Massenradius und Ladungsradius von Elektronen bestimmen

Rutherford verwendet$\alpha$-Partikel als Geschosse. Im Vergleich zur Goldfolie haben sie „wenig“ Masse und wirken „stark“ über die elektromagnetische Kraft. Darüber hinaus ist die Größe mit der Größe eines Goldatoms (inkl. der elektronischen Hüllen) zu vergleichen$\alpha$-Partikel sind klein. Alle drei Eigenschaften waren wichtig:

• geringe Masse, damit sich die Goldfolie nicht bewegt, wenn sie mit dem interagiert$\alpha$-Partikel. Sonst würden wir keine rückgestreuten Teilchen finden.
• "starke" Wechselwirkungen über die elektromagnetische Kraft, so dass wir einige reflektierte Teilchen in Vorwärtsrichtung finden können.
• klein, so dass es eine lokale Sonde bildet.

Welche neutralen Teilchen würden Sie also im elektronischen Rutherford-Experiment verwenden?

Ein Grund, warum ein Rutherford-ähnliches Experiment im Fall des Elektrons nicht funktionieren würde, ist, dass das Elektron ein Elementarteilchen ist, dh es besteht nicht aus etwas anderem, sodass das Beschießen mit Teilchen keine Wirkung in diesem Sinne hat (von Natürlich können Sie ein anderes Teilchen erzeugen, indem Sie zum Beispiel ein Elektron und ein Positron kollidieren lassen, aber dies gibt Ihnen keine Informationen über die Struktur des Elektrons). Andererseits besteht ein Proton aus Quarks, sodass Sie ein Rutherford-Experiment durchführen können, um seine innere Struktur zu sehen (und es wurde mit sehr hoher Genauigkeit durchgeführt). In beiden Fällen ist es jedoch schwierig, einen genauen Radius zu definieren, da beide Partikel ein wellenartiges Verhalten haben, sodass Sie einen Bereich im Raum definieren können, in dem Sie das Partikel mit 99% (sagen wir) Sicherheit finden können, aber Sie können '

Der Massenradius bezieht sich auf insgesamt neutral geladene Teilchen wie normale nicht ionisierte Atome. Kerne (mit Ausnahme des He-4-Kerns) und Elektronen sind geladene Teilchen und ihr Radius ist ihr Ladungsradius.

Darüber hinaus werden Elektronenteilchen vom SM als dimensionslose Punktmassenladungsteilchen betrachtet, was bedeutet, dass sie effektiv als Teilchen ohne Radius betrachtet werden. Dies liegt daran, dass das Standardmodell (SM) als effektive Theorie das "nackte" Masse- oder auch "nackte" Modell des Elektrons übernommen hat, in dem das Elektron wie ein dimensionsloser Massenschwerpunkt im Raum beschrieben wird, von wo aus es intrinsisch alles ist Eigenschaften wie Masse, Ladung, Spin usw. entstehen, im Gegensatz zu dem mehr physikalisch geladenen "gekleideten" Modell des Elektrons, das das Elektron mit seiner Ladung beschreibt. Also wirklich alle Experimente und Forschungen, die heute erforderlich sind, um einen endlichen Radius für das Elektron zu definieren,.

Natürlich trägt SM als effektive Theorie nicht das, was tatsächlich da ist, und nur das, was notwendig ist, um die Ergebnisse und Ergebnisse von Phänomenen genau zu beschreiben und Vorhersagen zu treffen. Es ist eher eine quantitative und weniger eine qualitative Theorie.

Damit können Sie meines Wissens keine Lichtstreumessung an freien Elektronen durchführen , da durch die elastische Streuung der einfallenden Photonen an den Elektronen die kinetische Energie der Photonen nach der Streuung erhalten bleibt und es keine Wellenlängenverschiebung gibt, die dies zulassen würde aussagekräftige Daten, die für Berechnungen erhoben werden.

Sie können nur unelastische Streuung (Compton- oder Raman-Streuung mit Röntgenstrahlen von Gammastrahlung) an gebundenen oder lose gebundenen Zustandselektronen innerhalb des Atoms durchführen, aber am Ende messen Sie wiederum Elektronenorbitalschalen und nicht wirklich den Ladungsradius eines freien Elektrons bei rest, was am interessantesten ist, was wir lernen wollen, wenn das Elektron einen endlichen Radius hat.

Es gibt einige theoretische Berechnungen der Obergrenze des freien Elektrons im Ruhezustand, die aus der Messung anderer Eigenschaften des Elektrons wie seines g-Faktors mit einer Penning-Falle oder rein theoretisch wie dieser hier für die obere Radiusgrenze abgeleitet wurden, aber sie stimmen nicht überein und es gibt derzeit keine direkte Methode zur Messung des Radius eines freien Elektrons. Dies ist ein Geheimnis, das der Natur sehr am Herzen liegt.

Der beste Hinweis, den wir unter der Annahme haben, dass Quarks die gleiche Größe wie freie Elektronen haben, ist dieses Experiment des HERA-Teams mit gebundenen Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen, wobei die Obergrenze des Ladungsradius auf festgelegt ist$0.43 \times 10^{-18} m$und auch hier vom ZEUS-Team mit Obergrenze$0.85 \times 10^{-18} m$aber auch hier kommt es darauf an, was Sie als Radius definieren, einschließlich der virtuellen Ladungen und so weiter. Weitere Versuche, die Ladungsdimensionen des Elektrons mit elektrostatischen oder magnetostatischen Methoden zu messen, sind vergeblich, da dies die durch die Elektronenladung erzeugten Wechselwirkungsfernfelder des Elektrons mit der Umgebung sind und nicht das Nahfeld des Elektrons und damit seine Ladung darstellen welches ein in sich geschlossenes und raumbegrenztes Energiefeld ist.

Unterm Strich haben wir keine Ahnung, was der endliche Radius eines freien Elektrons im Ruhezustand ist, und es gibt derzeit keine Methode, um dies direkt mit Lichtstreuung oder einer anderen Methode zu messen.

Hinweis: Ich finde den folgenden zitierten Text und Verweis als interessante Lektüre zu diesem Thema:

Aus dem Orbitalmodell der Struktur von Elementarteilchen wird das Elektron durch das Orbital einer ganzzahligen negativen elektrischen Ladung strukturiert, ein Orbital, dessen Größe 2,82 Fm beträgt (dh klassischer Elektronenradius ). Es wird jedoch oft angenommen, dass das Elektron punktuell ist. Dies liegt daran, dass seine Struktur bei Hochenergie-Kollisionsexperimenten nicht erkannt wird, da sie vor der Kollisionsenergie sehr leicht ist (nur 0,51 MeV) und daher ihr punktförmiges Erscheinungsbild von ihrer strukturellen elektrischen Ladung herrührt, die punktuell ist (weniger als 0,001 Fm) [1] .