Haben Elektronen eine Form?

Soweit wir wissen, ist das Elektron ein Punktteilchen - dies wird in der von Qmechanic vorgeschlagenen Frage angesprochen: Wie ist die Massendichteverteilung eines Elektrons?

Ein Elektron ist jedoch von einer Wolke virtueller Teilchen umgeben, und die Experimente in den von Ihnen bereitgestellten Links haben die Verteilung dieser virtuellen Teilchen untersucht. Insbesondere haben sie versucht, das elektrische Dipolmoment des Elektrons zu messen , das durch die Verteilung der virtuellen Teilchen bestimmt wird. In diesem Zusammenhang bedeutet das Wort Form die Form der virtuellen Teilchenwolke, nicht die Form des Elektrons selbst.

Das Standardmodell sagt voraus, dass die Wolke aus virtuellen Teilchen sphärisch symmetrisch ist und weit unter dem aktuellen experimentellen Fehler liegt. Die Supersymmetrie sagt jedoch voraus, dass es Abweichungen von der sphärischen Symmetrie gibt, die messbar sein könnten. Die jüngsten Experimente haben ergeben, dass das elektrische Dipolmoment Null ist, dh die virtuelle Teilchenwolke ist kugelsymmetrisch, mit einer Genauigkeit, die die supersymmetrischen Berechnungen herausfordert.

Es gibt jedoch viele verschiedene Theorien, die auf Supersymmetrie basieren, sodass das Ergebnis nicht beweist, dass Supersymmetrie nicht existiert - es schränkt sie nur ein.

Die Form einer Ladungsverteilung wird in Begriffen der Multipol-Expansion beschrieben , die Sie sich ähnlich wie die Fourier-Expansion vorstellen können, jedoch in zwei Dimensionen. Die Gesamtladung ergibt den „Monopolterm“, dessen Wechselwirkung kugelsymmetrisch ist. Wenn es einen Versatz zwischen dem Zentrum der Massenverteilung und dem Zentrum der Ladungsverteilung gibt, haben Sie ein Dipolmoment. Eine münz- oder zigarrenförmige Verteilung hat ein Quadrupolmoment ungleich Null, eine birnenförmige Verteilung hat ein Oktupolmoment und so weiter. Wie in der Fourier-Analyse ist es möglich, jede Ladungsverteilung in Form von Multipolmomenten darzustellen, obwohl eine Form mit scharfen Kanten (wie beispielsweise ein Würfel) eine unendliche Anzahl von Termen erfordern würde.

Das Elektron kann aufgrund eines Satzes nicht würfelförmig oder gar münzen- oder zigarrenförmig seinBezug auf Multipolarität und Spin. Ein spinloses Teilchen kann ein Monopolmoment haben, aber kein Dipolmoment; ein Spinhalbteilchen kann Monopol- und Dipolmomente haben, aber kein Quadrupolmoment; Ein Spin-Eins-Teilchen kann Monopol-, Dipol- und Quadrupolmomente haben, aber keine Oktupolmomente. Eine handgewellte, karikaturartige Art, sich das vorzustellen, ist, dass solche Momente entlang der Drehrichtung des Partikels quantisiert werden müssen – andernfalls würden sie, wenn sich das Partikel dreht, auf Null gemittelt. Wenn Sie möchten, dass die Ladungsverteilung des Elektrons zigarrenförmig ist, wie es bei einem Urankern der Fall ist, müssen Sie angeben, dass ein polarisiertes Elektron in der Nähe seiner Pole mehr Ladung hat als in der Nähe seiner Mitte. Aber ein halbes Spin-Partikel hat keine Spin-Projektion in der Nähe seiner Mitte – es gibt nur „oben“ und „unten“.

Darüber hinaus haben wir die Beobachtung, dass die Wechselwirkungen des Elektrons unter den Symmetrien der Paritätskonjugation nahezu unveränderlich sind.$P$, und Ladungskonjugation ,$C$. Dies schränkt die zur Verfügung stehenden Momente weiter ein, da der Spin des Elektrons, an den die Dipolmomente gekoppelt werden müssen, ein axialer Vektor ist und das Vorzeichen nicht wechselt$P$. In sehr guter Näherung können also die Massen- und Ladungsverteilungen des Elektrons nur ein Monopolmoment tragen, während sein Magnetfeld (eine andere axiale Vektorgröße) nur ein Dipolmoment tragen kann. Dies gibt uns das übliche Spielzeugmodellbild eines Elektrons als kugelförmigen, rotierenden Stabmagneten.

Allerdings sind die Wechselwirkungen des Elektrons bei gleichzeitiger Konjugation von Parität und Ladung nicht ganz invariant. Diese Verwandlung,$CP$, ist der Operator, der ein Elektron in ein Positron umwandelt. Unser stärkster Beweis dafür, dass das Universum Elektronen und Positronen unterschiedlich behandelt, ist, dass das Universum ziemlich voll von Elektronen ist, aber nur zufällige Positronen enthält. Um diesen Zustand zu erreichen, bedarf es unter anderem$CP$Verstoß. Aber im Grunde jedes Modell, das genug enthält$CP$Verletzung, um unsere beobachtete Materie/Antimaterie-Asymmetrie vorherzusagen, sagt auch permanente elektrische Dipolmomente für das Proton, Elektron und Neutron voraus, die viel größer sind als die derzeitigen Grenzen. Das haben die Hudson- und DeMille-Gruppen in den Nachrichten gemessen, die Sie gefunden haben. Ich fand die Erklärung von DeMille in Ihrem ersten Link ganz nett.

