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
Респектабельный центр Респектабельный центр

Апартаменты, в которых сочетаются респектабельные традиции и современные решения

Идеи Вашего Дома
Абсурд и самоирония: как девятый «Форсаж» вывел франшизу на новый уровень Абсурд и самоирония: как девятый «Форсаж» вывел франшизу на новый уровень

Почему создателям «Форсажа» уже давно было пора начать смеяться над собой

GQ
Первомайский свальный грех: история оргий от Древнего Египта до наших дней Первомайский свальный грех: история оргий от Древнего Египта до наших дней

Ничего необычного или нового в оргиях нет

Cosmopolitan
Капитаны дорогого плавания Капитаны дорогого плавания

Кто и зачем идет работать на крупные частные яхты?

Forbes Life
5 черт характера, которые мы обязаны позаимствовать у плохих девочек 5 черт характера, которые мы обязаны позаимствовать у плохих девочек

У плохих девочек вообще есть чему поучиться

Cosmopolitan
5 самых интересных экспонатов Политеха ко Дню химика 5 самых интересных экспонатов Политеха ко Дню химика

Лучшие экспонаты Политехнического музея, открывающие мир химии

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
Экспортозамещение: советские и российские машины с иностранной пропиской Экспортозамещение: советские и российские машины с иностранной пропиской

От корейского газона до эфиопского УАЗа

Maxim
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
Рост насилия в эпоху бронзы вынудил женщин Анатолии взяться за оружие Рост насилия в эпоху бронзы вынудил женщин Анатолии взяться за оружие

Почему женские захоронения Центральной Анатолии часто содержали оружие?

N+1
Бедный богатый жених Бедный богатый жених

Известный московский холостяк просит девушек прекратить на него охоту

Tatler
Ну пустой желудок Ну пустой желудок

Возможно ли 10 дней продержаться на жидкой диете?

Robb Report
Ярмарка на Стрелке Ярмарка на Стрелке

В короткий срок Нижегородская ярмарка превратилась в ведущую торговую площадку

Дилетант
Археологи установили уровень заболеваемости подагрой в средневековом Кембридже Археологи установили уровень заболеваемости подагрой в средневековом Кембридже

Социальная верхушка Кембриджа чаще страдала от этого недуга

N+1
Обувь по сезону Обувь по сезону

Что просить у Бога в скверную погоду?

GQ
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
«Битва за Версаль», бал Трумена Капоте, взлет и падение: что нужно знать о дизайнере Рое Холстоне «Битва за Версаль», бал Трумена Капоте, взлет и падение: что нужно знать о дизайнере Рое Холстоне

Почему дизайнер Рой Холстон интересен даже тем, кто далек от моды

Esquire
Боул и поке – кулинарный тренд Боул и поке – кулинарный тренд

Что делать, если обычные салаты набили оскомину

Здоровье
Хватит ходить с суровым лицом: 7 способов находить причину улыбнуться каждый день Хватит ходить с суровым лицом: 7 способов находить причину улыбнуться каждый день

Отличная профилактика от дурного настроения

Playboy
Польза граната: 9 доказанных преимуществ для здоровья мужчин Польза граната: 9 доказанных преимуществ для здоровья мужчин

Чем полезен гранат?

Playboy
«С меня хватит!»: 3 занятия, от которых стоит отказаться прямо сейчас «С меня хватит!»: 3 занятия, от которых стоит отказаться прямо сейчас

Какую пользу мы получим, если избавимся от трех вредных пристрастий?

Psychologies
Враг на тарелке Враг на тарелке

Большое количество красного мяса в рационе может менять структуру сердца

Здоровье
Российские сериалы 2021 года, которые нельзя пропустить Российские сериалы 2021 года, которые нельзя пропустить

Российские сериалы 2021 года — есть где разгуляться, не «Ефросиньей» единой

Cosmopolitan
Греет, но не пригорает. Климатические парадоксы 2020 года Греет, но не пригорает. Климатические парадоксы 2020 года

Минувший год дал почву для раздумий многочисленной армии климатологов

СНОБ
Кодекс шопоголика: как бороться с навязчивым желанием приобретать вещи Кодекс шопоголика: как бороться с навязчивым желанием приобретать вещи

Причины шопоголизма и способы справиться с бесконтрольным потреблением

Psychologies
Как я перестал волноваться и изобрел водородную бомбу: 100 лет Андрею Сахарову Как я перестал волноваться и изобрел водородную бомбу: 100 лет Андрею Сахарову

Как Андрей Сахаров из физика-теоретика превратился в диссидента и общественника

Cosmopolitan
Архитектура для чайников Архитектура для чайников

Глядя на эти дома, можно ощутить себя Гулливером, оказавшимся в стране великанов

Вокруг света
Мертвый заяц и серый войлок Мертвый заяц и серый войлок

Путеводитель по мифам и сказаниям Йозефа Бойса

Weekend
Опереди время Опереди время

Хочешь знать, как будет стареть твоя кожа? Есть четыре типа сценария

Лиза
Открыть в приложении