Что такое удельный заряд электрона

Определение удельного заряда электрона

Определение удельного заряда электрона: учебно-методич. пособие к лабораторной работе № 3.10к по дисциплине «Физика» / Дальневосточный федеральный университет, Школа естественных наук / Сост. Н.П. Дымченко, О.В. Плотникова,. – Владивосток: Дальневост. федеральн. ун-т, 2014. — 13 с.

Пособие, подготовленное на кафедре общей физики Школы естественных наук ДВФУ, содержит краткий теоретический материал по теме «Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях» и методические указания к выполнению лабораторной работы «Определение удельного заряда электрона» по дисциплине «Физика». Пособие предназначено для студентов инженерной школы ДВФУ.

УДК 53.082.1; 531.76

© Дымченко Н.П., Плотникова О.В., 2014

© ФГАОУ ВПО «ДВФУ», 2014

Лабораторная работа № 3.10к Определение удельного заряда электрона

Цель работы: изучить законы движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, определить удельный заряд электрона е/m, используя катушки Гельмгольца.

Приборы: установка для демонстрации силы Лоренца и определения отношения заряда электрона к его массе, прямоугольный треугольник.

Краткая теория.

Удельный заряд электрона е/m относится к числу фундаментальных констант, таких, как скорость света с, постоянная Планка h, постоянная Больцмана k и другие. При движении электрона в электрических и магнитных полях траектория электрона определяется конфигурацией этих полей и отношением заряда электрона к его массе.

Если движущаяся заряженная частица находится под действием однородного электрического и магнитного полей, то сила, действующая на частицу, равна:

, (1)

где — скорость частицы, q – ее электрический заряд, — напряженность электрического поля, — индукция магнитного поля.

Эта сила называется силой Лоренца. Из формулы видно, что она равна векторной сумме сил, действующих со стороны электрического и магнитного полей.

Рассмотрим движение заряженной частицы с постоянной скоростью в однородном магнитном поле, при условии, что электрическое поле отсутствует. В этом случае на частицу действует лишь магнитная составляющая силы Лоренца:

. (2)

Направление этой силы зависит от знака заряда и его можно определить по правилу правого винта (правилу левой руки), рис. 1.

Рис.1. Направление магнитной компоненты силы Лоренца.

По модулю сила Лоренца равна:

, (3)

где α – угол между векторами скорости частицы и индукции магнитного поля.

Если частица движется со скоростью, направленной вдоль силовых линий магнитной индукции, то сила на нее не действует (F = 0), ускорение частицы будет равно 0 и движение будет равномерным.

Если скорость частицы направлена перпендикулярно силовым линиям магнитной индукции, то частица будет находиться под действием постоянной по модулю силы: , направленной перпендикулярно скорости, и сообщающей частице лишь нормальное (центростремительное) ускорение . Модуль скорости при этом не изменяется. Объясните почему? В результате частица будет двигаться по окружности, радиус которой можно найти на основе 2-го закона Ньютона:

.

(4)

Период обращения частицы:

. (5)

Из полученного выражения видно, что период обращения частицы в однородном магнитном поле не зависит от скорости частицы и обратен ее удельному заряду .

При известном радиусе траектории движения частицы из выражения (4) можно найти скорость движения частицы:

(6)

Если скорость заряженной частицы направлена под углом α к вектору магнитной индукции, то её движение можно представить в виде суперпозиции двух движений:

равномерного прямолинейного движения вдоль силовой линии магнитной индукции со скоростью ,

равномерного движения по окружности со скоростью в плоскости, перпендикулярной вектору .

В результате сложения двух движений возникает движение по спирали, ось которой параллельна силовым линиям магнитного поля (рис.2).

Расстояние h между двумя ближайшими витками винтовой линии называется шагом. Шаг винтовой линии равен:

(7)

В данной лабораторной работе рассматривается движение электрона в магнитном поле, и все полученные соотношения применяются для описания этого движения.

Рис. 2. Траектория движения заряженной частицы, влетевшей под углом α к силовым линиям однородного магнитного поля. R – радиус, h – шаг винтовой линии.