Elektronen und solche Kleinigkeiten :-) werden von der Quantenmechanik gehandhabt. Die Quantenmechanik unterscheidet sich sehr, sehr stark von der klassischen, Newtonschen Mechanik und von unserer auf Erfahrung beruhenden Intuition.

Obwohl das Elektron in der QM so behandelt wird, als wäre es ein punktartiger Körper, hat es keinen genauen Ort. Stattdessen wird sein Ort durch eine Wellenfunktion mit dem Namen beschrieben$\psi(r)$. Dies ist ein komplexes Skalarfeld, das im Raum interpretiert wird, daher können wir dies beschreiben als$\mathbb{R}^3\rightarrow\mathbb{C}$. Was das Bild wirklich interessant macht, diese Wellenfunktion hat komplexe Werte. Der quadratische Absolutwert ($\psi\psi^*$) gleich ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Aufenthaltsortes des Elektrons an einem bestimmten Ort.

Die Einbindung von$\psi\psi^*$auf einem Volumen gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass das Elektron in diesem Volumen existiert.

Als klassische Intuition könnten wir uns das so vorstellen, als ob das Elektron so etwas wie eine "Wolke" wäre, mit unterschiedlichen Dichten im Raum. Als mögliche Interpretation der „Form des Elektrons“ können wir uns die Wellenfunktion oder die Wahrscheinlichkeitsverteilung vorstellen, oder wir könnten uns sogar diese „Wolke“ vorstellen.

Nun, wir könnten das sogar berechnen, obwohl es nicht die einfachsten Berechnungen sind. Und aus den berechneten Dichtebildern können wir sichtbare Bilder erzeugen. So:

Das sind Elektronenformen um Atomkerne. Es gibt aber auch sehr unterschiedliche Verteilungen, zum Beispiel hat ein Freies Elektron in einem Doppelspaltexperiment eine ganz andere Wellenfunktion.

Niemand hat jemals ein Elektron direkt gesehen , und es ist durchaus möglich, dass es niemand jemals tun wird. Es als einen glänzenden kleinen Flipper zu betrachten, ist ebenso falsch wie es als einen abstrakten, unendlich kleinen "Punkt" mit bestimmten Eigenschaften zu betrachten. Um die Verwirrung noch zu verstärken, kann es je nachdem, wie Sie das Elektron "betrachten", als Teilchen erscheinen (was eine endliche Größe und eine bestimmte Form impliziert) oder als eine Art Welle erscheinen. Als Welle kann man von den "Wolken" von Elektronenorbitalen um ein Atom sprechen, die keine physikalischen Dinge sind , sondern Darstellungen von Wahrscheinlichkeiten. Ein Elektron als Flipper oder als Welle/Wolke zu betrachten, kann in bestimmten Situationen nützlich sein, ist aber keine absolute Wahrheit.

Kurze Antwort: nein, Elektronen haben keine "Form", zumindest im Sinne von "sieht aus wie ein Flipper oder ...".

Was ist Ihre Definition von Form? Und in welchem ​​Umfang sind diese Informationen für Sie relevant? Wenn ich Ihnen sagen würde, dass Elektronen tatsächlich wie Pyramiden geformt sind, auf welche Weise würde dies die Art und Weise verändern, wie Sie mit dem Universum interagieren. Obwohl Analogien der Grund für Fragen wie diese sind (subatomare Teilchen werden oft als deutlich gefärbte Kugeln dargestellt), werde ich versuchen, genau darauf hinzuweisen, indem ich eine Analogie verwende.

Gebäude können nach Typ klassifiziert werden. Wie ein Wolkenkratzer, eine Kirche, ein Schloss, ein Bungalow, was auch immer. Was wäre die kleinste Struktur, bei der die Zuordnung zum Objekt Gebäudetyp für Sie noch sinnvoll wäre. Was für ein Gebäude würdest du einen einzelnen Ziegelstein nennen? Sicher könnte ich mir vorstellen, dass ein Biologe, der Ameisenkolonien untersucht, diese Eigenschaft einem Ziegelstein zuordnet, weil es in diesem Zusammenhang eine relevante Information ist.

All diese Darstellungen, die in früheren Antworten angesprochen wurden, sind nur für ihre jeweiligen Studienbereiche relevant und haben nichts mit Ihrem Formkonzept zu tun. Anstatt also über die Definitionen von Form zu streiten, sollten Sie sich fragen, ist dies eine relevante Frage für Sie?

