Informatika és tudomány

Hunter

Inogni látszik az elektromágnesesség elmélete

Átértékelésre szorulhat a fizika egyik alappillére, amennyiben igazolást nyernek az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete (NIST) új ion-csapdájával végzett kísérleteinek eredményei.

A Physical Review Letters-ben közzétett eredmények szerint az elektromágnesességen alapuló jóslatok nem teljesen fedik le az atomok egzotikus állapotokban tanúsított viselkedését. A kérdéses elmélet az úgynevezett kvantum-elektrodinamika (QED), ami a modern fizika egyik fő támasza az anyagra gyakorolt elektromágneses hatások pontos leírásának köszönhetően, különös tekintettel az elektronok viselkedésével kapcsolatos magyarázatára. Az elmélettel kapcsolatos kiváló tapasztalatok ellenére a fizikusok jó ideje gyanítják, hogy a QED nem ad teljes képet a valóságról. Az NIST legfrissebb eredményei igazolni látszanak ezeket a feltevéseket, amik a fizika más területeire is kihathatnak.


Az NIST ion-csapdája
A QED tesztelésének egyik módja, hogy veszünk egy viszonylag nehéz atomot - például titánt, vagy vasat - és megfosztjuk a mag körüli elektronjainak többségétől. "Ha a titán huszonkét elektronjából húszat eltávolítunk, egy magasan töltött iont kapunk, ami sok tekintetben hasonlít egy, az eredeti méretének tizedére összezsugorított hélium atomra" - magyarázta John Gillaspy, a NIST fizikusa. "Ironikus, de ebben a szokatlan állapotban a QED hatásai felerősödnek, így részletesebben vizsgálhatjuk azokat"

A kvantum-elektrodinamikának számos alkalmazása van, például megjósolható vele, mi történik, ha egy atommag körül keringő elektron összeütközik egy elhaladó részecskével. A gerjesztett elektron egy pillanatra egy magasabb energiaállapotba ugrik, azonban gyorsan vissza is tér eredeti pályájához. A folyamat fénykibocsátást eredményez, egy foton szabadul fel, a QED pedig képes megjósolni ennek a fotonnak a színét, vagyis előrejelezhető a hullámhossza. Az NIST csapata azt vette észre, hogy az erős pozitív töltésű ionokban a fennmaradó elektronok észlelhetően más színű fotonokat generálnak, mint amit a QED megjósol. Ez megingatja az elektromágnesesség, a világegyetem négy alapvető erői egyikének elméletét.

Gillaspy reméli, hogy eredményeik a kísérlet megismétlésére sarkallják majd tudóstársait, melyekből még pontosabb mérések születnek. Az NIST csapat jelenleg egzotikus atomok által kibocsátott fény mérésén dolgozik, ami Gillaspy szerint meg fogja erősíteni a jelenlegi eredményeiket.

Hozzászólások

A témához csak regisztrált és bejelentkezett látogatók szólhatnak hozzá!
Bejelentkezéshez klikk ide
(Regisztráció a fórum nyitóoldalán)
  • ZsL #31
    Szegény néhai Bárczy Barnabás fizika tanárunknak a főiskolán kedvenc tréfája volt a Bohr-féle modell megfricskázása. Házi feladatnak adta, hogy számoljuk ki az egyelektronos rendszer, mármint a H-atom esetén az elektron keringési sebességét. A hidrogén atom átmérője mérhető, ebből adódik az elektron pályasugara; az elektron tömege és töltése mérhető, az atommagé, vagyis a protoné szintén, ebből adódik a köztük fellépő vonzóerő, amivel egyensúlyban kell lennie a keringés miatt fellépő centrifugális erőnek, amiből számítható az elektron pályamenti sebessége.
    Mi sem természetesebb, mint hogy a fénysebesség többszöröse jött ki, amit a tananyag más részéből már tudtunk, hogy lehetetlen...
    Az Öreg, aki egyébként is nagyon szórakoztató stílusban tanította a fizikát, ezzel próbálta értésünkre adni, hogy a Bohr-modell jópofa ugyan egy óvodásnak, de a valóságban az atomi rendszerek nem egymás körül keringő golyókból állnak.
  • Vol Jin #30
    Kösz. Akkor ezek szerint, amit megjegyeztem, az az első modell, ami igen csak kezdetleges, és egy fejlődési út első állomása.
  • fszrtkvltzttni #29
    Itt van néhány ábra meg szöveg hozzá. Itt nincs leírva, de "Spin-Orbit Interaction" egy relativisztikus effektus, ugyanis a spin csak a relativitáselmélet következményeként jelenik meg a kvantummechanikában, előtte csak egy fiktív dolog, amit be kell venni.
  • fszrtkvltzttni #28
    Aztat kihagytam, hogy hidrogénszerű atomoknál első körben tehát igazad van, mert azoknál tényleg a Bohr-féle atommodellben lévő pálya kerületek különbségei adják a színkép sávjait. De ezeknek a pályáknak a kvantummechanikához nincs köze. A Bohr-féle atommodell pedig egy zsákutca, amit tovább nem tudtak finomítani, tehát ezt az egész csak egy történeti érdekesség.