Пройдя ускоряющую разность потенциалов U, электрон приобретает скорость , величину которой можно найти из равенства работы электрического поля и кинетической энергии электрона (закон сохранения энергии записан для нерелятивистского случая):

, (8)

где — заряд электрона (по модулю), — масса электрона.

Используя выражение (6), найдем скорость движения электрона:

. (9)

Подставляя (9) в (8) и выражая удельный заряд электрона , получим:

. (10)

Экспериментальная установка

Определение удельного заряда электрона производится на установке, представленной на рис. 3. Основными элементами установки являются: электроннолучевая трубка 7, система катушек Гельмгольца 11, создающая однородное магнитное поля во всем объеме, охватываемом катушками, и элементы управление указанные на рис. 3.

Рис. 3. Установка для определения удельного заряда электрона.

1 – Кнопка включения-выключения прибора: 2 – трех позиционный переключатель, служит для изменения направления намагничивающего тока в катушках Гельмгольца 11 «по часовой стрелке», «выкл.», «против часовой стрелки»; 3 – ручка регулировки тока намагничивания, отсчет тока производится по амперметру, расположенному на передней панели установки; 4 – ручка регулировки ускоряющего напряжения, его отсчет производится по вольтметру, расположенному на передней панели установки; 5 – переключатель, имеет три положения, в данном эксперименте он должен находиться в положении «отключено», 6 – рукоятка регулировки электростатического поля, в данном эксперименте не используется и должна находится в крайнем левом положении; 7 – электроннолучевая трубка; 8, 10 устройства для измерения диаметра электронного луча; 9 – след электронного луча.

Катушки Гельмгольца представляют собой систему из двух тонких катушек располагающихся соосно на расстоянии между центами катушек равным их радиусу. Толщина катушек значительно меньше их среднего диаметра. При такой геометрии расположения катушек индукция магнитного поля во всем объеме между катушками практически одинакова. Вектор индукция магнитного поля катушек Гельмгольца направлен вдоль оси обеих катушек к наблюдателю или от наблюдателя в зависимости от направления тока в катушках Гельмгольца. Переключение направления тока производится тумблером 2, рис. 3. Электронно-лучевая трубка 7 располагается в центральной области поля, создаваемого этими катушками, рис. 3.

Индукция магнитного поля B внутри кольцевой системы может быть рассчитана на основании закона Био – Савара – Лапласа и принципа суперпозиции полей, создаваемых двумя кольцами Гельмгольца. Данный расчет дает для индукции магнитного поля выражение:

, (11)

где — магнитная постоянная, N = общее число витков двух катушек, R – средний радиус катушек, I – сила тока в катушках Гельмгольца.

С учетом (11) формула (10) примет вид:

, (12)

где через k обозначено выражение: . Подставляя в данную формулу значение константы μ_о и значения параметров N и R катушек Гельмгольца данной установки, получим для формулы (12) окончательно выражение:

(13)

Порядок выполнения работы

Установка подготовлена к работе, не разрешатся вращать электроннолучевую трубку, а также вращать или переключать другие кнопки, чем указано в данной инструкции. Время непрерывного эксперимента не должно превышать 45 минут. Переключатель 5, рис. 3, должен быть в позиции «отключено» и в данном эксперименте его положение не должно изменяться. Ток намагничивания выбираем в пределах 1 – 2 А, ускоряющее напряжение устанавливаем в пределах 150 – 200 В. Перед выключением прибора следует рукоятку регулировки тока 2 и ускоряющего напряжения 4, рис. 3 повернуть в крайнее левое положение.

Перед началом работы убедиться, что тумблер 5 слева на приборной панели, рис. 3 находиться в положении «выключено» – 0, рукоятки 3, 4, 6 должны быть повернуты влево до крайнего положения.

. Рис. 4 Электронный луч в отсутствие магнитного поля. Для визуализации электронного луча в предварительно откаченную от воздуха электроннолучевую трубку заканчивают небольшое количество инертного газа. Вследствие ударов между электронами и атомами инертного газ, атомы газа возбуждаются, а затем излучают зеленоватый свет, тем самым указывают траекторию движения электронов.

