Одна из любимых субатомных частиц всех, кто познает строение материи - это электрон. Каких только разговоров про него не было. И что он не существует, и что он не частица даже если существует, и прочее. Ещё не так давно обсуждалось, что электрон вовсе и не лептон, а потому тоже может делиться на субчастицы. В каждой такой "странной" версии есть доля реальной науки. Но особая мера квантового издевательства над сознанием простого человека скрыта в попытке описать размер электрона.

Минуточку...Мы же решали задачки в школе и там использовали табличные размеры для электрона. Что тут не так? Откуда они тогда взялись? В общем-то всё в порядке. Кроме того, что значения эти не то, чтобы очень точные, и тут вспоминается шутка про Эддингтона. Он тоже выводил магическое число 137 странными способами. Но с электроном всё интереснее и "научнее". Давайте разбираться.

Все противоречия наблюдаются с того момента, где начинает особенно активно проявляться квантовая природа этой частицы. Электрон, который запоминается нам из общего курса физики как некоторый шарик, вращающийся вокруг ядра атома в модели Резерфорда, вдруг становится колебанием поля или формой энергии. И тут всё переворачивается с ног на голову. С этих пор он не совсем частица.

Размеры электрона - это одно из самых ярких и странных проявлений его удивительной природы. Начнём издалека.

Если есть частица, которая существует в "физическом" мире, то у неё есть и размер. Её можно измерить и даже потрогать. Но с электроном и тут всё очень интересно.

Обратимся к всё тем же сведениям из учебника и попробуем определить его размер. Скорее всего вы найдете одну из стандартных картинок такого типа:

Но поскольку электрон не является “шариком” с четко определенной границей, его радиус - это скорее теоретическая величина, основанная на различных физических моделях. Будет уместно сказать, что у электрона просто нет никакого размера. Те же величины, которые мы используем в расчётах, выведены из некоторого теоретического представления об изучаемом вопросе. Я не хочу говорить, что это неправильно, но это и не есть физический размер частицы в прямом понимании этого слова.

В физике частиц известно как минимум три основных подхода к определению размера электрона. Назовём их классический способ определения радиуса электрона, сопоставление с комптоновской длиной волны и определение по стандартной модели.

Классический радиус электрона получается из теории электромагнетизма. Он равен приблизительно 2.8179403227×10^−15 метра. Эта величина не соответствует действительности, поскольку не учитывает квантовую природу электрона. Впрочем, если обратиться к конкретным вычислениям, то величина плавает и как будто бы намекает на некоторую неточность и странность.

Это значение вычисляется исходя из того, какого размера должна быть сфера отрицательного заряда, образованная током, движущимся со скоростью света, при переданной системе энергии. Для разных процессов это разный показатель. Предельно малый диаметр наблюдается на ускорителях (до 10 ^-18 метра), предельно большой размер на электронных оболочках атомов (в 10 миллионов раз больше отмеченного значения).

Помните про распределение плотности вероятности? Так вот оно примерно так. Случайная величина (у нас размер) попадает в некоторый интервал
Помните про распределение плотности вероятности? Так вот оно примерно так. Случайная величина (у нас размер) попадает в некоторый интервал

Если принять во внимание квантовую природу электрона, то он подчиняется уже вероятностным характеристикам и описывать его как частицу бессмысленно. Собственно, исходя даже из разных вычисляемых значений оно вполне ожидаемо. Читай это как "электрон не имеет конкретного размера". Но, при всём при этом, частица должна как-то характеризоваться в расчётах. Тут используется комптоновская длина волны и размер сопоставляется с ней. Эта величина определяется как отношение постоянной Планка к массе электрона, умноженной на скорость света. Она равна приблизительно 2.42631023867×10^−12 метра. Комптоновская длина волны может рассматриваться как минимальный размер, который может быть у электрона. Фактически именно это значение используется как основное в "изысканиях квантового характера" для некоторой оценки.

Есть ещё один интересный подход, который рассматривает в качестве размера электрона область существования процесса, порождающего электрон и имеющую энергию в размере энергии покоя электрона 0,511 МэВ. Такой размер в миллионы раз меньше электромагнитного.

При этом если обратиться к стандартной модели (а мы помним, что именно стандартная модель принята как негласная граница между гипотетическим и экспериментальным), то тут всё совсем интересно. Согласно стандартной модели физики элементарных частиц, электрон - это лишь точечная частица, то есть его размер равен нулю. Экспериментально определить размер электрона с высокой точностью крайне сложно, поскольку он намного меньше, чем можно измерить даже с помощью современных инструментов. Это значит, что он точка, которая не поддаётся измерениям.

Наверное самое важное из всего этого - это странная специфика, которую очень сложно представить и с которой тяжело работать.

