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

«Мне теперь никто не звонит» «Мне теперь никто не звонит»

Советская власть очень жёстко боролась со всяким инакомыслием

Дилетант
Что происходит с телом, когда ты начнешь бегать: 6 неожиданных и даже странных эффектов Что происходит с телом, когда ты начнешь бегать: 6 неожиданных и даже странных эффектов

Об этих нюансах бега стоит подумать заранее

Playboy
Авитаминоз и как с ним бороться: тренировка для бодрости Авитаминоз и как с ним бороться: тренировка для бодрости

Кардиотренировки помогут поддерживать витамины в теле

Cosmopolitan
10 невероятных фактов о ленивцах 10 невероятных фактов о ленивцах

Ленивцы называются ленивцами не просто так

Популярная механика
История бизнеса, который начался с забавы История бизнеса, который начался с забавы

Как маленький волгоградский бренд вышел на федеральный уровень

Домашний Очаг
«Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой «Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой

Светлана Ходченкова отвечает на вопросы

Cosmopolitan
10 звезд, которые ненавидят ходить на каблуках 10 звезд, которые ненавидят ходить на каблуках

Звездные модницы, которые не надевают каблуки даже на красную дорожку

Cosmopolitan
По ту сторону подиума: как живут модели перед крупными показами и съемками По ту сторону подиума: как живут модели перед крупными показами и съемками

Как живут девушки, которые демонстрируют творения крупнейших модных домов?

Cosmopolitan
Европейцы погубили половину популяций змей и ящериц Гваделупы Европейцы погубили половину популяций змей и ящериц Гваделупы

Гваделупским рептилиям навредили завезенные хищники и разрушение среды обитания

N+1
Диета доктора Борменталя: никаких запретов! Диета доктора Борменталя: никаких запретов!

Диета, которая на сегодняшний день считается одной из самых эффективных

Лиза
Грибная диета: на сколько можно похудеть, если есть шампиньоны каждый день Грибная диета: на сколько можно похудеть, если есть шампиньоны каждый день

Ты что-то слышала о грибной диете?

Cosmopolitan
В порядке вещей В порядке вещей

Дом под Санкт-Петербургом стал территорией технологий и стерильного порядка

AD
Юрий Мороз: Юрий Мороз:

Юрий Мороз — о работе с актерами, своей киноистории и «Содержанках»

Караван историй
Тревожность, злопамятность и другие способы себе навредить. Пять типов самосаботажа и как с ними бороться Тревожность, злопамятность и другие способы себе навредить. Пять типов самосаботажа и как с ними бороться

Пять типов самосаботажа и как с ними бороться

Inc.
Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова

Каким запомнится Таир Салахов?

Forbes
Как выглядят мужья красоток «ВИА Гры»: Брежневой, Джанабаевой, Найник и других Как выглядят мужья красоток «ВИА Гры»: Брежневой, Джанабаевой, Найник и других

Кому повезло завоевать сердца красоток из «ВИА Гры»

Cosmopolitan
Мои глаза! Как пилинги и «уколы красоты» могут привести даже к потере зрения Мои глаза! Как пилинги и «уколы красоты» могут привести даже к потере зрения

Безопасная косметология: как избежать осложнений после процедур

Cosmopolitan
Одна вокруг света: как расшифровать древний петроглиф и дорожный знак Одна вокруг света: как расшифровать древний петроглиф и дорожный знак

119 серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки Греты

Forbes
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
На экзопланете нашли молекулу, встречавшуюся только на Земле На экзопланете нашли молекулу, встречавшуюся только на Земле

В атмосфере ультрагорячего юпитера обнаружили гидроксил

National Geographic
Побереги ноги! Как правильно выбирать босоножки, чтобы было и удобно, и стильно Побереги ноги! Как правильно выбирать босоножки, чтобы было и удобно, и стильно

Красота требует жертв? Мы не согласны

Cosmopolitan
День в истории: Дар городу День в истории: Дар городу

165 лет назад 22 мая основана Третьяковская галерея

Лиза
Как плазма проникает сквозь мощные магнитные поля нейтронных звезд Как плазма проникает сквозь мощные магнитные поля нейтронных звезд

Открытие, которое поможет понять поведение плазмы в магнитных полях

Популярная механика
Городской шум помешал амадинам научиться петь Городской шум помешал амадинам научиться петь

Шумовое загрязнение мешает птенцам певчих птиц учиться пению

N+1
Про любовь: 10 фильмов о том, как по-разному зарождаются чувства Про любовь: 10 фильмов о том, как по-разному зарождаются чувства

Сможет ли человек прожить без любви?

Cosmopolitan
На свободную тему На свободную тему

Режиссер Луиза Мутц о темах, которые волнуют современных парижанок

Grazia
Большой Ангкор подтвердил статус одного из самых густонаселенных городов доиндустриальной эпохи Большой Ангкор подтвердил статус одного из самых густонаселенных городов доиндустриальной эпохи

На пике своего развития Большой Ангкор населяло около 700–900 тысяч человек

N+1
Эффект отмены: как прекратить пить противозачаточные и не навредить себе Эффект отмены: как прекратить пить противозачаточные и не навредить себе

Цикл сбился, с кожей проблемы, настроение каждый день, как на пике ПМС…

Cosmopolitan
Поступить на финтех: как заработать на блогерах, стримерах и курьерах Поступить на финтех: как заработать на блогерах, стримерах и курьерах

Три простых правила для стартаперов, желающих выйти на рынок финтеха

Forbes
В Малайзии обнаружили редкую сову. Её не видели почти 125 лет В Малайзии обнаружили редкую сову. Её не видели почти 125 лет

Эта птица обитает в горных лесах, которые подвергаются активной вырубке

National Geographic
Открыть в приложении