|
|
Количество статьи: 297
Статьи за 24 часа: 0
[ Все статьи | Поиск | Top 10 | Категории ]
Форма электрона
- Какова форма электрона?
- Странный вопрс!? Что-то вроде вопроса о цвете электрона, которым нас доставал в годы учебы в университете наш преподаватель по физике Б.Г.
- И все же?
- Ну, это что-то вроде заряженной точки или очень маленького шарика – частица, вобщем.
- Да, конечно, электрон ведет себя как частица в фотоэффете, где он поглощает квант света и вылетает с поверхности металла. Электрон поглощается как частица люминофором электронно-лучевой трубки нашего телевизора. Следы, которые оставляет электрон в камере Вильсона и в фотоэмульсии, наводят на мысль о том,
что это маленькая частичка – точка, нульмерный геометрический объект. Но вот какова его форма, когда он уже излучен катодом электронной трубки, но еще не долетел до ее анода?
- Наверное, такая же.
- Но ведь со времен де Бройля известно, что все частицы обладают еще и волновыми свойствами и это подтверждено эксперимнтально в отношении электрона еще в 20е годы. Причем, дифрагировать (огибать препятствие подобно волне) способен и один отдельный электрон, т.е. каждый электрон во время своего движения в пространстве является волной.
- Так какая же у него в это время форма?
- Если следовать интерпретации волновой функции Максом Борном, которая в дальнейшем стала общепризнаной, то никакой волны и нет, а есть только какое-то распределение в пространстве вероятности встретить элекрон-точку. Вот это распределение вероятности и дифрагирует на препятствии?
- ???
- Увы. Но я Вас утешу, быть может все не так бессмысленно. В конце ХХ века физики стали активно привлекать представление о вакууме, как о среде, определяющей реальные характеристики частиц.Вакуум – это среда, в которой непрерывно рождаются и аннигилируют вируальные частицы. Эти флуктуации вакуума
воздействуют на электрон, заставляя его дрожать, размазывая его координату в простанстве – заряд электрона взаимодействует с зарядами виртуальных частиц, частично экранируясь ими. Это называется поляризацией вакуума. «Вакуум в сущности не отличается от материальных сред макрофизики (в частности, от твердых тел), представляя собой их особую разновидность» (Д.А.Киржниц, А.Д.Линде). В физике существует взгляд на элементарные частицы, в частности на электрон, как на элементарные возбуждения вакуума. «Эта точка зрения близка подходу, широко используемому в физике твердого тела при введении и исследовании свойств
квазичастиц. «Вакуум» относительно квазичастиц – это кристалл в основном, невозбужденном состоянии. Квазичастицы – возбужденные состояния кристалла» (М.И.Каганов). Получается, что если квазичастица – это элементарное возбуждение кристалла, состоящего из реальных частиц (атомов, ионов) , то настоящий электрон в вакууме – это элементарное возбуждение этого вакуума, который представляет собой «твердое тело», состоящее из виртуальных частиц. Волна возбуждения, бегущая по этой «виртуальной решетке» и будет восприниматься нами как движущийся в пространстве электрон. При этом отличие реального электрона от его
виртуальных собратьев будет состоять только в его времени жизни. «В квантовой механике одинаковые частицы являются тождественными и принципиально неразличимыми», поэтому «волна превращения виртуальных электронов в реальные» – это и есть та реальность которую, мы механистически интерпретировали как движении в пустом пространстве точечного электрона: след этой волны «рождений-гибели» реального электрона мы называем «траекторией частицы» в камере Вильсона. Именно эта волна возбуждения «решетки вакуума» и дифрагирует на препятствии, когда мы говорим о дифракции электрона.
- Итак, какова же форма электрона на его пути между катодом и анодом?
- Думаю, что это что-то вроде одномерной нити или струны, след которой в камере Вильсона мы называем траекторией.
- И по-Вашему внутри этой волны-нити находится электрон?
- Нет, по-моему там непрерывно происходят переходы многих электронов из вируального состояния в реальное, но так, что в каждое мгновение времени в области этой нити-волны присутствует один реальный электрон, вернее: может быть обнаружен при взаимодействии с нитью один реальный электрон. Именно это и
дает основание считать волну – нить не местом присутствия многих электронов, а формой существования одного электрона.
- Т.е. электрон имеет форму одномерной нити?
- Не всегда, иногда он имеет форму поверхности, т.е. двумерного объекта, причем это может быть поверхность весьма сложной формы.
- Это где же электрон имеет форму поверхности?