Радиус электрона не просто “размер” в обычном смысле этого слова, а скорее величина, которая характеризует его квантовое поведение. Экспериментально определить размер электрона с высокой точностью практически невозможно, а вычислить, как мы выяснили, можно разными способами. Просто представьте себе, что вы пытаетесь измерить размер тени. Электрон также как и тень существует, у него есть форма, он взаимодействует с миром, но когда вы пытаетесь определить его точные размеры, он становится неуловимым. Это размазанность вероятности или квантовый фантом, который бросает вызов нашей интуиции. Отныне частицы нужно воспринимать как туманное облако существования частицы, а не объект.

Это не значит, что электрон бесконечно мал или что его вообще не существует. Это означает, что его размер не является четко определенным понятием в классическом смысле слова.

Ну и традиционно буду рад пригласить вас на Telegram‑канал моего проекта, где я стараюсь разбираться с самыми интересными «дебрями в физике».

Комментарии (73)


  1. Indemsys
    27.08.2024 09:39
    +30

    Статья прекрасный образец того насколько ChatGPT изъясняется лучше и понятней человека.

    Какой размер у электрона?

    Размер электрона — вопрос, связанный с квантовой механикой и физикой элементарных частиц. В классическом смысле, размер объекта определяется его физическими границами, но электрон является фундаментальной частицей, у которой нет внутренней структуры, как, например, у атомов.

    Современная наука рассматривает электрон как точечную частицу без измеримого радиуса. В экспериментальных исследованиях, включая исследования по рассеянию частиц, ученые не обнаружили какого-либо внутреннего размера электрона. Радиус электрона, называемый классическим радиусом электрона, который теоретически может быть вычислен, составляет около 2.82×10−152.82 \times 10^{-15}2.82×10−15 метра, но это не физический размер, а параметр, используемый в расчетах электромагнитного взаимодействия.

    Таким образом, можно сказать, что у электрона нет четко определенного размера в традиционном понимании, и он рассматривается как точечный объект с размером, близким к нулю.

    А человек даст много воды, попытается пографоманствовать, термины будет объяснять терминами и потеряет нить изложеня под конец.


    1. JoshMil
      27.08.2024 09:39
      +2

      Потому что человек описывает чтото через способ которым к этому пришел.

      Говоря грубо - это описание гораздо ближе к акту конструирования лингвистической модели нежели к ее использованию. А в этом контексте все же ровно наоборот. При любом качестве рассуждений у человека есть будущее в котором качество выше, и это - его сущностная черта. Она присуща всем людям, часть мышления. А у ЛЛ такого будущего нет. Именно поэтому человек создал ЛЛ а не ЛЛ человека


      1. vlmonk
        27.08.2024 09:39
        +7

        А вот если бы вы воспользовались ChatGPT - мы бы вас смогли понять.


        1. Scott_Leopold
          27.08.2024 09:39
          +1

          Боромир бы понял. Извините


      1. Pshir
        27.08.2024 09:39

        В этой статье автор приводит три различных значения размера электрона, кучу воды и ни одного замечания о том, как он к этим значениям пришёл. Или как к этим значениям пришли когда-то учёные. Справочник - это такая штука, которую своими словами пересказывать не только не полезно, но даже и вредно.


    1. Wwyn
      27.08.2024 09:39
      +6

      Я разок его убедил, что электрон, это не частица, а электромагнитное излучение от протона. Так что верить гпт, мы тоже не будем;)


    1. izirayd
      27.08.2024 09:39
      +3

      насколько ChatGPT изъясняется лучше и понятней человека


      И даже телегу не рекламирует, какой ChatGPT молодец


    1. wezdeglyad
      27.08.2024 09:39

      "...нет внутренней структуры, как, например, у атомов" - так если атом состоит частично и из электронов, то и у него нет физической границы )


  1. Arxitektor
    27.08.2024 09:39

    Электрон же по современным представлениям истинно элементарная частица в отличии протона например который состоит из кварков?.

    Но тогда почему у электрона 1 ? Просто электрон же принят за единицу от этого растет дробный заряд кварков ? Весь ничего не стоит считать заряд кварков 1 и 2 а заряд электрона 3 ? Ну и для удобства иначе придется считать сто можно добавлять заряд только по 3 условные единицы за которую принят заряд кварка. А это не так удобно. И по массе а что является источником массы электрона у протона как масса кварков так и энергия их связи на сколько я понимаю?

    Ну и механизм предающий заряд кваркам и электрону он одинаков или имеет разную еще не открытую природу ?

    А так да электрон по идее простая элементарная частица но мне кажется разбираться с ней наука может сильно дольше чем с остальными.

    А ведь есть еще и Мюон похож на электрон но тяжелее в 207 раз. Вот интересно а он что такое ? Электрон в который засунули каким-то образом энергию ? или совсем другая частица.

