Ученые выяснили, как можно управлять энергией ионизации

N+1Наука

Менделееву и не снилось: что может сделать фотонный кристалл с энергией ионизации атома

Марат Хамадеев, физик-теоретик

Вы можете многое сказать про свойства любого химического элемента, просто взглянув на то, в каком месте таблицы Менделеева он расположен: чем левее и ниже элемент, тем (в большинстве случаев) проще у него отобрать электрон, тем больше радиус его атома и тому подобное. Только что в журнале Physics Letters A вышла статья, авторы которой выяснили, что если поместить атом в пустоту между слоями одномерного фотонного кристалла с высоким показателем преломления, то как минимум одним из таких периодических свойств — энергией ионизации — можно управлять. Особенность работы в том, что она опирается на эффект изменения электромагнитной массы электрона, про которую физики не вспоминали уже очень много лет. Один из авторов статьи, Марат Хамадеев, доцент кафедры оптики и нанофотоники Казанского университета и постоянный автор N + 1, рассказывает, какие последствия может иметь для физики и химии его работа.

Бывает так, что, проводя исследования в некоей, уже хорошо разработанной области науки, ученые находят нечто новое, что ускользнуло от взгляда их предшественников. В этом случае важно не только доказать достоверность своей работы, но и попытаться объяснить научному сообществу объективные причины, почему это новое не было обнаружено раньше. Чем ценнее находка, и чем больше людей работало в данной области, тем убедительнее должны быть ваши аргументы.

Именно в такой ситуации оказались мы с коллегами, когда наши расчеты показали, что если поместить свободный электрон в пустоты фотонного кристалла, его электромагнитная масса поменяется. И если это так, то это может иметь большие последствия как для фундаментальной физики, так и для прикладных областей, особенно химии. Одной из проблем, однако, стало то, что фотонные кристаллы активно изучались с 90-х годов большим количеством групп, как теоретически, так и экспериментально, и все они прошли мимо этого эффекта. Как же это стало возможным?

Заметание мусора под ковер

Начать этот рассказ стоит с понятия электромагнитной массы, которое восходит еще к эпохе зарождения квантовой электродинамики (КЭД) — науке о квантовом описании электромагнитного взаимодействия. В то время физики поняли, что вакуум — это не просто пустое «ничего». Это скорее что-то, что содержит все сразу, но только на короткий промежуток времени. Эта концепция выразилась в понятии квантовых флуктуаций вакуума, то есть процессов рождения и последующего уничтожения виртуальных частиц разных сортов и свойств.

Наличие перманентных флуктуаций означало, что все реальные частицы тоже должны рождать и тут же поглощать частицы-переносчиков взаимодействий, в которых они могут участвовать. В частности, свободный электрон должен постоянно излучать и поглощать виртуальные фотоны всех энергий и поляризаций сразу, приобретая за счет этого массу. Вклад в массу от процессов взаимодействия с вакуумом (или самодействия) был назван электромагнитной массой. Он добавляется к «голой» массе и формирует реально наблюдаемую массу. Во всяком случае так рассуждали физики первой половины XX века, не так давно познакомившись с принципом эквивалентности массы и энергии.

Проблема только в том, что оценить этот вклад в массу частиц теоретики не могли: согласно формулам, электромагнитная масса выходила бесконечной. Проблема бесконечной собственной энергии электрона довольно стара — она возникла еще в классической электродинамике точечного заряда. В квантовой электродинамике она снова всплывает, только не в контексте точечности электрона, а точечности его взаимодействия с фотонами. Физики пытались «размазывать» такое взаимодействие по некоторой области пространства и строить таким образом нелокальную теорию, но такой подход не стыковался с другими хорошо зарекомендовавшими себя принципами, например, причинностью или лоренц-инвариантностью.

Тогда физики придумали процедуру перенормировки массы, которая заключалась в игнорировании электромагнитной массы и замене во всех остальных формулах «голой» массы частицы на массу наблюдаемую. Это сработало: физики смогли очень точно посчитать и сравнить с экспериментом множество процессов, среди которых взаимодействие с вакуумом уже связанного с атомным ядром электрона. Последнее приводит к поправкам к энергетическим уровням атомов и носит название лэмбовского сдвига. Подробнее о том, как проводилась перенормировка массы и что такое лэмбовский сдвиг, можно прочитать в материалах «Масса эффектов» и «Щель в доспехах».

Из-за того, что вычислить массу электрона из первых принципов мешает бесконечность, единственный источник информации о ней — эксперименты. Измерить ее можно различными способами, причем довольно точно. Существует даже специальная международная организация, которая называется Комитет по данным для науки и техники. Одна из ее функций — это сбор и систематизация данных об измерении констант различными группами и выработка неких единых стандартов. Комитет регулярно выпускает обновления констант, на которые опираются ученые в свежих исследованиях.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Блаженное чрево» «Блаженное чрево»

«Блаженное чрево» в невьянской иконе — большая редкость

Дилетант
Поехали к своим Поехали к своим

Где на Руси хорошо отдохнуть?

Robb Report
Жизнь как «Шоу Трумэна»: 9 интересных фактов о принце Гарри Жизнь как «Шоу Трумэна»: 9 интересных фактов о принце Гарри

Принц Гарри поделился впечатлениями о жизни в королевской семье

РБК
Как восстановить доступ к аккаунту Google Как восстановить доступ к аккаунту Google

Что делать, если вы забыли пароль к учетке Google?