- А в атоме и молекуле, где мы называем электрон «электронным облаком» или «атомной (или молекулярной) орбиталью». Согдасно борновской трактовке, орбиталь – это изовероятностная поверхность, которая характеризует состояние движения электрона в атоме.
- Вы хотите сказать, что это не поверхность движения, а поверхность рождения или переходов многих электронов из виртуального состояния в реальное и наоборот, которое в среднем обеспечивает существование на этой поверхности одного реального электрона в каждый момент времени?
- Именно так! Одномерный объект – волна-струна превращается в двумерный объект–орбиталь: еще де Бройль считал, что на орбите атома укладывается целое число электронных волн и образуется замкнутая стоячая волна электронной плотности. И опять же: мы имеем полное право сказать, что эти поверхности
представляют нам форму электрона в атоме, потому что мы не можем указать, где, в каком месте этой изовероятностной поверхности присутствует электрон в данный момент времени. Он «размазан» по всей поверхности – он и есть эта поверхность. Примеры электронных поверхностей атома водорода приведены на рисунке 2.5. Таким образом, атом представляет собой «луковицу» двумерных электронов.
- А молекула?
- А молекула представляет собой набор ядер атомов, заключенный в электронную поверхность, охватывающую всю молекулу: «При наличии взаимодействия между частицами волновой функцией описывается лишь система в целом, но не каждая из составляющих ее частиц» - каждому отдельному электрону такой системы нельзя
приписать свою волновую функцию. «Существенным обстоятельством при этом оказывается принципиальная неразличимость всех электронов молекулы» «при образовании молекулы электроны, принадлежавшие ранее одним атомам, могут находиться в околоядерном пространстве других», т.е. электронный заряд распределен в молекуле непрерывно, но «электроны, вследствие действующего между ними кулоновского отталкивания, будут «избегать» друг друга, так что вероятность одновременного нахождения двух электронов в одной точке пространства равна нулю. Это значит, что движение электронов определенным образом скоррелировано» Но это же значит, что электронная поверхность молекулы представляет собой форму каждого электрона этой молекулы (при этом «движение» электрона мы понимаем по-прежнему как его рождение из виртуального состояния и возвращение вновь в это состояние, охватывающее всю электронную поверхность).
- А в системе атомов или молекул, которые мы называем «твердым телом», там электрон тоже представляет собой поверхность?
- Там он скорее является в форме трехмерного объекта, который и является квазичастицей в собственном смысле этого слова. Квазичастица – это элементарное возбуждение всей электроной системы кристалла, которое распространяется по всему кристаллу как отдельный электрон: «в движении, которое описывается
квазичастицей, ... принимают участие много частиц твердого тела, даже все» (М.И.Каганов). Отличие настоящих частиц от квазичастиц состоит в том, что первые обитают в пустом пространстве – в вакууме, в то время как вторые «живут в макроскопических системах – конструкциях настоящих частиц». Но если мы
вспомним, что «настоящие» частицы можно трактовать как возбуждения вакуума, представляющего собой «твердое тело» или «кристалл виртуальных частиц», то различие между реальным электроном (т.е. электроном, который движется от катода к аноду в электронной трубке) и виртуальным электроном в кристалле состоит
только в том, что в кристалле он обладает более сложной формой, которая является следствием существования периодических сил, действующих на каждый электрон со стороны ионов кристаллической решетки. «Электрон в кристалле напоминает и электрон в атоме, и электрон в свободном от сил пространстве», т.е. говоря о его
форме: это и поверхность и одномерная волна-нить, или лучше сказать: это поверхность, умноженная на длину, т.е. элемент объема. Этот объем, в котором обитают электроны, имеет в пространстве импульсов очень сложную форму. Поверхность, ограничивающая этот объем называется поверхностью Ферми. На рисунке 9. приведены примеры таких поверхностей для разных металлов.
- Как понимать эту поверхность?
- Электрон в кристалле напоминает свободный электрон тем, что он относительно свободно может передвигаться от иона к иону. Электрону не страшны потенциальные барьеры: благодаря туннелированию электрон переходит от атома к атому. Перемещение электрона по кристаллу описывается квазиимпульсом, значения которого и образуют поверхность Ферми.
- Значит эту форму нельзя «увидеть» в реальном пространстве?
- Как сказать. Хотя это формы существования электрона (квазичастицы, которая неотличима от реальной частицы) в пространстве импульсов, но не надо забывать, что координаты и импульсы связаны в квантовой механике соотношением неопределенностей Гейзенберга: ?х ?р = ћ, поэтому этим «импульсным формам»
должны соответствовать не менее сложные геометрические формы. Быть может эти формы в реальном пространстве и воспринимается нами как конформационная динамика белков, например.
- ???