    Жаль что понятные обывателю ответы мы можем получить лет через 100.


    1. Tiriet
      27.08.2024 09:39
      +7

      Жаль что понятные обывателю ответы мы можем получить лет через 100.

      Тут скорее жаль, что обывателя, способного понять эти ответы они смогут получить лет через сто. А мы такого обывателя не получим- не доживем просто. Обывателя, способного понять теорему Пифагора мы до сих пор не получили- теореме 2000 лет, доказательство на бумаге рисуется три минуты, а обыватель- до сих пор не понимает его!


    1. Wesha
      27.08.2024 09:39
      +3

      Почему у электрона заряд 1

      Потому что электроны течь по проводам научили, а кварки — нет.


      1. Ig_B
        27.08.2024 09:39

        Кварки тоже текут, но малыми группами, по три.


    1. Ellarihan
      27.08.2024 09:39

      Масса у электрона появляется из-за механизма Хиггса. Ненулевое поле Хиггса во всём пространстве, бозон Хиггса как его квант и всё такое.


    1. Pshir
      27.08.2024 09:39

      Заряд у электрона в числовом выражении зависит от выбранной системы единиц. В СИ заряд электрона равен -1.602176634×10^-19. В Гауссовой системе примерно -4.80320471×10^-10. В атомной системе единиц -1. В рациональной системе единиц примерно -0.30282212088. Вы можете выбрать систему единиц, в которой заряд электрона будет равен хоть 3, хоть 8, хоть 42. Знаете, что из-за этого поменяется в физической картине мира? Вообще ничего. Ваш рост никак не зависит от того, измеряете ли вы его в сантиметрах, в дюймах или в Статуях Свободы.


  1. leon-mbs
    27.08.2024 09:39
    +1

     Это означает, что его размер не является четко определенным понятием в классическом смысле слова.

    в КМ много чего не имеет смысла в классическом понимании - например траектория, координата (в силу неопределенности Гайхенбьерга), сила...

    А импульс и энергия заменяются операторами импульса и энергии

    А еще электрон не имеет точно определенной массы. Потому как непонятно где собственно масса электрона а где энергия электрического поля.


  1. MasterMentor
    27.08.2024 09:39

    Оценю статью словами Сократа: «Как много на свете вещей, которые нам не нужны!»


    1. everdens
      27.08.2024 09:39

      нужность-ненужность зависят от целей человека, а они у него не должны стоять на месте.
      Сократ - видать, любитель обобщать)


  1. Dolios
    27.08.2024 09:39
    +14

    У электрона нет свойства "размер", также как нет, например, свойства "запах". Фраза "размер электрона" просто бессмысленна.

    И что он не существует, и что он не частица даже если существует, и прочее.

    Нет никаких частиц и волн, это всё условности. Есть некие явления природы, которые нам удобно описывать в разных ситуациях разным матаппаратом, например, волновыми или дельта функциями. Это модели, а у любых моделей есть границы применимости.


  1. cyberbiosecurity
    27.08.2024 09:39
    +2

    Это очень похоже на вопрос "Какой размер у солитона?".


  1. ImagineTables
    27.08.2024 09:39
    +2

    Я бы предложил прежде всего определиться, что мы понимаем под электроном.

    Мультиверсный электрон ака «электронное облако»? Его внешний размер (тысызыть, bound box) есть функция от произвольно выбранного порога вероятности. (Если мы возьмём электрон на s-орбитали, вероятность уменьшается в обе стороны от некоторого радиуса, так что зависимость приобретает функциональный характер, если мы ограничимся градиентом в одну сторону, либо внутрь, либо наружу, поэтому и важно уточнение, что размер внешний). И при достаточно малом значении этого порога размер электрона может быть и километр, и парсек, и диаметр вселенной. Так вот устроен мир, что у мультиверсного электрона нет размера.

    Обычно задаются каким-то совершенно высосанным из пальца числом типа 0.9 и говорят про «характерный размер». Как дети, ей-богу.

    А если мы возьмём синглверсный электрон (то, что клубится в нашем электронном облаке), то тут уже всё сильно сложнее. Кто-то говорит, что это безразмерная точка, кто-то — что очень малоразмерная (на много порядков меньше характерного размера), а я скажу, что надо подождать квантовую теорию гравитации.


  1. azTotMD
    27.08.2024 09:39
    +1

    А какой размер у атома? где он заканчивается? Да что атом, можно вообще макрообъект взять. Вот где кончается атмосфера земли и начинается космос?


    1. nronnie
      27.08.2024 09:39

      "Кончается атмосфера" это не определено. А вот "начинается космос" вполне. Могу и ошибаться, но это 100 км от поверхности Земли.


