Warum sehen wir keine makroskopischen "Elektronenwellen"?

Sie können sehen, wie Elektronen interferieren, um die ganze Zeit interessante Interferenzmuster zu ergeben

Beispielsweise sind Elektronenwellen in der Rastertunnelmikroskopie ständig in Form von Friedel-Oszillationen um Defekte auf Materialoberflächen zu sehen. Der Grund, warum Sie diese Wellen nicht mit dem Auge sehen, ist, dass sie eine sehr kleine Wellenlänge haben (denken Sie an Angström oder Nanometer). Die Wellenlänge kommt zustande, weil Elektronen in Festkörpern normalerweise Energien im Volt-Bereich haben, was sich in Sub-Nanometer-Wellenlängen umwandelt$\lambda=\frac{h}{\sqrt{2mE}}$.

Sie können die Wellen im STM-Bild unten von IBM sehen, zusammen mit einem Video, in dem sie sich um Defekte herum bewegen, um aus den Mustern einen Film zu machen. Jeder der Punkte ist ein Adsorbatatom, und die Wellen sind Kräuselungen in der Elektronendichte.

Video ist unter folgendem Link:

https://phys.org/news/2013-05-ibm-world-smallest-movie-atoms.html

Bild von http://www.astronoo.com/en/articles/size-of-atoms.html

Es gibt viele Gründe, warum wir makroskopische elektromagnetische Wellen sehen, aber keine Elektronenwellen der gleichen Art (dh freie Bewegung im Raum). Zuallererst haben Elektronen eine Ladung und Photonen nicht, daher braucht es viel Energie, um sie von Ionen zu isolieren und sie frei durch den Weltraum strömen zu lassen.

Zweitens haben Elektronen Masse und Photonen nicht. Aus diesem Grund für jede gegebene kinetische Energie

$$\begin{align} K_e & \equiv \sqrt{(m_ec^2)^2 + \left(\frac{hc}{\lambda_e}\right)^2} - mc^2 = \frac{\left(\frac{hc}{\lambda_e}\right)^2}{m_ec^2 + \sqrt{(m_ec^2)^2 + \left(\frac{hc}{\lambda_e}\right)^2}}\ \mathrm{and} \\ K_\gamma & \equiv \frac{hc}{\lambda_\gamma} ,\ \Rightarrow \\ \lambda_e & = \frac{hc}{\sqrt{2K_e m_e c^2 + K_e^2}}\ \mathrm{and} \\ \lambda_\gamma &= \frac{hc}{K_\gamma}, \end{align}$$ daher $\lambda_e < \lambda_\gamma$, stets. Bei Zimmertemperatur z. $T\approx 300K \Rightarrow \lambda_\gamma\sim 10\operatorname{\mu m},\ \lambda_e \sim 3 \operatorname{nm}$, und wann $\lambda_\gamma=1\operatorname{m},\ \lambda_e = 1.101 \operatorname{\mu m}$. Mit anderen Worten, zu bekommen $\lambda_e\sim 1\operatorname{m}$, du bräuchtest Temperaturen $T\sim 4\times10^{-15}\operatorname{K}$oder weniger in Ihren Detektoren und in dem Raum, den das Elektron durchquert (andernfalls wird es von einem Photonen-Schwarzkörper erwärmt).

Beachten Sie, dass Elektronenmikroskope deshalb eine so gute Auflösung haben.

Drittens sind Elektronen Fermionen und Photonen Bosonen. Dies ist offensichtlich nicht relevant, aber wenn Sie tatsächlich eine makroskopische Welle erkennen möchten, ist es hilfreich, wenn Sie eine Avogadro-Anzahl (oder mehr) von Teilchen haben, um der Welle viel Energie zum Erkennen zu geben. Ein Elektron mit niedriger Energie und langer Wellenlänge ist aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips immer solo oder benötigt einen unerschwinglich großen Raum, um genügend ähnliche Wellenlängenmoden nahe beieinander zu bringen, und ist daher schwieriger zu erkennen. Im Vergleich dazu ist es tatsächlich schwierig, Singleton-Bosonen mit niedriger Energie zu erhalten (korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber ich habe noch nie von Leuten gehört, die mit Photonen mit einer Wellenlänge von mehr als einem Zentimeter arbeiten, die nicht in Wellen mit einer großen Anzahl von ihnen waren).

Lange Rede kurzer Sinn, das Beste, was Sie wahrscheinlich mit Elektronen machen können, ist die Art von Ladungsdichtewellen, die in Magnetohydrodynamik , Antennendesign, Wellenleitern, Strahlphysik (insbesondere in Freie-Elektronen-Lasern ), Oberflächenplasmonen usw. untersucht werden Mit anderen Worten, Elektronenwellen sind normalerweise entweder mikroskopisch klein oder aus praktischen Gründen auf einen Raumbereich beschränkt, indem sie an einen Leiter oder ein Plasma gebunden sind.