Ich erinnere mich, dass ich im Chemieunterricht der High School die folgende bekannte Geschichte gelernt habe:
"Ein Atom besteht aus einem Kern aus Protonen und Neutronen und einer Ansammlung von Elektronen, die auf diskreten Ebenen um den Kern kreisen. Wenn ein Elektron von Ebene n auf Ebene n-1 fällt, wird ein Photon erzeugt."
Anschließend habe ich etwas fortgeschrittenere Physik gelernt und lerne jetzt die grundlegende Quantenfeldtheorie.
Meine Frage: Wie würde man die Geschichte, die ich in der High School gelernt habe, mit Kenntnis der grundlegenden Quantenfeldtheorie ergänzen?
Der Grund, warum ich diese Frage stelle, ist, dass mir mein Lehrbuch der Quantenfeldtheorie beibringt, wie man Streuquerschnitte, Zerfallsraten usw. berechnet. Mir ist jedoch überhaupt nicht klar, was dies mit der Behauptung zu tun hat, dass ein Photon emittiert wird, wenn ein Elektron um eine Stufe abfällt.
Die Geschichte der Quantenfeldtheorie (QFT) behandelt Teilchen wie Elektron, Proton oder Photon ganz anders als die Quantenmechanik (QM) und die klassische Mechanik (CM).
Wir alle wissen, dass wir mit CM das Verhalten eines Atoms nicht erklären können, weil nach Maxwells Theorie beschleunigende Teilchen ihre Energie abstrahlen sollten und für ein Atom bedeutet dies, dass Elektronen durch Abstrahlen von Energie in den Kern fallen sollten.
QM sagt, dass Elektronen stationäre Umlaufbahnen definiert haben und schafft es, Phänomene wie Schwarzkörperstrahlung zu erklären. Aber QM versagt auch, wenn Teilchen eine Geschwindigkeit haben, die mit Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist.
Jetzt ist QFT geboren, eine Verbindung von QM und spezieller Relativitätstheorie. QFT behandelt Teilchen als angeregte Zustände eines Feldes und die Wechselwirkung zwischen Teilchen wird durch Wechselwirkung zwischen Feldern untersucht. Das Standardmodell ist ein Ergebnis von QFT. Wenn wir die Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen untersuchen wollen, sagen wir, dass ein Elektron aufgrund von Photonen eine Kraft auf das andere ausübt. QFT sagt auch, dass ein Photon im Vakuum ein Elektron-Positron-Paar erzeugen kann und ein Elektron-Positron-Paar vernichten kann, um ein Photon zu erzeugen. Natürlich sollten bei allen Prozessen die Prinzipien der Energieerhaltung und der Impulserhaltung eingehalten werden.
Um das Phänomen der Photonenemission oder Photonenabsorption zu erklären, wenn Elektronen ihre Bahnen ändern, funktioniert das Bild der QM ziemlich gut, weil Elektronen niemals Lichtgeschwindigkeit erreichen, es sei denn, sie werden in einen Beschleuniger gebracht. Wenn wir das Phänomen durch QFT erklären, können wir ein Elektron durch einen angeregten Zustand von Feld 1 (Dirac-Feld) und ähnlich ein Photon durch einen angeregten Zustand von Feld 2 (Maxwell-Feld) beschreiben. Wenn nun ein Photon absorbiert wird, dann kommt das Feld 2 in seine Grundzustände und Feld 1 bewegt sich in den oberen angeregten Zustand. Die Mathematik dieses Prozesses ist nicht sehr einfach und außerdem sehr langwierig. Wenn Sie die Mathematik sehen wollen, empfehle ich dringend Kapitel 8 für Dirac Field, Kapitel 9 für Maxwell Field aus dem Buch Ashok Das-Lectures on QFT. Zur Interaktion dieser beiden Felder können Sie auf Kapitel 5 des Buches Peskin, Schroeder – Introduction to QFT verweisen.
johndecker
Henrikas
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