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».