      1. vadimr
        27.08.2024 09:39
        +1

        Кроме поверхности США, над ней 50 миль :)


      1. dv0ich
        27.08.2024 09:39

        Это тоже чистая условность.


  1. Daddy_Cool
    27.08.2024 09:39

    Когда говорят "понять" - то обычно имеется ввиду "свести явление к уже известным". А в квантовой механике всё и так... элементарно. Математика выглядит спасением - мы не можем сказать что это, но можем хотя бы описать свойства.


    1. Halenner
      27.08.2024 09:39

      Принцип "заткнись и считай"...


  1. nronnie
    27.08.2024 09:39

    Чтобы говорить о размере чего-либо надо сначала дать точное определение что такое "размер".


  1. MasterOgon
    27.08.2024 09:39
    +1

    Мне больше всего нравится идея что электроны в атоме это нечто вроде волновых узоров которые возникают от вибрации на воде. Типа такого как на иллюстрации в статье. И тут ни о каком размере частицы и речи быть не должно, только о величине энергии. Неделимые шарики это архаизм


  1. kometakot
    27.08.2024 09:39

    Всё просто, согласно принципа Паули два электрона не могут занимать одно место, значит они имеют какой-то объём, который можно подсчитать, узнав сколько электронов максимум можно запихать в кубический миллиметр.


    1. Ellarihan
      27.08.2024 09:39
      +1

      Принцип Паули не совсем про "одно место в пространстве", там речь идёт про "одно состояние в квантовой системе". Размеры этой системы не имеют значения, будь это хоть атом, хоть белый карлик где принцип Паули определяет его максимальную массу.


    1. Pshir
      27.08.2024 09:39

      Ответ: запихать можно практически сколько угодно.


  1. Asterris
    27.08.2024 09:39
    +2

    Хорошая статья, жаль, что заминусовали.

    Хорошая даже не в смысле контента, а в смысле посыла. А посыл в том, что нам в школе не объяснили, что электрон - это не шарик, который летает вокруг ядра. И подавляющее большинство даже очень образованных и знающих физику и математику людей, оказываются обескуражены, когда внезапно узнают этот факт. И чтобы вернуться в зону комфорта, они начинают искренне думать, что "ну наверное он всё равно типа шарик, ну там с приколами - облако там какое-то у него бывает, или там волна - но это какая-то экзотика из черных дыр, а в обычном мире он все равно шарик"

    Но нет. Вообще не шарик. И вообще ни-что-нибудь. И мы вообще не знаем, что это такое и посмотреть на него не можем. И так далее. И у него есть свойства, которые нельзя объяснить простыми и понятными нам терминами - и это не какие-то магические свойства его, а вполне повседневные!

    Для таких ситуаций и нужны такие статьи - когда человека надо последовательно подводить к непривычной для него информации, опровергая типичные заблуждения, типа "ну вот в учебнике же нарисовано!" (там неправильно), "ну вот по проводам же они текут!"(нет, не текут), "ну облако же летает вокруг атома!"(нет, не летает)


    1. gun_dose
      27.08.2024 09:39

      Ну не знаю, нам в школе объясняли, что шарики - это условность, и всё намного сложнее. Но только в 11 классе, когда до квантово-волнового дуализма добрались.


      1. vadimr
        27.08.2024 09:39
        +1

        Поздравляю, у вас был хороший учитель физики. Но вообще-то, например, прямо в школьных учебниках физики уж сто лет как написаны залепухи типа того, что электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.


        1. Wesha
          27.08.2024 09:39

          Представляю, какие глаза у них в институте, когда им рассказывают, что на ноль делить можно.


        1. gun_dose
          27.08.2024 09:39

          Как говорится, не всё так однозначно. Частицы-шарики - это всего лишь одна из моделей описания микромира. И нужно отметить, что эта модель является абсолютно рабочей во многих областях физики и техники. К примеру, чтобы быть хорошим электриком, познания квантовой теории вовсе не нужны. Не говоря уже о том, что для первичного знакомства элементарными частицами эта модель оптимальна, ведь нельзя просто так вывалить на восьмиклассника одномоментно всю информацию: чтобы понять корпускулярно-волновой дуализм, сначала нужно понять корпускулярную теорию (шарики), а потом физику волн. То есть выходит так, что от полностью отказаться от представления частиц, как шариков, на данный момент невозможно.


          1. vadimr
            27.08.2024 09:39

            Если написать в школьном учебнике, что электрический ток – это упорядоченное движение электрического заряда, кому от этого станет хуже?

            А дальше уже можно говорить, что это движение заряда в простейшем случае создаётся частицами.


            1. Pshir
              27.08.2024 09:39

              А в не простейшем случае чем?


