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

Мартин Лютер Мартин Лютер

Бунтарь в эпоху потрясений

kiozk originals
История одной фотографии: день, когда Швеция перешла на правостороннее движение, 1967 год История одной фотографии: день, когда Швеция перешла на правостороннее движение, 1967 год

Швеция оставалась последней страна Европы, перешедшая на правостороннее движение

Maxim
Форма воды Форма воды

Каждую весну и на подиумах, и на полках масс-маркета появляются тельняшки

Forbes Life
Миф или правда? Укрепила спину — попрощалась с морщинами: мнение экспертов Миф или правда? Укрепила спину — попрощалась с морщинами: мнение экспертов

Можно ли забыть о морщинах на лице, исправив осанку?

Cosmopolitan
«Помогая другим, помогаю себе»: история женщины, живущей с ВИЧ «Помогая другим, помогаю себе»: история женщины, живущей с ВИЧ

История ВИЧ-положительной женщины, помогающей другим людям с этим статусом

Psychologies
Минус 20 и больше: Степаненко, Лолита и другие звезды раскрыли секреты похудения Минус 20 и больше: Степаненко, Лолита и другие звезды раскрыли секреты похудения

Известные артистки, которые смогли взять себя в руки и прийти в роскошную форму

Cosmopolitan
Родила - и надела бикини! Как выглядят Перри, Шубская и другие звездные мамочки Родила - и надела бикини! Как выглядят Перри, Шубская и другие звездные мамочки

Многие модели и актрисы быстро вернулись в форму после того, как стали мамами

Cosmopolitan
Французский пасхальный пирог Французский пасхальный пирог

Le Tourteau Fromage – французский пасхальный пирог

Weekend
Строки, оборванные пулей Строки, оборванные пулей

О судьбе архива поэта рассказывает Любовь Сумм, внучка Павла Когана

Дилетант
Бедный богатый жених Бедный богатый жених

Известный московский холостяк просит девушек прекратить на него охоту

Tatler
Она и он Она и он

В бунинском «Деле корнета Елагина» практически ничего не придумано

Дилетант
Евгений Кочман: ориентация — Север Евгений Кочман: ориентация — Север

Основатель и CEO Imperial Yachts объясняет, откуда взялся тренд на суперъяхты

Forbes Life
Быть честным с собой: как ставить правильные цели Быть честным с собой: как ставить правильные цели

Обычно мы понимаем, что пришло время перемен, когда не получаем того, чего хотим

Psychologies
Гибель мамы, насилие и смерть мужа: личные драмы звезд сериала «Содержанки» Гибель мамы, насилие и смерть мужа: личные драмы звезд сериала «Содержанки»

Измены, домогательства — всё это актрисы «Содержанок» пережили в личной жизни

Cosmopolitan
17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения 17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения

Подборка интересных фактов о самой классной в мире одежде

Maxim
Скандинавская романтика Скандинавская романтика

Квартира, оформленная в скандинавском стиле

Идеи Вашего Дома
5 вопросов, которые стоит себе задать, прежде чем высказать свое мнение 5 вопросов, которые стоит себе задать, прежде чем высказать свое мнение

О чем надо поразмыслить, прежде чем делиться с окружающими своим ценным мнением

Psychologies
Преддефолтная терапия: какие риски для российских компаний и банков несет новый пакет помощи Лукашенко Преддефолтная терапия: какие риски для российских компаний и банков несет новый пакет помощи Лукашенко

Признав победу Александра Лукашенко, Кремль стал заложником своих решений

Forbes
Морщины или нет? Что такое кольца Венеры и как с ними бороться Морщины или нет? Что такое кольца Венеры и как с ними бороться

В чем причина появления колец Венеры и как с ними справиться?

РБК
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
Дает добро Дает добро

Супермодель и филантроп Наталья Водянова посетила Москву

Grazia
Не только «Великолепный век»: лучшие исторические сериалы про любовь и страсть Не только «Великолепный век»: лучшие исторические сериалы про любовь и страсть

Список отличных сериалов, похожих на «Великолепный век»

Cosmopolitan
Темпераментные красотки! Как выглядят жены знаменитых голливудских актеров Темпераментные красотки! Как выглядят жены знаменитых голливудских актеров

Хью Джекман, Джордж Клуни остановили свой выбор именно на этих красотках

Cosmopolitan
Борис Хвошнянский: «Терпеть не могу картошку Al Dente» Борис Хвошнянский: «Терпеть не могу картошку Al Dente»

Самобытный, разноплановый российский актер Борис Хвошнянский

Коллекция. Караван историй
Что было не так с волосами Трампа Что было не так с волосами Трампа

Дочь Трампа недавно раскрыла секрет его прически!

Maxim
Системы водяного охлаждения: зачем они нужны и насколько дороги? Системы водяного охлаждения: зачем они нужны и насколько дороги?

Системы жидкостного охлаждения - лучший способ охладить процессор

CHIP
5 эпичных фильмов про супергероинь, которые уделают любого злодея 5 эпичных фильмов про супергероинь, которые уделают любого злодея

Пять лучших фильмах о супергероинях, которые могут справиться с любым злом

GQ
Возвращение Андрея Сахарова: почему нынешняя власть боится его не меньше советской Возвращение Андрея Сахарова: почему нынешняя власть боится его не меньше советской

Сахаров переворачивал традиционную для России иерархию ценностей

Forbes
5 главных ошибок в ведении бюджетa: обнаружить и исправить 5 главных ошибок в ведении бюджетa: обнаружить и исправить

Как избежать самых распространенных ошибок в ведении бюджета

Psychologies
«Темная триада»: какие черты личности отличают опасных людей «Темная триада»: какие черты личности отличают опасных людей

Три особенности личности, которые помогут идентифицировать опасного человека

Psychologies
Открыть в приложении