- Дело в том, что макромолекула белка – это что-то среднее между молекулами и кристаллами: это кристалл молекулярных размеров, который обладает большой изменчивостью своей формы (конформации) в реальном пространстве. Вдоль молекулы белка могут перемещаться электроны: «белок выполняет медиаторную роль при туннельном электронном переносе», причем «электрон ... вызывает конформационные перестройки белка в местах, где он локализуется. Вследствие электронно-конформационных взаимодействий образуется устойчивое состояние электрон+конформация. Такое состояние было названо М.В.Волькенштейном конформоном» (Э.Г.Петров) Вот такой конформон и может быть проекцией импульсов поверхности Ферми в реальное геометрическое пространство. Точнее, не самой поверхности Ферми, а возбуждения этой «ферми-жидкости» (Л.Д.Ландау), омывающей ионный остов кристаллической решетки. «По электронной жидкости пробегают волны - квазичастицы». «Квазичастица ферми-жидкости, по-существу, описывает движение отдельного электрона, находящегося в эффективном поле всех остальных электронов», причем «число квазичастиц в ферми-системе равно числу настоящих частиц» (М.И.Каганов). Элементарное возбуждение этой электронной
системы – это возникновение пары: электрона - вне поверхности Ферми, и дырки – внутри поверхности Ферми. «Дырка ведет себя как положительно заряженная частица...Дырка играет роль античастицы по отношению к электрону. Они даже могут аннигилировать» при возвращении электрона на свое место в поверхности Ферми. Подобным образом интерпретировал П.Дирак и реальные пары частица-античастица. Он представлял себе вакуум как море заполненных частицами состояний с минимальной энергией («море Дирака»). Когда из этого моря «виртуальных частиц» вырывается в реальность одна частица, на ее месте образуется «дырка Дирака», которую мы и называем анитичастицей.
- То есть «дырка» в кристалле – это то же самое, что и позитрон?
- Это «позитрон кристалла», если угодно, и тогда поверхность Ферми – это «форма вакуума кристалла».
- И она же – форма электрона в кристалле?
- Форма электрона в основном, невозбужденном состоянии. Но и возбужденное состояние электрона должно хранить память о форме «своего вакуума» , т.е. его форма тоже будет сложной. Заметим, что «квазичастицы, как и обычные частицы, могут быть элементом конструкции – строительным материалом для более сложных
образований», в частности, таких как электронные квазиатомы – «куперовские пары», состоящие из двух электронов, движение которых «скоррелировано на расстоянии приблизительно в несколько тысяч раз превышающем размеры атома»(М.И.Каганов). Эта скоррелированность поведения электронов в паре
обусловлена их вхаимодействием через обмен фононами - квантами возбуждения кристаллической решетки. Можно сказать, что форма этой пары повторяет форму решетки кристалла, т.е. имеет макроскопические размеры. Поэтому образование таких пар и лежит в основании таких макроскопических квантовых явлений как
сверхпроводимость и сверхтекучесть, где весь образец вещества ведет себя как один атом (или один электрон в атоме).
- То есть электрон здесь имеет форму жидкости или кристалла - трехмерного объекта макроскопических размеров. Видимо это и есть наиболее сложная форма электрона?
- О, далеко не самая сложная! Есть форма электрона, которая требует для своего описания еще одну координату – время. Эта форма называется «жизнь».
- ???
- А.Сент-Дьердьи увидел жизнь как поток электронов, движимых энергией солнца по замкнутому пути от молекулы воды, разлагаемой в процессе фотосинтеза, до молекулы воды, образуемой в процессе дыхания: «Все сложные процессы промежуточного метаболизма представляют собой только наслоения на этот основной факт». Он изобразил это так (см. рис.4 и рис.5): электрон поднимается на высокий уровень энергии , поглощая квант солнечного света в процессе фотосинтеза, а затем отдает эту энергию порциями при постепенном спуске в процессе дыхания до исходного уровня: « машина жизни есть ... падение отдельных электронов со ступеньки на ступеньку, в результате чего они от дают свою энергию отдкльными порциями» (А Сент-Дьердьи) . Причем, что важно для нашей темы, на каждом этапе этого цикла электрон принимает новую форму своего существования, так что весь цикл можно рассматривать как процесс «морфогенеза электрона».
- Какие же «формы существования электрона» Вы имеете в виду?