    Az előbb lentebb említett mágneses térrel való kölcsönhatás mellett, van más is amit nem tud a Bohr-féle atommodell. A hidrogén színképében látszik, ha eléggé ránagyítanak, hogy a vonalak igazából szélesebb sávok, melyek több vonalra bomlanak. Ez a fölbomlás a finomszerkezet, ami relativisztikus effektus eredménye, a pontos energiaszintekhez pedig kell még a Lamb-eltolódás, ami pedig QED effektus.
  • fszrtkvltzttni #27
    Te valószínűleg a Bohr féle atommodell-re gondoltál, ottan vannak pályasugarak és kerületükön lévő állóhullámok, node ez csak egy tapasztalati modell a kvantummechanika hajnaláról!!!

    Kerületről meg azért nincs értelme beszélni, mert a hullámfüggvény az egész térben szétterül, nincs széle, amit ábrázolnak az csak valamilyen nagy %-ának a burkolófelülete.

    Amit szoktak mesélni, és amiről valószínűleg hallottál, az a hidrogénszerű atomok elektronszerkezete: Pozitív töltésű atommag 1 elektronnal. Ez jó mert:
    - egy elektron van, nincs elektron korreláció (ami a legnagyobb hibát adja)
    - mag-elektron rendszer két test probléma, ez redukált tömeggel megoldható
    - a relativisztikus effektus kicsi, mert kicsi az elektron kinetikus energiája a kis magtöltés miatt
    - a QED pedig elég kicsi ahhoz, hogy csak a nagyon pontos számításoknál kölljön figyelembe venni

    Szóval a hidrogén az egy nagyon jól kezelhető rendszer, amire szíp analitikus megoldást lehet találni:
    Ezt az egyenletet köll megoldani. A megoldása ez. Sajnos eztet ennél egyszerűbben nem lehet, de tán elég, ha csak az eredményre koncentrálsz. Itt megtalálhatod az energiaszinteket (En) ami egy adag természeti állandó osztva az "n" főkvantumszám négyzetével. Amit mérnek az az ezek közti átmenet. Itten különböző szintek különbségei találhatók, az állandók pedig össze vannak vonva c*h*Rh-ba. Azt megjegyezném, hogy ez egyébként ugyanaz az eredmény amit a Bohr-féle atommodell ad, viszont ha az atomot mágneses erőtérbe tesszük a vonalak felhasadnak, amire a Bohr-féle atommodell nem képes, mivel az egy tapasztalati modell, a kvantummechanika viszont igen (a fönti egyenlet ekkor módosul, belekerül a külső mágneses tér, az energiakifejezésbe pedig bekerül egy új külső mágneses tértől függő tag). Ez eddig a hidrogénszerű atomokra pontos ellenőrizhető eredményt ad, gerjesztéskor pedig az elektron tényleg a különböző elektronszintek között ugrál.

    Ha viszont két elektron van (lásd hélium), akkor az eredeti egyenletbe be köll raknunk egy másik elektront is. Így viszont az egyenlet túl bonyolulttá válik, ezért a következő közelítéssel köll élni:
    Aztat mondjuk, hogy az egyik elektron csak a másik átlagos potenciálterét érzékli. Ez az egyrészecske közelítés, vagy független részecske modell. Azért közelítés, mert nem veszi figyelembe, hogy a két elektron egymás közelében nem szívesen tartózkodik. A megoldás ebben az esetben már nehezebb (nem analitikus), de még könnyű, mert mindkét elektronra egy-egy egyenletet lehet felírni. Ezek a Hartree–Fock egyenletek. Ezeknek a megoldása hasonló mint a hidrogénszerű atomoknál, hiszen csak annyi a különbség, hogy a mag potenciálja mellé bejön a másik elektron átlagolt potenciálja, ami kicsit leárnyékolja a magot. Ugyanúgy lesznek pályák, azokon elektronok, node ezeknek a pályáknak az energiája már függeni fog attól, hogy a másik elektron melyik pályán van. Ez a függés elég kicsi ahhoz, hogy még értelmes legyen pályákról beszélni, de el köll fogadnunk, hogy ezeknek az energiája már nem állandó! Ez általánosítható több elektronos rendszerekre is, és így kiterjeszthető az összes atomra.
    Felmerül a kérdés, hogy mit tud ez a durva közelítést tartalmazó független részecske modell. Alkálifémekre nagyon jó eredményt ad (tapasztalat, hogy a belső lezárt héjak és a külső héjak közötti korreláció kicsi), a többire viszont pontatlan. Viszont ismeri a kémiát! Ha két megfelelő atomot egymás közelébe teszünk, akkor kötés alakul ki közöttük. Nagyságrendileg jól megadja a kötések erősségét. Jól visszaadja a legtöbb molekula szerkezetét. A reakciógátaknak a magasságát viszont az esetek egy részében túlbecsüli. Molekulák elektrongerjesztési spektrumára pedig értelmetlen eredményt ad.