              1. vadimr
                27.08.2024 09:39

                Например, в металлах и полупроводниках – электронным газом, который не состоит из частиц и описывается статистикой Ферми-Дирака.

                Причём там тоже есть движение электронов, но оно не имеет отношения к основному электрическому току. Электроны образуются из электронного газа редко и движутся очень медленно, а заряд в металле движется со скоростью, сопоставимой со скоростью света (0.3c в меди, если не ошибаюсь). Понятно, что, если бы частицы разгонялись до релятивистских скоростей, у нас бы любой провод работал, как коллайдер.


                1. Pshir
                  27.08.2024 09:39

                  То есть, называть электроны частицами - это моветон, а называть электронную систему электронным газом - нет?

                  Насчёт движения скорости заряда вы ошибаетесь очень круто. Скорость движения заряда 0.3c в меди соответствует току примерно 1 ТА (1 тераампер, 1 триллион ампер) через сечение проводника 1 мм^2, можете сами посчитать и проверить. Не знаю, каким образом вы по своей проводке умудряетесь такой ток пропускать.

                  Вы уж простите, но у вас жуткая каша в голове, судя по вашему ответу. Не стоит пытаться что-то менять в каких-либо учебниках, если вы не являетесь профессионалом в этой области.


                  1. vadimr
                    27.08.2024 09:39
                    +1

                    Каша в голове у вас, если вы как-то скорость движения заряда пересчитываете в плотность тока. По-вашему, один элементарный заряд не может распространяться быстро? Или он образует тераамперы тока?

                    Возьмите таймер (сейчас это несложно и недорого), и просто экспериментально померьте, за сколько наносекунд распространяется электрический ток в проводе длиной несколько метров. Ответ объясните. Вот в этом физика, а не в терминологии.

                    если вы не являетесь профессионалом в этой области

                    Я закончил электротехнический университет, если что.

                    А Вы, думаю, просто перепутали скорость движения электрического заряда с потоком заряда через площадь.


                    1. Pshir
                      27.08.2024 09:39

                      А я закончил МФТИ. И защитил кандидатскую диссертацию на тему коллективных явлений в двумерных (точнее, квазидвумерных, конечно) электронных системах. Будем дальше меряться? Если что, под профессионализмом я имел в виду в первую очередь педагогический профессионализм.

                      Если вы закончили электротехнический университет, то вы точно должны знать, что такое эффект Холла. И должны знать, что Холловское сопротивление напрямую показывает концентрацию тех самых элементарных зарядов в проводнике. Можете объяснить, почему в вашей картине мира под воздействием внешнего электрического поля движется только один из примерно 10^20 элементарных зарядов?

                      За несколько наносекунд распространяется электромагнитное поле, и именно оно порождает электрический ток в проводнике. Или в вашей картине мира упорядоченное движение заряда возникает само по себе без внешнего воздействия?


                      1. Daddy_Cool
                        27.08.2024 09:39

                        А что не так с классической теорией электропроводности?
                        http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom3/ch6/texthtml/ch6_4.htm
                        было бы очень интересно если бы вы показали, что вот это неправильно. Причем не в пограничных случаях - типа низких температур, а именно в самой логике и вводимых понятиях.


                      1. Pshir
                        27.08.2024 09:39

                        С ней абсолютно всё так. Просто она феноменологическая. То есть, она описывает реакцию носителей электрического заряда на внешнее электромагнитное поле, не вдаваясь в подробности о том, что это за носители заряда, чему равно e, m, и откуда берётся tau. Все эти величины можно определить экспериментально, если поведение системы хорошо описывается теорией Друде. Но вычислить априори - почти всегда практически невозможно.


                      1. vadimr
                        27.08.2024 09:39

                        В моей картине мира движение заряда в металле – это модельное упрощение, которое в классической картине мира объясняет квантовое явление получения заряда на одном конце облака электронного газа в кристаллической решётке и его отдачу на другом. На самом деле, как Вам должно быть хорошо известно, никакой траектории движения у квантов электрического заряда нет. И при этом нельзя сказать, что какие-то заряженные частицы физически движутся по проводу.

                        Разумеется, именно электромагнитное поле порождает движение электрического заряда в металле. Но тем не менее, когда вы нажимаете на кнопку в Москве, а в Питере отклоняется стрелка гальванометра, то течёт через питерский гальванометр электрический заряд, взявшийся из московской батарейки, а не откуда-либо ещё. И заряд не отстаёт от поля.

                        Что касается эффекта Холла, то о движении каких именно заряженных частиц он должен свидетельствовать в полупроводнике p-типа? Это просто упрощённая вычислительная модель, не имеющее реального предметного смысла решение волнового уравнения.