Nehmen Sie andererseits an, Sie würden an einem regulären Bowlingspiel teilnehmen und Sie würden angewiesen, nur würfelförmige Bälle anstelle von kugelförmigen zu verwenden. Auch ohne eine würfelförmige Bowlingkugel ausprobiert zu haben, kann man mit Sicherheit sagen, dass dies (zumindest einen gewissen) erheblichen Einfluss darauf haben würde, wie Sie mit der Kugel interagieren.

Ein Elektron ist kein Punktteilchen. Punktpartikel existieren nicht. Die Welt wird von der Quantenmechanik regiert, die physikalische Systeme in Form von quantenmechanischen Observablen beschreibt, die durch hermitische Operatoren repräsentiert werden. Unterschiedliche Observables stellen unterschiedliche Möglichkeiten dar, wie Sie mit einem bestimmten System interagieren und Informationen daraus kopieren können. Beispielsweise kann ein Photomultiplier nützlich sein, um festzustellen, ob in einer Region für einen bestimmten N-Wert mehr als N Photonen an Energie vorhanden sind.

Wenn Sie eine endliche Region betrachten, können Sie eine Observable messen, die Ihnen Informationen darüber gibt, ob sich in dieser Region ein Elektron befindet. Aber dieser Bereich kann nicht beliebig klein sein. Eine Einschränkung besteht darin, dass das Messen in einer kleineren Region erfordert, dass mehr Energie in diese Region gesteckt wird, und irgendwann ist die dafür erforderliche Energie so groß, dass ein Schwarzes Loch entsteht. Es kann andere körperliche Einschränkungen geben, die auftreten würden, bevor Sie dieses Niveau erreichen.

Wie sollen wir Behauptungen über die Form des Elektrons interpretieren? Eine solche Behauptung bedeutet, dass wir, wenn wir mit einiger hoher Genauigkeit messen, ob ein Elektron dort ist, wo sich ein Elektron befindet, eine sphärische Verteilung der Ergebnisse mit einer gewissen Genauigkeit erhalten, die ausreicht, um eine supersymmetrische Theorie auszuschließen.

Sie könnten so etwas denken wie: "Können wir nicht sagen, dass das Elektron wirklich an einem bestimmten Punkt ist, aber nicht an anderen, und wir können einfach nicht genau sagen, wo es ist?" Diese Idee stimmt nicht mit der Realität überein, denn wenn Sie die nachfolgende Entwicklung des Elektrons vorhersagen wollen, müssen Sie Observablen berücksichtigen, die das Elektron nicht an einem bestimmten Punkt darstellen, wie z. B. Impuls, da diese Observablen im Hamilton-Operator erscheinen.

Die Behauptung, dass das Elektron keine bekannte Substruktur hat, ist richtig, aber es bedeutet nicht, dass sich das Elektron an einem bestimmten Punkt befindet, sondern nur, dass es keine Subsysteme hat, die unabhängig voneinander geändert werden können. Ein zusammengesetztes System wie ein Kugelschreiber hat diese Eigenschaft nicht. Sie können den Tintenschlauch aus einem Kugelschreiber nehmen und ihn unabhängig von der Kunststoffhülle bewegen. Aber soweit irgendjemand weiß, kann man mit einem Elektron nichts Analoges machen.

Für einige relevante Materialien siehe

http://arxiv.org/abs/1204.4616

http://vimeo.com/5490979

http://arxiv.org/abs/quant-ph/9906007

http://arxiv.org/abs/1109.6223

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0104033 .

Ja, Elektronen haben als von der Umgebung erzeugte Quasiteilchen zustandsabhängige Formen (und andere zustandsabhängige Eigenschaften).

In der QM kann eine Form in Streuexperimenten gut definiert werden. Beispielsweise beinhaltet die elastische Streuung eines schnell geladenen Teilchens an einem Atom ungestörte Atomwellenfunktionen, und für Wasserstoff als Ziel findet man beispielsweise die berühmte$a_0$mit einigen kinematischen Variablen im Querschnitt.

In ähnlicher Weise erhält man für das Elektron als Ziel einen gewissen Querschnitt, aber diesmal unelastisch oder noch genauer, einen inklusiven, da jene virtuellen Teilchen, die das reale Elektron "einkleiden", so schwach daran gebunden sind, dass der rein elastische Querschnitt es ist Null - es ist unmöglich, ein Elektron zu schieben und seine "Verkleidung" nicht zu erregen. Da der Verband stark von den Umgebungsgrößen (Eigenschaften) abhängt, kann man unterschiedliche Gesamtbilder erhalten. Beispielsweise ist ein „Coulomb-Zentrum“ ein besonders inklusives Bild. Für einen teilweise inklusiven Querschnitt gibt es einige Faktoren, die von der Detektorauflösung abhängen (auch eine Umgebungseigenschaft).

Viele Völker verstehen die Bedeutung der Wellenfunktion und insbesondere ihrer Randbedingungen nicht als vereinfachte Lösungen eines großen QM-Umweltproblems und konzentrieren ihre Aufmerksamkeit auf eine Erregung, die sie für etwas Separates und Unveränderliches ("Fundamentales") halten.