Тумблер 1 (сеть) поставить в положение «включено». После этого прибор необходимо прогреть в течение примерно 5 минут

Рукоятку «напряжение» 4 плавно вращаем по часовой стрелке до появления видимого прямого электронного луча, см. рис. 4.

Рис. 5. Вид электронного луча в магнитном поле, создаваемом магнитным полем катушек Гельмгольца.

Правую кнопку 2, рис. 3, ставим в положение «против часовой стрелки».

Рукоятку 4 «ток», плавно поворачиваем по часовой стрелки до появления замкнутой траектории электронного луча, рис. 5.

После этого можно переходить к измерениям.

Порядок измерения

Как видно из рабочей формулы (12) для экспериментального определения удельного заряда электрона следует измерить ускоряющее напряжение U, силу намагничивающего тока I и радиус электронного кольца r. Измерение ускоряющего напряжения и намагничивающего тока проводим с помощью вольтметра и амперметра, расположенных на передней панели установки. Измерение радиуса кольца проводим путем измерения диаметра кольца с помощью измерительной линейки 10, рис. 3. Для повышения точности измерения радиуса электронного кольца рекомендуем следующую последовательность действий. К измерительной линейке 3, рис. 6, приложить одним катетом прямоугольный треугольник 2. Затем, перемещаем визир 4 и треугольник 2 и наблюдаем глазом за положением правого края кольца вдоль другого катета. Как только край электронного кольца, визир и глаз наблюдателя будут находиться на одной линии, делаем отсчет координаты этого края кольца. Затем аналогично производим отсчет левого края электронного луча. Разность этих координат даст значение диаметра электронного кольца, соответствующего данным значениям ускоряющего напряжения и силы намагничивающего тока в кольцах Гельмгольца. Подобная процедура уменьшает ошибку измерения диаметра кольца, связанную с параллаксом, изменением положением визира при смещении глаз наблюдателя в направлении, перпендикулярном лучу зрения.

После усвоения методики необходимых отсчетов, следует перейти к основному эксперименту. Устанавливаем намагничивающий ток 1,50 А, измеряем диаметры колец при 3-х различных ускоряющих напряжений: 150, 175, 200 В. Затем устанавливаем ускоряющее напряжение 175 В и измеряем диаметры колец при трех значениях намагничивающего тока: 1,00 А, 1,50 А, 2,00 А. Результаты измерения заносим в заранее подготовленную таблицу. Следует производить указанные отсчеты с точностью до половины цены деления измерительных приборов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Целью данной работы является изучение движения элементарных частиц в электрическом и магнитном полях, экспериментальное определение удельного заряда электрона с помощью магнетрона.

Электрон является носителем элементарного отрицательного заряда е (e = –1,6?10 —19 Кл). Отношение его заряда к массе e/m называется удельным зарядом электрона. Удельный заряд может быть экспериментально определён различными методами. Все они основаны на поведении электрона в электрическом и магнитном полях.

В электрическом поле напряжённостью (рис.4) на электрон действует сила

которая сообщает электрону ускорение и направлена против поля.

Под действием этой силы электрон, пройдя расстояние между точками с разностью потенциалов U, приобретает кинетическую энергию

Движение электрона в однородном магнитном поле происходит под действием силы Лоренца

где — вектор скорости электрона; — вектор индукции магнитного поля; е – заряд электрона.

Сила Лоренца перпендикулярна как скорости электрона, так и направлению магнитного поля. Она не меняет модуля скорости и кинетической энергии частицы.

Модуль силы Лоренца

где a — угол между векторами и .

Сила Лоренца сообщает электрону нормальное (центростремительное) ускорение и вызывает движение его по окружности радиуса R, если угол a составляет 90 o (рис. 5). Таким образом, по второму закону Ньютона:

откуда радиус окружности

Из формулы (2.9.6) видно, что радиус окружности зависит от удельного заряда e/m. Этот факт и положен в основу метода определения удельного заряда с помощью магнетрона.

Магнетрон представляет собой высоковакуумную элек­тронную трубку, имеющую пря­мую металлическую нить (ка­тод), расположенную по оси ци­линдрического анода.