                      1. Pshir
                        27.08.2024 09:39

                        Что такое «заряд, взявшийся из московской батарейки», если заряд в соответствии с вашими утверждениям не связан с материальными носителями, и как вы определили, откуда конкретно взялся заряд? И как вы померили его скорость?


                      1. vadimr
                        27.08.2024 09:39

                        Я не говорил, что заряд не связан с материальными носителями. Я вообще материалист. Я говорил, что заряд в металле не переносится заряженными частицами. Материальным носителем заряда в проводе является кристаллическая решётка в целом, формирующая волновую функцию в виде неделимого облака электронного газа. А в батарейке, например, его ионы переносят, заряженные частицы. Но там другой тип электропроводности.

                        Откуда взялся? Это экспериментально видно. Нет батарейки – нет заряда, есть батарейка – есть заряд. Есть какое-то другое мнение?

                        Скорость распространения заряда равна расстоянию, на которое распространился заряд (т.е. 650 километров от Москвы до Питера), делённому на время (1 миллисекунда). Это всё объективно измеримые, видимые вещи, которые можно потрогать руками (только током бьёт больно).


                      1. Pshir
                        27.08.2024 09:39

                        И снова. Вы зачем-то продолжаете называть электронную систему в металле электронным газом. Это гораздо более грубая ошибка, чем называть носители заряда в металле частицами.

                        Есть не мнение, есть экспериментальный факт. В металлах, да и вообще в любом материале, есть заряд, независимо от наличия батарейки. Или вы считаете, что до изобретения батареек зарядов в природе не существовало?

                        Я вам ещё раз говорю, с этой скоростью распространяется электромагнитное поле, а не заряд. И вы до сих пор так и не объяснили, что такое заряд в вашей картине мира. Что вообще перемещается? Вы сами сказали, что носитель заряда - неделимое электронное облако. Оно движется со релятивистской скоростью при подключении батарейки? И если ток постоянный, как определить скорость заряда?

                        Попробую зайти с другой стороны. Вы считаете, что в школьном учебнике написано неправильно. На каком основании вы считаете, что в вашем университетском учебнике написано правильно?


                      1. vadimr
                        27.08.2024 09:39
                        +1

                        Электронный газ - это просто термин, бессмысленно обсуждать терминологию. Естественно, он не является настоящим газом, как кварки не имеют настоящего цвета, дырки не являются настоящими отверстиями и т.д.

                        И вы до сих пор так и не объяснили, что такое заряд в вашей картине мира. Что вообще перемещается?

                        То что в формуле написано, величина q. Как вы предлагаете ещё отвечать на этот вопрос? Плотность распределения вероятности не имеет наглядной формы. Можно сказать, что заряд - это квантовое состояние, но это не ответ по существу, а игра словами.

                        Элементарный заряд в металле или полупроводнике иногда отождествляют с физическим электроном, но это неверно, что проще всего видно на примере дырочной проводимости.

                        Вы сами сказали, что носитель заряда - неделимое электронное облако. Оно движется со релятивистской скоростью при подключении батарейки?

                        Облаку нет необходимости двигаться. Оно передаёт квантовые состояния, в том числе заряд. Когда, к примеру, у вас происходит квантовая телепортация, ничего ведь не двигается, посто квантовые состояния синхронизируются. Также и тут, только скорость конечна, так как заряд следует за полем.

                        Попробую зайти с другой стороны. Вы считаете, что в школьном учебнике написано неправильно. На каком основании вы считаете, что в вашем университетском учебнике написано правильно?

                        Потому что движение частиц, в том числе электронов - это объективная вещь, которую я могу померить, и выяснить, что она никак не связана с движением заряда в металле. Что и без того, впрочем, очевидно из отсутствия релятивистских эффектов, возникших бы при быстром движении физических массивных тел (а масса у электрона какая-никакая, но есть).

                        Ну и успехов вам объяснять дырочную проводимость с точки зрения школьного учебника.

                        И если ток постоянный, как определить скорость заряда?

                        Постоянный ток не существует в природе, это абстракция для упрощения некоторых расчётов. Любой физический процесс конечен. Поэтому ваш вопрос носит схоластический характер, хотя, возможно, и имеет какой-то разумный ответ.


                      1. vadimr
                        27.08.2024 09:39

                        Если же вы задаёте вопрос в философском смысле, то конечно, рано или поздно человечество в развитии науки опровергнет и институтский учебник, и уравнение Шрёдингера. Но пока рано об этом говорить.


                1. michael_v89
                  27.08.2024 09:39

                  Электроны образуются из электронного газа редко и движутся очень медленно, а заряд в металле движется со скоростью, сопоставимой со скоростью света

                  То, что движется со скоростью, сопоставимой со скоростью света, это условно говоря импульс. В проводе N электронов, распределенных по всей длине, вы добавляете на один конец еще M, они толкают друг друга, с другого конца уходит M электронов, если есть куда. Но заряд по общепринятому определению это эти M электронов, которые вы подали через сечение одного конца, и он не движется с такой скоростью. В вакуумной трубке такой же заряд достигнет конца трубки сильно медленнее.

