Warum dreht sich das Elektron nicht? [Duplikat]

Teilchenphysiker verwenden normalerweise den Begriff „ Spin “, um den intrinsischen Drehimpuls zu bezeichnen, der für ein geladenes Teilchen ein magnetisches Dipolmoment hervorrufen kann. In diesem Sinne hat das Elektron Spin , obwohl es ein Elementarteilchen ist und unseres Wissens keine innere Struktur hat.

Darauf möchte ich eingehen:

Das Elektron ist jedoch nicht punktförmig. Sie wird durch eine Wellenfunktion beschrieben. Man kann die Wellenfunktion präparieren, um ein sehr kleines Elektron zu beschreiben.

Das Elektron des Standardmodells ist ein Punktteilchen. Die Wellenfunktionen, die in den quantenmechanischen Modellen verwendet werden, um ein Elektron zu modellieren, nennen es$Ψ$, die die Wahrscheinlichkeit definiert $Ψ^*Ψ$um das Elektron bei (x,y,z) zu finden. Wahrscheinlichkeiten werden gemessen, indem viele Ereignisse mit denselben Randbedingungen genommen werden, und haben keinen Zusammenhang mit der Größe des Elektrons, die bei der Berechnung axiomatisch angenommen wird$Ψ$.

Bearbeiten nach dem Kommentar: Um näher darauf einzugehen, "was bei der Berechnung von axiomatisch angenommen wird$Ψ$."

In der Quantenfeldtheorie des Standardmodells definieren alle Elementarteilchen in der Tabelle in allen Punkten der Raumzeit ein Feld (Fermionen repräsentiert durch die ebene Wellenlösung der Dirac-Gleichung, Bosonen die Klein Gordon, Photonen die quantisierten Maxwells) auf welche Felderstellungs- und Vernichtungs-Differentialoperatoren wirken. Die Berechnungen erfolgen mit Feynman-Diagrammen, in denen alle Teilchen an den Scheitelpunkten als Punktteilchen behandelt werden.

Der Spin ist eine Größe, die beschreibt, wie sich ein Quantenfeld unter einer Lorentz-Transformation transformiert. Abhängig vom Spin eines Feldes transformiert es sich entweder als Skalar, als Spinor oder als Vektor. Das klassische Bild ist, dass man sich das Elektron als Punktteilchen vorstellt, aber in der Quantenfeldtheorie wird dieses Bild durch die Vorstellung von Quantenfeldern ersetzt, und obwohl ein Feld einen Drehimpuls tragen kann, kann es sich nicht wie ein klassisches Punktteilchen um sich selbst drehen.

Deshalb wird es auch Eigenspin genannt, was bedeutet, dass es alle Auswirkungen eines Spins (Drehimpuls etc.) zeigt, aber wir wissen nicht oder es ist uns egal, durch welchen Mechanismus er diese erhält.

Ihre Frage ist ontologisch und hat heutzutage wenig bis gar keinen epistemischen Wert. Solange wir die Eingabe einer Blackbox und die entsprechende Ausgabe kennen, interessiert uns die Blackbox nicht.

Die ontologische Antwort lautet: Wir wissen es nicht.

Die epistemische Antwort lautet: Da das einzelne ruhende Elektron ein massives dimensionsloses Punktteilchen ist, kann es in seiner klassischen Interpretation keinen Spin haben. Daher hat das einzelne ruhende Elektron den Quantenspin 1/2, aber keinen physikalischen Spin.

Ich weiß, es ist schwer zu schlucken, aber die moderne Teilchenphysik kümmert sich nicht um die Ontologie, solange das bestehende Standardmodell genaue Ergebnisse vorhersagen kann. Vielleicht werden wir in Zukunft, wenn sich unbekannte Physik anhäuft und alle unsere Modelle versagen, zu einer ontologischen Erklärung und Untersuchung gezwungen sein, vorausgesetzt, wir haben die richtigen Werkzeuge dafür.

Wir wissen einfach nicht, dass sich das Elektron nicht dreht. Dazu bräuchte man ein mechanisches Modell, das seinen Eigendrehimpuls als Rotation interpretiert, was wir nicht haben.

In der Praxis verhält sich der elektronische Spin wie jeder andere Drehimpuls. Er trägt zum Beispiel ebenso wie der Bahndrehimpuls zur Zentrifugalkraft im Wasserstoffatom bei, siehe Itzykson&Zuber. Sie präzediert in einem Magnetfeld (Larmor-Präzession).