CHIP
«Сумерки» 13 лет спустя: как сегодня выглядят главные актеры саги «Сумерки» 13 лет спустя: как сегодня выглядят главные актеры саги

Как изменились главные актеры самой романтичной вампирской саги

Cosmopolitan
Освоение Арктики: «Севморпуть» возвращается Освоение Арктики: «Севморпуть» возвращается

Россия вновь взялась за Арктику всерьез

Популярная механика
Солнечная миниатюра Солнечная миниатюра

Маленькая студия с оптимистичной стилистикой mid-century modern

Идеи Вашего Дома
«У меня была жуткая истерика»: история болезни, о которой не знали даже врачи «У меня была жуткая истерика»: история болезни, о которой не знали даже врачи

Дарье пришлось пройти многих врачей прежде, чем ей поставили правильный диагноз

Cosmopolitan
Не только кофе: 5 продуктов, которые помогут взбодриться Не только кофе: 5 продуктов, которые помогут взбодриться

Продукты, которые помогут зарядиться энергией и сохранить бодрость в течении дня

Популярная механика
В комплексе галло-римских храмов нашли многочисленные ритуальные дары В комплексе галло-римских храмов нашли многочисленные ритуальные дары

Археологи обнаружили во Франции хорошо сохранившиеся ритуальные сосуды

N+1
Экологичный романтизм Экологичный романтизм

Маленькая квартира в новостройке с экологическими мотивами практичного дизайна

Идеи Вашего Дома
Как в воду глядеть Как в воду глядеть

10 техник работы с будущим от известного трендвотчера

РБК
«Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие «Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие

История о том, как компания Lipton сделала ставку на социальную ответственность

Forbes
Изменения древних путей через Таврские горы связали с усилением Хеттской державы Изменения древних путей через Таврские горы связали с усилением Хеттской державы

Как изменялась система путей Хеттского царства эпохи позднего бронзового века

N+1
Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома

История предпринимательницы, которой однажды надоело отжимать тряпку руками

Forbes
«Мы с Олегом ругаемся!»: Анастасия Волочкова впервые показала возлюбленного «Мы с Олегом ругаемся!»: Анастасия Волочкова впервые показала возлюбленного

Анастасия Волочкова рассказала об отношениях с бойфрендом

Cosmopolitan
Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки

Эксперт рассказывает о мисофонии — болезни, при которой людей сводят с ума звуки

Esquire
Скоро лето: что такое UVA и UVB лучи Скоро лето: что такое UVA и UVB лучи

Чем отличаются UVA и UVB лучи друг от друга? И есть ли другие типы лучей?

Популярная механика
Следы гравитационных волн помогут найти космические струны Следы гравитационных волн помогут найти космические струны

Космос должен быть полон трещин в пространстве-времени

Популярная механика
Всё к счастью Всё к счастью

Самая подробная инструкция по счастью

Cosmopolitan
Кто такие интимофобы или Почему ты до сих пор не женат Кто такие интимофобы или Почему ты до сих пор не женат

Мы научим тебя оправдываться перед родителями, выклянчивающими у тебя внуков

Maxim
Как проходят свидания в Южной Корее: опрос перед встречей и кофе по ночам Как проходят свидания в Южной Корее: опрос перед встречей и кофе по ночам

Наша героиня рассказывает о тонкостях свиданий в Южной Корее

Psychologies
Жертвы пластических хирургов: российские звезды, которые неудачно увеличили губы Жертвы пластических хирургов: российские звезды, которые неудачно увеличили губы

Артистки, которые пытались усовершенствовать внешность

Cosmopolitan
На все четыре: что такое муфта Haldex и как она эволюционировала На все четыре: что такое муфта Haldex и как она эволюционировала

Как развивалась муфта Haldex, к чему пришла и по какому принципу действует?

Популярная механика
Страшно интересно Страшно интересно

В фильмах ужасов происходит мало веселого, но они нам нравятся. Почему?

Psychologies
Гороскоп невыносимых бывших: кто хуже всех? Гороскоп невыносимых бывших: кто хуже всех?

Какой знак зодиака продолжит пить твою кровушку и после расставания

Cosmopolitan
Видеть мозгом: технология кортикальной имплантации позволит слепым вновь увидеть мир Видеть мозгом: технология кортикальной имплантации позволит слепым вновь увидеть мир

Представьте себе, что человеческое зрение – это современный цифровой фотоаппарат

Популярная механика
Охотники с кенийского побережья оказались древнейшими владельцами скота Охотники с кенийского побережья оказались древнейшими владельцами скота

Первые козы появились в результате обмена около 1180–960 годов до нашей эры

N+1
Ставки, данные, три компьютера IBM: ​кто в 80-е придумал алгоритм, который угадывал результаты скачек Ставки, данные, три компьютера IBM: ​кто в 80-е придумал алгоритм, который угадывал результаты скачек

История о математике-любителе, который создал алгоритм, принёсший ему миллионы

VC.RU
О жизни, дружбе и любви: книжные новинки мая для детей О жизни, дружбе и любви: книжные новинки мая для детей

Подборка новых детских книг

Psychologies
Открыть в приложении