Для нашей работы магнетрон с успехом можно заменить обычной электронной лампой с цилиндрическим анодом, на оси которого расположен катод (рис. 6, а). Лампа помещается внутри длинного соленоида, при помощи которого параллельно оси создаётся магнитное поле напряжённостью .

Катод нагревается электрическим током и испускает электроны, которые под действием электрического поля движутся к аноду. Когда магнитное поле отсутствует, электроны движутся по радиусам цилиндрического анода (рис. 6 б, линия 1).

Если включить магнитное поле, траектория движения искривляется, и тем больше, чем сильнее поле (рис. 6, б, линия 2). Все электроны достигают анода, и величина анодного тока в цепи практически не изменяется до определённого момента, когда при дальнейшем увеличении магнитного поля радиус траектории всё больше уменьшается и при некотором критическом значении В_кр, электроны, не достигнув анода, вернутся обратно к катоду (рис. 6, б, линия 3).

При выполнении условия В > В_кр электроны уже не будут попадать на анод, и ток станет равен нулю (рис. 6, б, линия 4).

На рис. 7 приведен график зависимости анодного тока I_А от ин­дукции магнитного поля при некотором анод­ном напряжении U_А (сбросовая характе­ристика магнетрона).

Если бы все электроны, вылетающие из катода, имели одну и ту же скорость, анодный ток I_А спадал бы до нуля точно при критическом значении В_кр индукции магнитного поля (рис. 7, штриховая линия). Однако скорости вылетевших электронов разные, поэтому уменьшение тока происходит на довольно протяжённом участке вблизи В_кр (рис. 7, сплошная линия).

Критическое значение индукции магнитного поля является некоторой функцией анодного напряжения U_А. Эту зависимость легко установить, если предположить, что скорость электрона при его движении в магнетроне остаётся постоянной по модулю. При В = В_кр, радиус окружности, по которой движется электрон, равен R_А / 2, где R_А – радиус анода. Подставляя его в уравнение (2.9.6), получим:

Решая совместно уравнения (2.9.2) и (2.9.7), получим формулу для расчёта удельного заряда электрона:

где U_А — разность потенциалов между катодом и анодом.

Индукция магнитного поля в соленоиде может быть рассчитана по закону Био — Савара — Лапласа или по теореме о циркуляции индукции магнитного поля по замкнутому контуру

где – длина соленоида; N – число витков соленоида; I_сол — сила тока, протекающего через соленоид (сила намагничивающего тока); – магнитная постоянная.

Критическому значению индукции магнитного поля В_кр соответствует критическое значение силы тока I_кр. Учитывая это и подставляя (2.9.7) в (2.9.8), получим

При выводе (2.9.10) предполагалось, что электрическое и магнитное поля действуют на электрон по очереди, сначала он в электрическом поле разгоняется до скорости , а затем с этой постоянной скоростью движется в магнитном поле.

В рассматриваемом случае электрон движется в скрещенных магнитном и электрическом полях и одновременно испытывает действие сил со стороны обоих полей. Вследствие этого, скорость электрона не постоянна (она возрастает по мере приближения к аноду), а траектория его движения отличается от круговой. Данное обстоятельство позволяет утверждать, что формула (2.9.10) не точна. Тем не менее, как следует из результатов точного анализа рассматриваемой задачи, эта формула в целом удовлетворительно описывает физику процессов и с точностью до коэффициента пропорциональности является правильной.

Окончательная расчётная формула имеет вид:

где = 0,1 м; N = 1000 витков ; R_А = 5 мм ; A – коэффициент, учитывающий отличие реальной траектории движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях от окружности. Для нашей экспериментальной установки А=1,3.

Тщательные измерения удельного заряда и известное из опытов Милликена (1909 г.) значение величины заряда электрона позволили определить его массу и установить зависимость массы от скорости.

В принципе теми же методами определяются массы атомов и молекул. Соответствующие приборы для определения масс атомов и молекул (точнее, их ионов) носят название масс-спектрографов. Для примера можно рассмотреть принципиальное устройство одного из масс-спектрографов (рис. 8).

