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

Анатомия преступления Анатомия преступления

Что могут рассказать насекомые, отпечатки пальцев и ДНК

kiozk originals
Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля

Астрономы обнаружили атомы железа и никеля в холодных комах комет

N+1
Монстры под кроватью Монстры под кроватью

Как детские страхи управляют нашей жизнью

Лиза
Подвести черту Подвести черту

Что облегчает процесс расставания и помогает перевернуть страницу?

Psychologies
Цифровая информация: как много мы ее создаем и где она хранится Цифровая информация: как много мы ее создаем и где она хранится

Современные варианты хранения информации

Популярная механика
Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения

Российские химики в десятки раз ускорили синтез очень редкого оксида железа

N+1
«Царь-батюшка»: почему мы относимся к властям как к родителям «Царь-батюшка»: почему мы относимся к властям как к родителям

Вы часто говорите, что в ваших проблемах виноваты власти?

Psychologies
5 причин не бояться быть «как все» 5 причин не бояться быть «как все»

Как превратить свою обыкновенность в суперсилу?

Psychologies
Исследование: как наш мозг воспринимает инструменты и контролирует руки Исследование: как наш мозг воспринимает инструменты и контролирует руки

Понимание того, как мозг контролирует действия, важно для разработки протезов

Популярная механика
Ольга Бузова и Дмитрий Тарасов: история любви длиною в 5 лет Ольга Бузова и Дмитрий Тарасов: история любви длиною в 5 лет

Семья Ольги Бузовой и Дмитрия Тарасова не просуществовала и 5 лет

Cosmopolitan
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
Как туннельное мышление мешает нам выбраться из бедности и что такое «саморазрушающееся пророчество» Как туннельное мышление мешает нам выбраться из бедности и что такое «саморазрушающееся пророчество»

Отрывок из книги Дэна Хиза «На шаг впереди»

Inc.
Сверхвысокое разрешение в микроскопии стало возможно без флуоресценции Сверхвысокое разрешение в микроскопии стало возможно без флуоресценции

Удалось получить изображение с разрешением, превосходящим дифракционный предел

N+1
Диким предком арбуза оказался кордофанский арбуз из Судана Диким предком арбуза оказался кордофанский арбуз из Судана

Дикого предка арбуза одомашнили более четырех тысяч лет назад

N+1
Из полипептидов сделали перерабатываемые аккумуляторы Из полипептидов сделали перерабатываемые аккумуляторы

Перерабатываемые органические аккумуляторы с электродами на основе полипептида

N+1
Семейное наследие: как отделить свои чувства от чужих Семейное наследие: как отделить свои чувства от чужих

Чувства приходят и уходят, но оставляют в нас след, иногда очень глубокий

Psychologies
Мини-сад из трав Мини-сад из трав

Полезные и вкусные травы и микрозелень можно вырастить дома

Домашний Очаг
Серый кардинал Серый кардинал

Как защитить своего ребенка от учителя?

Лиза
Спроси у робота: эра развлечений в области искусственного интеллекта Спроси у робота: эра развлечений в области искусственного интеллекта

Следующей волной внедрения разговорного интеллекта будет сфера развлечения

Популярная механика
«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
Грудь напоказ: пикантные конфузы Шарлиз Терон, Шэрон Стоун и других звезд Грудь напоказ: пикантные конфузы Шарлиз Терон, Шэрон Стоун и других звезд

Голливудские дивы обладают впечатляющими формами

Cosmopolitan
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
Привет, 90-е! 14 любимых передач из нашего детства Привет, 90-е! 14 любимых передач из нашего детства

«Зов джунглей», «В мире животных» и другие любимые передачи детей 90-х

Cosmopolitan
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
Как измерить время: обзор программ отслеживания рабочего времени Как измерить время: обзор программ отслеживания рабочего времени

Лучшие программы для трекинга рабочего времени

Популярная механика
Князь, губернаторы, воевода и секретарь Князь, губернаторы, воевода и секретарь

Самые известные первые лица Нижнего Новгорода

Дилетант
История бизнеса, который позволяет не сомневаться в себе История бизнеса, который позволяет не сомневаться в себе

Как Юлия Мальгинова открыла онлайн-магазин нижнего белья «Тушé»

Домашний Очаг
Личные драмы Селены Гомес: абьюз Бибера, проблемы с весом и нервный срыв Личные драмы Селены Гомес: абьюз Бибера, проблемы с весом и нервный срыв

С какими переживаниями и трудностями сталкивалась Селена Гомез?

Cosmopolitan
Нежные красотки! Как выглядят дочери Воли, Галустяна и других звезд Comedy Club Нежные красотки! Как выглядят дочери Воли, Галустяна и других звезд Comedy Club

Каких очаровательных наследниц воспитывают звезды Comedy Club

Cosmopolitan
7 самых распространенных заблуждений о человеческом теле 7 самых распространенных заблуждений о человеческом теле

Мы собрали факты о нашей физиологии, которые на поверку оказались чепухой

Maxim
Открыть в приложении