                  Концепция электронного газа тут не нужна. Это аналогично локомотиву, который толкает вагоны сзади. Он сдвинулся на 1 метр, и первый вагон сдвинулся на 1 метр, но это не значит, что сам локомотив сдвинулся на 100 метров, или что их движение объясняется "вагонным газом".


                  1. vadimr
                    27.08.2024 09:39

                    Причём здесь вакуумная трубка? В вакуумной трубке другой тип электропроводности, там действительно заряд передаётся движением заряженных частиц. Но электропроводность металла – совершенно другое физическое явление, чем электропроводность вакуума.

                    Далее, вы никогда не сможете растолкать локомотивом вагоны таким образом, чтобы импульс распространился со скоростью 0.3c, на деле у вас выделится грандиозная энергия и весь ваш поезд разрушится нафиг. Поэтому аналогия с поездом, поверхностно правдоподобная, не работает. Без привлечения концепции квантового электронного газа вы физику электропроводности металлов и полупроводников не объясните. Нет в металле электронов-вагончиков, которые друг другу что-то передают. Что, собственно, подтверждается описывающей их поведение статистикой Ферми-Дирака.


                    1. michael_v89
                      27.08.2024 09:39

                      При том что электроны везде одинаковые.

                      Далее, вы никогда не сможете растолкать локомотивом вагоны таким образом, чтобы импульс распространился со скоростью 0.3c

                      Не вижу причин так считать в контексте электронов. Электроны это заряженные частицы, электромагнитные взаимодействия распространяются со скоростью света, это известный факт, в металлах комнатной температуры будет чуть медленнее.


                      1. vadimr
                        27.08.2024 09:39

                        Электроны одинаковые, а электрический ток создаётся по-разному.

                        Не вижу причин так считать в контексте электронов. Электроны это заряженные частицы, электромагнитные взаимодействия распространяются со скоростью света, это известный факт, в металлах комнатной температуры будет чуть медленнее.

                        В вакуумной трубке, однако, скорость электромагнитного взаимодействия им не помогает.

                        Дело-то не в электронах.


                      1. michael_v89
                        27.08.2024 09:39

                        Так в вакуумной трубке заранее нет N электронов, распределенных по всей длине, чтобы они друг друга толкали. А в металлах это N значительно больше M.


                    1. Pshir
                      27.08.2024 09:39

                      И вот опять статистика Ферми-Дирака! Статистика Ферми-Дирака показывает равновесное количество частиц в определённом энергетическом состоянии. Что такое статистика Ферми-Дирака при отсутствии частиц?

                      Как вы собираетесь что-то объяснить школьнику? Учебник Пёрышкина на вашем фоне - эталон последовательности, понятности и непротиворечивости.


                      1. vadimr
                        27.08.2024 09:39

                        Статистика не знает ничего ни про какие частицы, это просто формула. В данном случае она показывает распределение энергетических состояний в кристаллической решётке.


  1. droidic
    27.08.2024 09:39

    Дробный заряд кварков не зависит от электрона и вообще не зависит ни от чего


  1. michael_v89
    27.08.2024 09:39

    Планковская длина меньше 10^-34, если предположить, что пространство квантовано, то электрон может быть где-то в этих пределах. Вряд ли мы когда-нибудь сможем измерить размер с такой точностью, датчики все-таки состоят из атомов, которые гораздо крупнее.

    Хотя если создать изогнутую поверхность, которая равномерно излучает много электронов, или магнитное поле, к которому они движутся по касательной, и которое их отклоняет и рассеивает, и разместить экран на достаточно большом расстоянии, то может быть можно будет получить ситуацию, когда электроны попадают только на каждый второй атом, как бы плотно они ни летели изначально. Они конечно отталкиваются друг от друга, но наверно это можно посчитать и учесть.


    1. AbitLogic
      27.08.2024 09:39

      Попасть электроном в атом на 10 см та ещё задача, а вы хотите куда-то там далеко


      1. michael_v89
        27.08.2024 09:39

        Так будет же поверхность из атомов, а не один.


        1. AbitLogic
          27.08.2024 09:39

          Не знаю, вы куда попасть хотите, прям в ядро или в электронные орбитали? В любом случае мимо конкретного скорее всего пролетит, нужен приличный объем, а не один атом, и лучшее что у вас получится это счётчик событий в этом объеме, на очень большом удалении каждый такой объем будет ловить примерно одинаковое количество событий


          1. michael_v89
            27.08.2024 09:39

            Так же как попадают электроны на люминофор в кинескопе. Только с высоким разрешением и измерением каждого пикселя.