Сначала пучок ионов проходит через фильтр скоростей, в котором на движущиеся ионы одновременно действуют взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. Направления полей выбираются так, чтобы силы, действующие на ионы с их стороны, были противоположны по направлению. Через щель фильтра, противоположную входной, выхо­дят только те ионы, на которые действуют равные по величине силы и .

q?E = q? ?B. (2.9.12)

Следовательно, из фильтра вылетают ионы одинаковых скоростей

При выходе из фильтра частицы попадают в магнитное поле, перпендикулярное их скорости. Траектория их движения — окружность, радиус которой зависит от удельного заряда частицы

Попадая на фотопластинку, ионы оставляют след, расстояние которого от выходной щели фильтра зависит от удельного заряда ионов.

По найденным значениям q/m можно определить массы ионов.

В наши дни точность определения масс ионов с помощью масс-спектрографов достигают 6 —8 значащих цифр (правда, не в граммах, а по отношению к массе эталонного атома).

Масс-спектрографические методы позволяют проводить количественный анализ нефти, состоящий из молекул различных углеводородов, трудно различимых обычными химическими способами. При большой мощности ионного пучка этот метод позволяет разделять изотопы в заметных количествах.

Масс-спектрографический метод часто применяют для определения изотопного состава исследуемого вещества. В частности, он был применён при исследовании лунного грунта. Близость изотопного состава земных и лунных пород свидетельствует об одновозрастности и единстве происхождения земного и лунного вещества. По-видимому, это следует распространить и на другие космические тела солнечной системы. Исследования вещества метеоритов не противоречат такому обобщению.

Масс-спектрографы нашли широкое применение в различных областях физики, химии, техники. Они используются для определения содержания примесей в газах, для анализа состава и процентного содержания различных смесей углеводородов и т. д.

Необходимые приборы: лабораторный стенд, внутри которого смонтированы все элементы схемы; цифровой вольтметр (или осциллограф).

На рис. 9 приведена схема экспериментальной установки, которая технически реализована на лабораторном стенде с возможностью самостоятельно вручную и с управлением от внешних источников изменять параметры эксперимента.

Экспериментальная установка состоит из трёх цепей.

Цепь намагничивающей катушки состоит из соленоида, создающего однородное магнитное поле при подключении к нему источника постоянного тока ε₃, регулятора тока с внутренним и внешним управлением (коммутация осуществляется тумблером S₁) и низкоомного резистора R₅ =1 Ом, предназначенного для контроля силы тока I_сол в соленоиде по величине напряжения на этом сопротивлении.

Анодная цепь состоит из электронной лампы Л, источника постоянного тока ε₁, делителя напряжения на резисторах R₂, R₃, R₄ и последовательно включенного резистора R₁ = 1кОм, предназначенного для контроля силы тока в анодной цепи I_А, по величине напряжения на этом резисторе.

Цепь накала включает в себя нитевидный катод К лампы Л, источник тока ε₂ и тумблер S₂, отключающий его.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Удельный заряд электрона ( отношение заряда электрона к его массе) определяется методом отклонения электронов в магнитном поле соленоида. Источником электронов в лампе СО-118, применяемой в данной работе, является подогревный катод. Сетка лампы соединена с анодом через сопротивление порядка 12000 ом. Такое сопротивление превращает трехэлект-родную лампу в двухэлектродную, с вторым электродом в месте расположения сетки.  [4]

Удельным зарядом электрона называется отношение заряда электрона к его массе. В данной работе удельный заряд электрона определяется по отклонению катодного пучка в магнитном поле. Направление распространения электронного пучка не зависит от положения анода в трубке.  [5]

Измерение удельного заряда электрона таким методом было впервые выполнено Дж.  [6]

Первое определение удельного заряда электронов было произведено в 1897 г. Дж.  [8]

Для точного определения удельного заряда электрона пригоден метод двух конденсаторов с использованием переменного электрического поля.  [10]

Если известна величина удельного заряда электрона , то, зная заряд электрона, который был найден еще Милли — кеном, можно вычислить массу электрона.  [11]

Для повышения точности измерений удельного заряда электрона используется, например, продольное магнитное поле, фокусирующее электроны в вакууме.  [12]

