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).
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 (32)
Arxitektor
27.08.2024 09:39+1Электрон 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.
Tiriet
27.08.2024 09:39+6Жаль 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!
Wesha
27.08.2024 09:39+3Почему у электрона заряд 1
Потому что электроны течь по проводам научили, а кварки — нет.
Ellarihan
27.08.2024 09:39Масса у электрона появляется из-за механизма Хиггса. Ненулевое поле Хиггса во всём пространстве, бозон Хиггса как его квант и всё такое.
leon-mbs
27.08.2024 09:39+1Это 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.
MasterMentor
27.08.2024 09:39Оценю статью словами Сократа: «Как много на свете вещей, которые нам не нужны!»
everdens
27.08.2024 09:39нужность-ненужность зависят от целей человека, а они у него не должны стоять на месте.
Сократ - видать, любитель обобщать)
Dolios
27.08.2024 09:39+9У 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.
ImagineTables
27.08.2024 09:39+1Я 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.
azTotMD
27.08.2024 09:39А какой размер у атома? где он заканчивается? Да что атом, можно вообще макрообъект взять. Вот где кончается атмосфера земли и начинается космос?
Daddy_Cool
27.08.2024 09:39Когда 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.
nronnie
27.08.2024 09:39Чтобы говорить о размере чего-либо надо сначала дать точное определение что такое "размер".
MasterOgon
27.08.2024 09:39+1Мне 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
kometakot
27.08.2024 09:39Всё 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.
Ellarihan
27.08.2024 09:39Принцип 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.
Asterris
27.08.2024 09:39Хорошая 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)
gun_dose
27.08.2024 09:39Ну 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.
vadimr
27.08.2024 09:39+1Поздравляю, 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.
Wesha
27.08.2024 09:39Представляю, какие глаза у них в институте, когда им рассказывают, что на ноль делить можно.
gun_dose
27.08.2024 09:39Как 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.
vadimr
27.08.2024 09:39Если 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.
Indemsys
Статья прекрасный образец того насколько ChatGPT изъясняется лучше и понятней человека.
А человек даст много воды, попытается пографоманствовать, термины будет объяснять терминами и потеряет нить изложеня под конец.
JoshMil
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
vlmonk
А вот если бы вы воспользовались ChatGPT - мы бы вас смогли понять.
Pshir
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.
Wwyn
Я разок его убедил, что электрон, это не частица, а электромагнитное излучение от протона. Так что верить гпт, мы тоже не будем;)
izirayd
И даже телегу не рекламирует, какой ChatGPT молодец