Über den Spin

Ein echter Fortschritt wäre es, dem Elektron eine doppelte Eigenschaft von elektrischer Ladung und magnetischem Dipol zuzuschreiben . Betrachtet man die Geschichte der Entdeckung des Spins und des magnetischen Dipols des Elektrons, dann wäre auch folgende Entwicklung möglich:

1. Das Elektron ist (zusätzlich zu seiner elektrischen Ladung) ein magnetischer Dipol.

2. Bei der Bewegung in einem Magnetfeld beeinflusst das äußere Magnetfeld die Ausrichtung des magnetischen Dipols des Elektrons. Die auftretende Emission von EM-Strahlung lenkt einerseits das Elektron ab und stört andererseits periodisch die Orientierung des Dipols. Dabei wird das Elektron auf eine spiralförmige Bahn gelenkt und kommt nach Abgabe seiner gesamten kinetischen Energie in deren Zentrum zum Stehen.

Damit ist die Analogie des Kreiselverhaltens einer rotierenden Masse und der Ablenkung des Elektrons im Magnetfeld hinfällig. Das Elektron braucht keinen Spin, um sein Ablenkungsverhalten zu erklären.

Pointartiges Verhalten

Ich bin kein Theoretiker, der ein punktförmiges Elektron für Berechnungen braucht.

1. Ich weiß jedoch, dass das Elektron einen Aktionsradius hat. Je nach lateralem Abstand zu einem (in einem Atom gebundenen) Elektron wird ein Photon vom Elektron absorbiert oder nicht.
2. Wenn man davon ausgeht, dass das Elektron ein magnetischer Dipol ist, dann kann das Elektron keine punktförmige Struktur sein, weil ein Dipol immer eine räumliche Ausdehnung benötigt.

Verschränkung und Wellenfunktion

Bei der Beschreibung der Anordnung der Elektronen im Atom fiel nach der Zuordnung von drei Quantenzahlen auf, dass eine Verschränkung der Elektronen beobachtet wurde (nichts anderes ist das Pauli-Ausschlussprinzip).
Nach dem oben über den magnetischen Dipol des Elektrons Gesagten ist es nun konsequent, statt von der Spinquantenzahl vom magnetischen Dipol zu sprechen.

Damit vereinfacht sich die Zahl der Quantenzahlen radikal auf 2 (da vorher schon eine magnetische Quantenzahl eingeführt wurde):

• In der ersten Schale befinden sich 2 Elektronen mit entgegengesetzten magnetischen Dipolen für Helium (bisher Spin up und Spin down).
• in der zweiten Schale, im Neonatom, sind 8 Elektronen an den Kanten eines gedachten Würfels angeordnet, immer abwechselnd mit Nord- oder Südpol zum Kern gerichtet (siehe auch die leider verworfene Valenztheorie von Gilbert N. Lewis ) .
• In der Atomreihe von Lithium bis Neon entsteht durch die gegenseitige Beeinflussung der magnetischen Momente das typische sägezahnartige Muster (siehe dieses Bild) , das die Bindungsenergie beschreibt. Fast jedes Elektronenpaar im Atom ist stabiler als die ungerade Zahl. Eine Ausnahme bilden das 5. und 6. Elektron. Hier kann die Forschung ansetzen, um den stabileren Zusammenhalt von 5 Dipolen im Vergleich zu 6 Dipolen um ein gemeinsames Zentrum rechnerisch zu bestätigen – oder zu verwerfen.

Die Wellenfunktion ist erfolgreich bei der Beschreibung wasserstoffähnlicher Elektronenzustände. Für komplexere Atome ist es weder berechenbar noch praktikabel.

Darüber hinaus beschreibt die Theorie keulenförmige Verteilungen von Elektronen, die in chemischen Verbindungen keine Rolle spielen können. Ein Elektron geht mit dem Elektron des Nachbaratoms eine stabile chemische Bindung ein und ist nicht in den beiden Armen der Doppelkeule oder anderen Formationen der Kugelflächenfunktion lokalisiert . Für ein isoliertes Atom hingegen spielt eine solche Rechnung keine Rolle. Ich kann berechnen, was ich will, nur im Zusammenspiel mit anderen Atomen kann die Realität der berechneten Formationen überprüft werden.

Übrigens gibt es sphärische Harmonische, die eine Berechnung für Lewis' kubisches Atom (l=3, m=2, lm=1) erlauben . Anstatt die Lage der Wellenfunktionen entlang der kartesischen Achsen zu bestimmen, kann man sie auch für die Lage entlang der Kanten eines Würfels berechnen.