    Az a lényeg, hogy az elektronokhoz rendelhető pályák képe a független részecske modellből adódik, mert ha ezt nem használjuk, akkor az elektronokhoz rendelhető pályák helyett sokelektronhoz rendelhető összetett függvényeket kapunk. Ez viszont csak trükközés, és szerencse, hogy nem okoz nagy hibát, különben a kémia még kaotikusabb lenne.

    Gerjesztéskor pedig az egyik sokelektron állapotból egy másikba kerülünk, tehát minden elektron állapota meg fog változni egy kicsit.
  • Vol Jin #26
    Akkor valamit félre értettem. Nekem az jött le, hogy az elektron állóhullámként terül szét, és a következő gerjesztési szint, ahol pont egy hullámhossznyival nagyobba pálya. Ezért kvantumos az egész, mert minden szint egy hullámhosszal nagyobb, és pont ezzel a hullámhosszal rendelkezik a foton is, ami keletkezik, ha alacsonyabb szintre kerül az elektron. A foton meg a hullámhosszával arányos energiát képvisel, ezért kvantumos az egész rendszer, mert csak adott energiától tud megszabadulni, és adott energiát tud felvenni az elektron.

    Mondom, hogy nem tanultam, csak ez ragadt meg bennem.

    Nem ragaszkodom hozzá, mert nekem az a fontos, hogy jól tudjam, ezért ha dobsz egy érthető linket, azt a magamévá teszem. Ha túl komplikált, akkor meg elkönyvelem, hogy én ezt nem tudom, de ehhez tudnom kellene, hogy tanultad-e vagy hobbiként figyelgettél, és neked az ragadt meg, hogy ez neked nem igaz.

    Ha kened vágod a témát, és neked van igazad, akkor remélem átment, hogy mit tudok rosszul, és dobsz valami emészthető választ, nem csak annyit, hogy rosszul tudom. Mert most teljesen zavarba jöttem, hogy eddig hülyeséget hittem vagy sem.
  • fszrtkvltzttni #25
    Honnan veszed ezt az elektronhéj kerületének különbsége borzadalmat? Ennek így nincs értelme. A kibocsátott foton a rendszer energiaszintjei közötti különbségtől fog függeni. Ennek meghatározására meg kell oldani a rendszerre jellemző sajátértékproblémát, ami kicsit bonyolultabb mint a kerületmérés. Az alábbi elhanyagolásokkal lehet eljutni ahhoz, amit elektronpályának hívnak:
    QED elhanyagolás
    relativisztikus effektus elhanyagolása
    mag elektron korreláció elhanyagolása
    elektron-elektron korreláció elhanyagolása
    Ennyi elhanyagolás után kapsz elektronpályákat amire rápakolhatod az elektronokat szépen párban. De még itt sincs értelme elektronhéj kerületéről beszélni!
  • Vol Jin #24
    Engem inkább az érdekelne, ha kicserélnék az elektront egy leptonra.
  • Vol Jin #23
    A kibocsátott foton hullámhossza a két elektronhéj kerületének különbsége. A foton hullámhosszával meg arányos a foton energiája. Szóval olyan nagy badarságot nem mondtam, és ebben az esetben tényleg az atommodellünk pontatlan. Tágabb értelemben, ha az atommodellbe az elektronokat is beleértjük, nem csak a magot.

    Bár igaz, hogy nem tanultam, csak olvastam róla, és amikor húde bonyolult képleteket találtam, gyorsan lapoztam. :-)
  • Vol Jin #22
    "Egy fiatal kutató elmegy a sivatagba első felfedezése reményében. Talál egy sivatagi bolhát, mondja neki:
    - Ugorj! - a bolha ugrik. Letépi az egyik lábát, mondja neki:
    - Ugorj! - a bolha ugrik. És így tovább... Végül letépi az utolsó lábát is. Mondja neki:
    - Ugorj! - a bolha nem ugrik.
    A fiatal kutató leírja első felfedezését: Ha a sivatagi bolhának az összes lábát letépjük, akkor a bolha megsüketül."

    Meglepő, de a kutató állítása igaz, ugyanis a bolhának, mint a rovaroknak nincs füle. A hallószervük a lábaikon vannak. Ilyen kis szőröcskék, amik átveszik a környezet rezgéseit. Szóval egy lábatlan bolha valóban megsüketül.
További bejegyzések a fórumban...