Существует множество методов определения удельного заряда электрона . Рассмотрим один из них — метод фокусировки в продольном магнитном поле.  [13]

Поверхностный потенциал зависит от удельного заряда электронов . Если заряд большой ( как у истока), то в силу экранирующего действия этого заряда ( см. § 1.9) поверхностный потенциал близок к флор и слабо зависит от напряжения затвора. Если заряд мал ( как у стока), то поверхностный потенциал значительно выше и увеличивается при повышении напряжения затвора. Поэтому под затвором возникают разность потенциалов и продольное электрическое поле, тянущее электроны от истока к стоку, формируется проводящий канал и в цепи стока течет ток.  [14]

Цель работы: определение удельного заряда электрона методами магнитной фокусировки и магнетрона.  [15]

Из чего состоит электрон? Масса и заряд электрона

Электрон — фундаментальная частица, одна из тех, что являются структурными единицами вещества. По классификации является фермионом (частица с полуцелым спином, названа в честь физика Э. Ферми) и лептоном (частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии, одном из четырех основных в физике). Барионное число электрона равно нулю, как и других лептонов.

До недавнего времени считалось, что электрон – элементарная, то есть неделимая, не имеющая структуры частица, однако сейчас ученые другого мнения. Из чего состоит электрон по представлению современных физиков?

История названия

Еще в Древней Греции естествоиспытатели заметили, что янтарь, предварительно натертый шерстью, притягивает к себе мелкие предметы, то есть проявляет электромагнитные свойства. Свое название электрон получил от греческого ἤλεκτρον, что и означает «янтарь». Термин предложил Дж. Стоуни в 1894 году, хотя сама частица была открыта Дж. Томпсоном в 1897 году. Обнаружить ее было сложно, причиной этому служит малая масса, и заряд электрона стал в опыте по нахождению решающим. Первые снимки частицы получил Чарльз Вильсон с помощью специальной камеры, которая применяется даже в современных экспериментах и названа в его честь.

Интересен факт, что одной из предпосылок к открытию электрона является высказывание Бенджамина Франклина. В 1749 году он разработал гипотезу, согласно которой, электричество – это материальная субстанция. Именно в его работах были впервые применены такие термины, как положительный и отрицательный заряды, конденсатор, разряд, батарея и частица электричества. Удельный заряд электрона принято считать отрицательным, а протона – положительным.

Открытие электрона

В 1846 году понятие «атом электричества» стал использовать в своих работах немецкий физик Вильгельм Вебер. Майкл Фарадей открыл термин «ион», который сейчас, пожалуй, знают все еще со школьной скамьи. Вопросом природы электричества занимались многие именитые ученые, такие как немецкий физик и математик Юлиус Плюккер, Жан Перрен, английский физик Уильям Крукс, Эрнст Резерфорд и другие.

Таким образом, прежде чем Джозеф Томпсон успешно завершил свой знаменитый опыт и доказал существование частицы меньшей, чем атом, в этой сфере трудилось множество ученых, и открытие было бы невозможно, не проделай они этой колоссальной работы.

В 1906 году Джозеф Томпсон получил Нобелевскую премию. Опыт заключался в следующем: сквозь параллельные металлические пластины, создававшие электрическое поле, пропускались пучки катодных лучей. Затем они должны были проделать такой же путь, но уже через систему катушек, создававших магнитное поле. Томпсон обнаружил, что при действии электрического поля лучи отклонялись, и то же самое наблюдалось при магнитном воздействии, однако пучки катодных лучей не меняли траектории, если на них действовали оба этих поля в определенных соотношениях, которые зависели от скорости частиц.

После расчетов Томпсон узнал, что скорость этих частиц существенно ниже скорости света, а это значило, что они обладают массой. С этого момента физики стали считать, что открытые частицы материи входят в состав атома, что впоследствии и подтвердилось опытами Резерфорда. Он назвал ее «планетарная модель атома».

Парадоксы квантового мира

Вопрос о том, из чего состоит электрон, достаточно сложен, по крайней мере, на данном этапе развития науки. Прежде чем рассматривать его, нужно обратиться к одному из парадоксов квантовой физики, которые даже сами ученые не могут объяснить. Это знаменитый эксперимент с двумя щелями, объясняющий двойственную природу электрона.

