doświadczenie nigdy nie wykazało istnienia struktury wewnętrznej elektronu. Wyobrażenia na temat tego mogą pomagać w zrozumieniu/poprawianiu teorii, ale nie powinno się ich traktować zbyt mechanicznie. Skale w jakich mogłyby występować jakieś struktury wewnętrzne są nieosiągalne dla ludzkiej aparatury. Brakuje nam jeszcze około 12 rzędów wielkości żeby sprawdzić czy elektron jest np. drgająca 1-wymiarową struną jak głosi teoria superstrun czy może czymś wiernie opisanym przez model solitonowy jak przekonuje Jarek.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Webby, w takim razie jakie jest pole elektryczne w samym środku elektronu?

Współczesna fizyka nawet nie próbuje odpowiadać na takie pytania - zasłana się np. zasadą nieoznaczoności ... ale ta zasada tylko ogranicza możliwości bezpośredniego pomiaru, nic natomiast nie mówi o obiektywnej fizyce.

Modele solitonowe to właśnie np. poszukiwanie fizycznego przedłużenia tego pola do środka - np. wiemy że czyste pole elektromagnetyczne nie jest w stanie poradzić sobie z osobliwością typu ładunku, więc potrzebne jest pewne rozszerzenie tego pola:

- które w próżni efektywnie zachowuje się jak elektromagnetyzm(+grawitacja),

- jest w stanie sensownie sklejać osobliwości typu ładunku/spinu (np. deformując EM w oddziaływanie słabe/silne),

- najlepiej żeby pole samo w sobie tłumaczyło skwantowanie tych liczb (np. jako ładunek topologiczny),

- wtedy nie potrzebne by były dodatkowe (a jednak oddziaływające z polami) abstrakty dla cząstek - pole samo w sobie pozwalałoby na pewną menażerię stabilnych konfiguracji - cząstki zdefiniowane ich liczbami kwantowymi (jak wiązy topologiczne),

- ta wymuszona deformacja daje im energię spoczynkową, która dzięki lorenzowskiej niezmienniczości staje się też masą inercjalną ...

 

Nazwiesz takie modele mechaniczne, ja powiem że jeśli chciałoby się je w praktyce używać to dalej nie znasz w pełni parametrów zdarzeń - po prostu trzeba założyć pewien Feynmanowski/Boltzmannowski zespół po możliwych scenariuszach - diagramach Feynmana.

Z drugiej strony perturbacyjne QFT operuje tylko na takich abstrakcyjnych scenariuszach, na efektywnych parametrach opisujących możliwe np. rozpady cząstek - modele solitonowe to właśnie poszukiwanie konkretnych konfiguracji pola odpowiadających takim rozpadom, zderzeniom - co tak naprawdę się dzieje za tym abstrakcyjnym opisem.

Proszę nie porównuj tego z bajkami o strunach w kilkunastu wymiarach...