- Посмотрите на рисунок 3: здесь левая часть рисунка – это то, что происходит в растении (процесс фотосинтеза), а правая часть – то, что может происходить и в растении, и в съевшем его животном (процесс окислительного фосфорилирования). В левой части рисунка под пунктирной линией электрон существует в виде собственно электрона, точнее в виде радикала хлорофилла (или бактериохлорофилла в фотосинтезирующих бактериях). «Свободные радикалы, по определению, являются частицами, имеющими неспаренные электроны». Поостейшим радикалом является гидратированный электрон – электрон, окруженный слоями диполей молекул воды – он очень похож на электрон в поляризованном вакууме, о котором мы говорили выше, но в роли «вакуума» выступают диполи водной среды: «В структурированной воде электронное возбуждение способно принимать черезвычайно долгоживущую форму, которая может иметь первостепенное значение для биологическкой передачи энергии»(А.Сент-Дьердьи). Выше пунктирной линии электрон существует в форме атома водорода.
- ???
- Это просто значит, что в химических реакциях фотосинтеза сахаров электрон участвует в виде атома водорода.
- Значит в процессе поедания растений животными (стрелки, соединяющие левую и правую части рисунка 3 в верхней части рисунка) электрон присутствует в форме сахара?
- Да. А затем в процессе окисления сахаров он снова существует в форме атома водорода, отщепляемого от сахаров. Ниже пунктирной линии пути протона и электрона расходятся: первый служит для запасания электрического потенциала на мембранах митохондрий (это органеллы клетки, которые служат для запасания
энергии) в форме разности концентраций ионов водорода по разные стороны мембраны, а второй передается через систему встроенных в мембрану макромолекул. «Участвующие в процессе переноса молекулы служат главным образом квантовомеханическим остовом, в котором могут двигаться электроны» (А.Сент-Дьедьи). Т.е. это свободные радикалы, которые служат формами существования электрона на различныз этапах его пути. На рисунке 3 это ФМН (флавинмононуклеотид) и цепочка цитохромов. «Наиболее важные низкомолекулярные комоненты клетки – нуклеотиды, порфирины, флавины, хиноны, некоторые аминокислоты, каротиноиды и т.д.... характеризуются сравнительно низкой энергией электронного возбуждения, низким потенциалом ионизации и высоким сродством к электрону, высокой электронной поляризуемостью... как будто все эти химические группы предназначены для участия в процессах, требующих переноса электронов» (Л.А.Блюменфельд). «Перенос электрона ... реализуется во многих биологических процессах: окислительном фосфорелировании, фотосинтезе, ферментативном катализе и др.» (Э.Г.Петров). По словам Снет-Дьердьи: «пренос зарядов может служить одним из наиболее важных, чаще всего происходящих и фундаментальных биологических процессов», в ходе которого происходит изменение морфологии электрона, добавлю я. Когда электрон наконец прошел через мембрану митохондрии, он соединяется с кислородом и с протоном, который был запасен на данной стороне мембраны, в результате чего образуется молекула воды (справа внизу на рисунке 3). Но и это еще не все формы электрона: на рисунках 3,4,5 волнистой чертой обозначены молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), которые синтезируются в митохондриях при прохождении электронов через мембрану, а значит они тоже являются формой существования электрона в клетке - электроны оставляют за собой только АТФ или НАД-Н (восстановленный водородом никотинамиддинуклеотид) или НАДФ-Н (восстановленный никотинамиддинуклеотидфосфат). «Фосфор является единственным элементом, который может играть роль обратимого передатчика электронов», т.е. электроны могут образовываться при отщеплении
фосфата от АТФ. Это дало основание Р.Фоксу сказать, что «жизнь – это ток фосфатов», который, добавлю я от себя, есть лишь форма тока электронов.
- Таким образм: жизнь есть пространственно-временная форма существования электрона?
- Скорее так: жизнь – есть одна из форм существования электрона.
- А какая разница?
- Разница состоит в том, что в моем определении понятие электрона шире понятия жизни. Так понимаемый электрон есть символ, а различные конкретные его реализации, которые мы рассмотрели выше, это различные срезы или проекции этого символа на различные уровни организации реальности: реальность нашего мира полионтична (многоуровнева), а символ пронизывает ее всю от низшего уровня до высшего, обретая на каждом из них особую форму существования. Мы рассмотрели этот процесс на примере электрона, но в нашем отношении к миру все понятия есть символы, поэтому каждое из них может быть рассмотрено символически.
- Это какое-то не логическое, а скорее ассоциативное мышление?
- Это не логика изучения предмета на одном уровне реальности, но Логос (термин А.А.Вотякова) понимания этого предмета на разных уровнях реальности. Предмет как символ есть ни что иное, как эйдос Платона.
- Т.е. мы рассмотрели в этом диалоге эйдос электрона?
- Именно.
|
Дата: 24.12.2004, Просмотров: 6948
|
|
|