Его суть в том, что перед «пушкой», стреляющей частицами, установлена рамка с вертикальным прямоугольным отверстием. Позади нее находится стена, на которой и будут наблюдаться следы от попаданий. Итак, для начала нужно разобраться, как ведет себя материя. Проще всего представить, как запускаются машиной теннисные мячики. Часть шариков попадает в отверстие, и следы от попаданий на стене складываются в одну вертикальную полосу. Если на некотором расстоянии добавить еще одно такое же отверстие, следы будут образовывать, соответственно, две полосы.

Волны же в такой ситуации ведут себя по-другому. Если на стене будут отображаться следы от столкновения с волной, то в случае с одним отверстием полоса тоже будет одна. Однако все меняется в случае с двумя щелями. Волна, проходя через отверстия, делится пополам. Если вершина одной из волн встречается с нижней частью другой, они гасят друг друга, и на стене появится интерференционная картина (несколько вертикальных полос). Места на пересечении волн оставят след, а места, где произошло взаимное гашение, нет.

Удивительное открытие

С помощью вышеописанного эксперимента ученые могут наглядно продемонстрировать миру различие между квантовой и классической физикой. Когда они стали обстреливать стену электронами, на ней проявлялся обычный вертикальный след: некоторые частицы, точно так же как теннисные мячики, попадали в щель, а некоторые нет. Но все изменилось, когда возникло второе отверстие. На стене проявилась интерференционная картина! Сначала физики решили, что электроны интерферируют между собой, и решили пускать их по одному. Однако уже спустя пару часов (скорость движущихся электронов все же гораздо ниже скорости света) снова стала проявляться интерференционная картина.

Неожиданный поворот

Электрон, вместе с некоторыми другими частицами, такими как фотоны, проявляет корпускулярно-волновой дуализм (также применяется термин «квантово-волновой дуализм»). Подобно коту Шредингера, который одновременно и жив, и мертв, состояние электрона может быть как корпускулярным, так и волновым.

Однако следующий шаг в этом эксперименте породил еще больше загадок: фундаментальная частица, о которой, казалось, известно все, преподнесла невероятный сюрприз. Физики решили установить у отверстий наблюдательное устройство, чтобы зафиксировать, через какую именно щель проходят частицы, и каким образом они проявляют себя в качестве волны. Но как только было поставлен наблюдательный механизм, на стене появились только две полосы, соответствующие двум отверстиям, и никакой интерференционной картины! Как только «слежку» убирали, частица вновь начинала проявлять волновые свойства, будто знала, что за ней уже никто не наблюдает.

Еще одна теория

Физик Борн предположил, что частица не превращается в волну в прямом смысле слова. Электрон «содержит» в себе волну вероятности, именно она дает интерференционную картину. Эти частицы обладают свойством суперпозиции, то есть могут находиться в любом месте с определенной долей вероятности, поэтому их и может сопровождать подобная «волна».

Тем не менее результат налицо: сам факт наличия наблюдателя влияет на результат эксперимента. Кажется невероятным, но это не единственный пример подобного рода. Физики проводили опыты и на более крупных частях материи, однажды объектом стал тончайший отрез алюминиевой фольги. Ученые отметили, что один только факт некоторых измерений влиял на температуру предмета. Природу подобных явлений они объяснить пока еще не в силах.

Структура

Но из чего состоит электрон? На данный момент современная наука не может дать ответ на этот вопрос. До недавнего времени он считался неделимой фундаментальной частицей, сейчас же ученые склоняются к тому, что он состоит из еще более мелких структур.

Удельный заряд электрона также считался элементарным, но теперь открыты кварки, имеющие дробный заряд. Существует несколько теорий относительно того, из чего состоит электрон.

Сегодня можно увидеть статьи, в которых заявляется, что ученым удалось разделить электрон. Однако это верно лишь отчасти.

Новые эксперименты

Советские ученые еще в восьмидесятых годах прошлого века предположили, что электрон возможно будет разделить на три квазичастицы. В 1996 году удалось разделить его на спинон и холон, а недавно физиком Ван ден Бринком и его командой частица была разделена на спинон и орбитон. Однако расщепления удается добиться только в специальных условиях. Эксперимент может проводиться в условиях крайне низких температур.