Share this post


Link to post
Share on other sites

Innymi słowy, elektron jest idiopatyczny :). Co oznacza, jak mówił dr House, że jesteśmy idiotami i nie znamy [przyczyny - w odniesieniu do chorób, o których mowił House] natury.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Niestety ale jest nawet dużo gorzej - nie tylko nie znamy, ale przyjęte jest że z definicji jest to ponad nasze zdolności poznawcze, więc samo szukanie jest już wręcz nie do pomyślenia ... jesteśmy kreacjonistami ??? możemy tylko medytować nad cudownością kwantowego transcendentalizmu elektronu 8)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy pracujący w CERN-ie przy eksperymencie ALPHA dokonali kolejnego istotnego kroku na drodze ku zrozumieniu antymaterii i budowy wszechświata. Eksperymentalnie wykazali, że są w stanie zbadać strukturę wewnętrzną atomu antywodoru. Wiemy, że jest możliwe zaprojektowanie eksperymentu, który pozwoli nam na wykonanie szczegółowych pomiarów antyatomów - mówi Jeffrey Hangst, rzecznik prasowy eksperymentu ALPHA.
      Nasz wszechświat wydaje się niemal w całości zbudowany z materii. Antymateria gdzieś zniknęła. Tymczasem podczas Wielkiego Wybuchu powinno być jej tyle samo co materii. Zetknięcie materii i antymaterii prowadzi do ich anihilacji. Przewaga materii we wszechświecie sugeruje, że natura preferuje ją nad antymaterię. Jeśli uda się szczegółowo zbadać atomy antymaterii będziemy bliżsi odpowiedzi na pytanie o tę preferencję.
      W czerwcu ubiegłego roku informowaliśmy, że ekspertom z CERN-u udało się uwięzić i przechować atomy antywodoru przez 1000 sekund. Wówczas Joel Fajans, jeden z naukowców pracujących przy ALPHA mówił, że tysiąc sekund to aż nadto czasu, by wykonać pomiary schwytanego antyatomu. To wystarczająco długo, by np. zbadać jego interakcję z promieniem lasera czy mikrofalami.
      W skład atomu wodoru wchodzi elektron. Oświetlając atom laserem można doprowadzić do pobudzenia elektronu, który przeskoczy na wyższą orbitę, a następnie powróci na oryginalną orbitę, emitując przy tym światło. Możliwe jest bardzo precyzyjne zmierzenie spektrum tego światła, które w świecie materii jest unikatowe dla wodoru. Teoretycznie niemal identyczne spektrum powinniśmy uzyskać z pobudzenia atomu antywodoru. I właśnie dokonanie takiego pomiaru jest ostatecznym celem eksperymentu ALPHA.
      Wodór to najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we wszechświecie. Jego strukturę rozumiemy bardzo dobrze. Teraz możemy zacząć odkrywać prawdę o antywodorze. Czy są one różne? Czas pokaże - mówi Hangst.
      Naukowcy dokonali właśnie pierwszych pomiarów antywodoru. Atomy najpierw zostały złapane w magnetyczną pułapkę. Następnie oświetlono je mikrofalami o precyzyjnie dobranej częstotliwości. To spowodowało zmianę orientacji magnetycznej antyatomów i uwolnienie się ich z pułapki. Wówczas antyatomy napotkały na atomy i doszło do ich anihilacji, co pozwoliło czujnikom na zarejestrowanie charakterystycznego wzorca tego zdarzenia. To z kolei dowiodło, że możliwe jest przeprowadzenie eksperymentu, w którym właściwości wewnętrzne atomu antywodoru zostaną zbadane za pomocą mikrofal.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      O grafenie piszemy od lat, a przed kilkunastoma miesiącami informowaliśmy o powstaniu grafanu. Teraz do rodziny dołączył trzeci jej członek - grafyn.
      Symulacje komputerowe przeprowadzone przez niemieckich uczonych wskazują na możliwość istnienia pojedynczej warstwy atomów węgla, które jednak nie muszą być ułożone w kształcie sześciokąta, a mogą przyjmować bardzo różne formy. Nowy materiał może być zatem znacznie bardziej elastyczny niż grafen.
      Jak pamiętamy, energia elektronów poruszających się w grafenie jest wprost proporcjonalna do momentu pędu. Gdy energie takich elektronów przedstawimy na trójwymiarowym wykresie otrzymamy stożek Diraca. Te unikatowe właściwości grafenu powodują, że elektrony zachowują się w nim tak, jakby nie miały masy, co pozwala im na poruszanie się z niezwykle dużą prędkością, a to może być bardzo pożądaną cechą np. w elektronice.
      Grafyn tym różni się od grafenu, który ma pojedyncze lub podwójne wiązania, iż tworzy podwójne i potrójne wiązania, a atomy węgla nie układają się heksagonalnie.