            1. AbitLogic
              27.08.2024 09:39

              Ну если долбить не одним электроном, а плотным пучком то некоторые действительно попадут, только не в атом, а в молекулу люминофора если это органика, или кристаллическая решетка, если не органика, это как правило кристалл соли цинка с вкраплениями другого элемента, там сильно размазаны электроны между атомами, металлическая связь называется) вот в это пространство вполне можно попасть, естественно одним электроном в один атом никто в кинескопе не стреляет


              1. michael_v89
                27.08.2024 09:39

                Электронные микроскопы давно уже существуют, и позволяют получить изображения отдельных атомов. Значит там электроны как-то попадают в атомы датчиков.


                1. AbitLogic
                  27.08.2024 09:39

                  Работал я с такими микроскопами, там сверху стояла полутораметровая ускоряющая установка на несколько кЭв, уж не знаю плотность пучка, но точно не одним электроном и близко там лупят и цель стоит не где-то в метре от пушки а прям максимально близко, потом по углам рассеивания кучи электронов, большая часть которых проскочила мимо атома восстанавливают атом, ну у нас правда разрешаюя способность была 5нм, использовался для снятия топологии с буржуйских микросхем для литографии в 90-х, главная проблема была сфокусировать этот пучок, атомы мы там не видели, но думаю те где можно рассмотреть атомы ещё больше пушки и ещё больше плотность пучка, в общем это даже не близко с тем что вы хотите одним электроном попасть в атом черти где, если бы так можно было бы - тогда бы смысла не было вообще в этой фокусирующей системе

                  Грубо говоря варианта попасть всего два - либо если очень много мишеней, либо очень много снарядов


                  1. michael_v89
                    27.08.2024 09:39

                    но точно не одним электроном

                    Я и не говорил "одним электроном", я сказал "изогнутую поверхность, которая равномерно излучает много электронов".

                    не где-то в метре от пушки

                    А в моем примере экран должен быть на достаточном расстоянии, чтобы разница в 10^-34 между соседними электронами в точке излучения превратилась в 10^-10 между соседними атомами. Можно даже брать более крупные измеряющие структуры, надо только экран отодвинуть подальше.


                    1. AbitLogic
                      27.08.2024 09:39

                      Ну в том микроскопе отраженные лучи регистрировались даже не молекулами и не кристаллами, были такие датчики состоящие из 4-х катушек, когда пучок идёт строго по центру он возбуждает все 4, если чуть смещается вправо-влево/вверх-вниз, то в каких-то катушках чуть больше, в каких-то чуть меньше, дальше операцианиками вычитались все шумы и токи в катушке приводились к смещению по двум координатам пучка относительно центра датчика, тоесть там чтобы снять один 5нм кусок собиралась очень большая статистика, разместив на любом одинаковом удалении два атома от источника изотропного излучения электронов вы всегда получите одинаковый сигнал на приемнике, не будет такого момента что один атом ловит больше чем другой


                      1. AbitLogic
                        27.08.2024 09:39

                        "не будет такого момента что один атом ловит больше чем другой"

                        А кстати если будет, то вы нарушите теорему Нётер, доказанную строго, в частности закон сохранения момента импульса будет уже не работать


                      1. michael_v89
                        27.08.2024 09:39

                        Одиночные электроны в двухщелевом опыте измеряются, значит и тут есть техническая возможность это сделать.


                      1. AbitLogic
                        27.08.2024 09:39

                        Нет, изучите смысл двух щелевого эксперимента, пустить одиночный электрон технически можно, дать ему конкретное направление движения - нет, создать атом размером с щель?, нуууу чисто теоретически на несколько пикосекунд можно, только электрон всё равно с вероятностью 99.9999..и сколько хотите 9 пролетит мимо такого атома, ибо синхронность вы не обеспичте, если вы сделаете щели меньше волны де Бройля вашего электрона, то уповать останется только на квантовое туннелирование, но он так же может тунеллировать и рядышком, в соседнем атоме, посмотрите сколько там знаков после запятой для такой вероятности, в двухщелевом эксперименте есть и что-то между щелями, что глушит на себя электроны, не удовлетворяющие определенным условиям, называется эта штука коллиматор и уже об изотропности речи не идёт


                      1. michael_v89
                        27.08.2024 09:39

                        Да не нужен мне атом размером с щель, я ничего подобного не говорил. Я несколько раз повторил слово "экран". Обычный макроскопический. Матрица специального фотоаппарата или даже просто фотопластинка.


                  1. Wesha
                    27.08.2024 09:39

                    либо если очень много мишеней, либо очень много снарядов

                    "...из восьми стволов — да по такой стае..." (с)