Когда электроны «остывают» до абсолютного нуля, а это около -275 градусов по Цельсию, они практически останавливаются и образуют между собой нечто вроде материи, будто сливаясь в одну частицу. В таких условиях физикам и удается наблюдать квазичастицы, из которых «состоит» электрон.

Переносчики информации

Радиус электрона очень мал, он равен 2,81794 . 10 -13 см, однако выходит, что его составляющие имеют намного меньший размер. Каждая из трех частей, на которые удалось «разделить» электрон, несет в себе информацию о нем. Орбитон, как следует из названия, содержит данные об орбитальной волне частицы. Спинон отвечает за спин электрона, а холон сообщает нам о заряде. Таким образом, физики могут наблюдать отдельно различные состояния электронов в сильно охлажденном веществе. Им удалось проследить пары «холон-спинон» и «спинон-орбитон», но не всю тройку вместе.

Новые технологии

Физикам, открывшим электрон, пришлось ждать несколько десятков лет до тех пор, пока их открытие было применено на практике. В наше время технологии находят использование уже через несколько лет, достаточно вспомнить графен – удивительный материал, состоящий из атомов углерода в один слой. Чем будет полезно расщепление электрона? Ученые предрекают создание квантового компьютера, скорость которого, по их мнению, в несколько десятков раз больше, чем у самых мощных современных ЭВМ.

В чем тайна квантовой компьютерной технологии? Это можно назвать простой оптимизацией. В привычном компьютере минимальная, неделимая часть информации – это бит. И если мы считаем данные чем-то визуальным, то для машины варианта только два. Бит может содержать либо ноль, либо единицу, то есть части двоичного кода.

Новый метод

Теперь давайте представим, что в бите содержится и ноль, и единица – это «квантовый бит», или «кьюбит». Роль простых переменных будет играть спин электрона (он может вращаться либо по часовой стрелке, либо против). В отличие от простого бита, кьюбит может выполнять одновременно несколько функций, за счет этого и будет происходить увеличение скорости работы, малая масса и заряд электрона здесь не имеют значения.

Объяснить это можно на примере с лабиринтом. Чтобы выбраться из него, нужно перепробовать множество различных вариантов, из которых правильным будет только один. Традиционный компьютер пусть и решает задачи быстро, но все же в один момент времени может работать только над одной-единственной проблемой. Он переберет по одному все варианты путей, и в итоге обнаружит выход. Квантовый же компьютер, благодаря двойственности кьюбита, может решать множество задач одновременно. Он пересмотрит все возможные варианты не по очереди, а в единый момент времени, и тоже решит задачу. Трудность пока состоит только в том, чтобы заставить множество квантов работать над одной задачей – это и будет основой компьютера нового поколения.

Применение

Большинство людей пользуется компьютером на бытовом уровне. С этим пока отлично справляются и обычные ПК, однако чтобы прогнозировать события, зависящие от тысяч, а может и сотен тысяч переменных, машина должна быть просто огромна. Квантовый компьютер же легко справится с такими вещами, как прогнозирование погоды на месяц, обработка данных по стихийным бедствиям и их предсказание, а также будет совершать сложнейшие математические вычисления со многими переменными за долю секунды, и все это с процессором величиной в несколько атомов. Так что возможно, уже очень скоро наши самые мощные компьютеры будут толщиной с лист бумаги.

Сохранение здоровья

Квантовые компьютерные технологии внесут огромный вклад в медицину. Человечество получит возможность создавать наномеханизмы с мощнейшим потенциалом, с их помощью можно будет не только диагностировать болезни, просто посмотрев на весь организм изнутри, но и оказывать медицинскую помощь без хирургического вмешательства: мельчайшие роботы с «мозгами» отличного компьютера смогут выполнять все операции.

Неизбежна революция и в сфере компьютерных игр. Мощные машины, способные мгновенно решать задачи, смогут воспроизводить игры с невероятно реалистичной графикой, не за горами уже и компьютерные миры с полным погружением.