      Niemieccy uczeni, wśród nich chemik Andreas Görling z Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg, prowadzili komputerowe symulacje trzech różnych wzorców, w jakie mogą układać się atomy węgla w grafynie i odkryli, że we wszystkich mamy do czynienia ze stożkiem Diraca. Jednak, co ważniejsze, okazało się, że jeden z badanych wzorów 6,6,12 grafyn, w którym atomy węgla charakteryzuje prostokątna symetria, przewodzi elektrony tylko w jednym kierunku. Taki materiał nie potrzebowałby domieszkowania innymi pierwiastkami, by wykazywać właściwości pożądane w elektronice.
      W przeszłości uzyskiwano już niewielkie skrawki grafynu. Teraz niemieckie badania dowiodły, że warto pracować nad tym materiałem i różnymi jego odmianami.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zespół profesora Xaioyanga Zhu z University of Texas odkrył, iż dzięki zastosowaniu w ogniwach słonecznych plastikowego półprzewodnika można dwukrotnie zwiększyć liczbę elektronów uzyskiwanych z pojedynczego fotonu. Tym półprzewodnikiem jest policykliczny węglowodór aromatyczny, pentacen.
      Przed rokiem pisaliśmy, że profesor Zhu przeprowadził badania, z których wynikało, że wydajność ogniw słonecznym można będzie zwiększyć do 66%. Obecnie najbardziej wydajne urządzenia tego typu są w stanie przekształcić w prąd elektryczny około 31% energii słonecznej. Dzieje się tak, gdyż zdecydowaną większość energii stanowią tzw. gorące elektrony, których nie potrafiliśmy przechwytywać. Zhu pokazał, w jaki sposób można to zrobić. Profesor zaznaczył wówczas, że stworzenie szeroko dostępnej technologii będzie trudne, gdyż wymaga mocnego skoncentrowania promieni słonecznych na panelach, do czego z kolei konieczne jest opracowanie sposobów produkcji ogniw z nowych materiałów.
      Teraz zespół pod kierunkiem uczonego znalazł alternatywę. Uczeni odkryli, że możliwe jest uzyskanie dwóch elektronów z pojedynczego fotonu i ich przechwycenie. Co więcej, ich rozwiązanie nie wymagałoby koncentrowania promieni. Okazało się bowiem, że po zaabsorbowaniu fotonu przez pentacen zachodzi zjawisko MEG, o którym informowaliśmy przed kilkoma dniami, przy okazji stworzenia ogniwa słonecznego o zewnętrznej wydajności kwantowej przekraczającej 100%.
      Zdaniem Zhu zastosowanie pentacenu pozwoli na zwiększenie wydajności ogniw do 44%.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Badacze z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) poinformowali o stworzeniu pierwszego ogniwa słonecznego, którego zewnętrzna wydajność kwantowa wynosi ponad 100%. Dla fotoprądu wartość zewnętrznej wydajności kwantowej - podawaną w procentach - wylicza się na podstawie liczby elektronów przepływających przez obwód w ciągu sekundy podzielonej przez liczbę fotonów z określonej długości fali, wpadających w ciągu sekundy do ogniwa słonecznego. Dotychczas nie istniały ogniwa, których wydajność w jakimkolwiek zakresie fali przekraczałaby 100%. Uczonym z NREL udało się osiągnąć szczytową wydajność kwantową rzędu 114%. W przyszłości może to pozwolić na zbudowanie ogniw słonecznych, z których energia będzie równie tania, lub tańsza, od energii uzyskiwanej z paliw kopalnych czy energii jądrowej.
      Mechanizm uzyskania wydajności większej niż 100% bazuje na procesie zwanym Multiple Exciton Generation (MEG), podczas którego pojedynczy foton o odpowiednio wysokiej energii tworzy więcej niż jedną parę elektron-dziura.
      W roku 2001 pracujący w NREL Arthur J. Nozik przewidział, że MEG będzie lepiej działało w półprzewodnikowych kropkach kwantowych niż w zwykłych półprzewodnikach. Pięć lat później w pracy opublikowanej wraz z Markiem Hanną Nozik stwierdził, że kropki kwantowe użyte w ogniwach słonecznych mogą zwiększyć ich wydajność o około 35% w porównaniu z innymi nowoczesnymi rozwiązaniami. Ogniwa bazujące na kropkach kwantowych nazywane się ogniwami trzeciej (lub kolejnej) generacji. Obecnie buduje się ogniwa pierwszej i drugiej generacji.
      Zjawisko MEG, zwane też Carrier Multiplication (CM), zostało po raz pierwszy zaprezentowane w Los Alamos National Laboratory w 2004 roku. Od tamtej chwili wiele innych ośrodków badawczych potwierdziło jego występowanie w różnych półprzewodnikach. Teraz NREL zaprezentował MEG o wartości większej niż 100%. Badań dokonano przy niskiej intensywności symulowanego światła słonecznego, a mimo to eksperymentalne ogniwo słoneczne osiągnęło wydajność konwersji energii rzędu 4,5%. To bardzo dobry wynik, biorąc pod uwagę fakt, że ogniowo nie było optymalizowane pod kątem wydajności.
×
×
  • Create New...