Wie bekommen Elektronen eine Ladung?

Ihre Frage berührt die Frage der Ontologie in der Teilchenphysik. Historisch gesehen sind wir daran gewöhnt, Teilchen als winzige unabhängige Einheiten zu betrachten, die sich nach einigen Bewegungsgesetzen verhalten. Dies geht auf die atomistische Materietheorie zurück, die vor etwa zweitausend Jahren ausgehend von dem entwickelt wurde, was passieren würde, wenn wir Materie in immer kleinere Teile aufspalten könnten. Die alten Griechen kamen zu dem Schluss, dass es eine Grenze für diese Aufspaltung geben musste, daher war die Atomhypothese geboren.

Dies war natürlich nur eine philosophische Idee, bis wir Anfang des 19. Jahrhunderts die Chemie so gut beherrschten, dass offensichtlich wurde, dass die kleinsten Stücke, in die Materie zerlegt werden kann, die Atome des Periodensystems zu sein schienen. Hundert Jahre später erkannten wir, dass Atome noch weiter in Kerne und Elektronen gespalten werden können. Was sich nicht änderte, war diese Vorstellung, dass jeder Chunk seine eigene unabhängige Existenz hatte.

Diese Idee geriet Anfang des 20. Jahrhunderts in eine tiefe Krise, als wir die ersten Effekte der Quantenmechanik entdeckten. Es stellt sich heraus, dass sich Atome und Kerne und Elektronen überhaupt nicht wie wirklich kleine Stücke gewöhnlicher Materie verhalten. Stattdessen verhalten sie sich radikal anders, so unterschiedlich, dass die menschliche Vorstellungskraft kaum mit ihren dynamischen Eigenschaften Schritt halten kann.

Für eine Weile befanden wir uns in der Schwebe bezüglich unserer Beschreibung der Natur im mikroskopischen Maßstab. Es schien, als könnten wir uns an eine Art "kleine seltsame Billardkugel mit Eigenschaften von Masse, Ladung, Spin usw." für Elektronen klammern, aber mit der Zeit wurde dies immer hoffnungsloser. Schließlich entdeckten wir die Quantenfeldtheorie, die auf die Teilchenbeschreibung vollständig verzichtet, und damit sind alle ontologischen Probleme des vergangenen Jahrhunderts verschwunden.

Was ist also die neue Art, die Natur zu beschreiben? Es ist eine Feldbeschreibung, die davon ausgeht, dass das Universum von EINEM Quantenfeld durchdrungen ist (man kann es auch in mehrere Komponenten aufteilen, wenn man will). Dieses Quantenfeld hat lokale Eigenschaften, die durch Quantenzahlen wie Ladung beschrieben werden. Dieses eine Quantenfeld unterliegt einer quantenmechanischen Bewegungsgleichung, die sicherstellt, dass sich einige Eigenschaften wie Ladung, Spin, Drehimpuls usw. nur in ganzzahligen (oder halbzahligen) Beträgen ändern können (bei Ladung sogar in Beträgen von 1). /3 und 2/3, aber das ist ein historisches Artefakt). Darüber hinaus gehorcht dieses Feld Symmetrieregeln, die die Gesamtsumme einiger dieser Größen unverändert oder nahezu unverändert lassen. Insbesondere Ladungen können auf diesem Feld nur paarweise erzeugt werden, so dass die Gesamtladung Null bleibt.

Jetzt können wir Ihre Frage in der Sprache des Quantenfeldes beantworten: Das Elektron erhält seine Ladung durch das Feld, das es ermöglicht, gleichzeitig einen positiven und einen negativen Ladungszustand zu erzeugen, wobei seine Gesamtladung Null bleibt. Dieser Vorgang benötigt etwas Energie, im Fall des Elektron-Positron-Paares etwas mehr als 1 MeV. Alle anderen Eigenschaften, die zur eindeutigen Charakterisierung eines Elektrons benötigt werden, entstehen auf ähnliche Weise und gleichzeitig. Der Elementarteilchenzoo ist also nichts anderes als die Liste möglicher Kombinationen von Quantenzahlen des Quantenfeldes. Wenn es nicht auf der Liste steht, wird es die Natur nicht schaffen (zumindest nicht in Form eines echten Teilchenzustands). Unsere Liste ist natürlich bestenfalls unvollständig. Es gibt viele Gründe zu der Annahme, dass es da draußen Kombinationen von Quantenzahlen gibt, die wir noch nicht beobachtet haben,

Ich werde den zweiten Teil Ihrer Frage zu effektiver Masse und Quasiteilchen beantworten, da ich sehe, dass CuriousOne den Rest besser beantwortet hat, als ich es hätte tun können.

In einem Metall oder Halbleiter befindet sich das Elektron nicht in demselben freien Zustand wie im Vakuum. Es ist an ein Gitter aus positiven Ionen gebunden (obwohl es darin delokalisiert ist). Seine Dispersionsbeziehung unterscheidet sich also von der Dispersionsbeziehung, die es im freien Raum hätte.

Es kann sich jedoch fast frei innerhalb des Gitters bewegen, daher über Längenskalen, die im Vergleich zur Gitterperiode lang sind, und solange wir uns nicht zu nahe an den Rändern des Gitters befinden, ist seine Reaktion auf elektrische und magnetische Felder sehr ähnlich was es für die gleichen Felder im freien Raum wäre, aber da aufgrund des Vorhandenseins des Gitters eine andere Dispersionsbeziehung besteht, verhält es sich so, als hätte es eine ganz andere effektive Masse (d. h. seine Beschleunigung in Anwesenheit elektrischer Felder ist$q\,\vec{E}/m_{eff}$und das in Gegenwart von Magnetfeldern ist$q\,\vec{v}\times \vec{B}/m_{eff}$), Wo$m_{eff}$unterscheidet sich von der Ruhemasse des Elektrons im freien Raum. Je nach Bandstruktur kann die effektive Masse sogar negativ werden ( dh auf elektromagnetische Felder im umgekehrten Sinne wie normal reagieren). Dieses Wort "effektive Masse" charakterisiert hier die Reaktion der Elektronen auf Felder; Es ist nicht die Ruhemasse, die den Niedriggeschwindigkeitsenergieinhalt des Elektrons charakterisiert ( dh es ist nicht die$m$In$E^2-p^2 c^2 = m^2 c^4$).

Ich bin kein Halbleiter- / Elektronenspezialist, aber das Wort "Quasiteilchen" wird auf zwei verschiedene Arten verwendet, die mir bekannt sind. Die erste entsteht, wenn man die Theorie der akustischen Schwingungen quantisiert, und das Phonon ist für diese quantisierte mechanische Theorie der Gitterschwingungen das, was das Photon istist das quantisierte elektromagnetische Feld ("Vibration"). Die zweite Verwendung ist wahrscheinlich relevanter für das Elektron in einem Gitter und bezieht sich auf "Teilchen", die Quantenüberlagerungen eines grundlegenden freien Teilchens und eines Zustands sind, in dem es an etwas gebunden, von etwas absorbiert oder mit etwas interagiert. Dies scheint in diesem Kontext des Elektrons im Gitter sinnvoll zu sein. In dielektrischen Materialien oder Plasmen oder anderen Materialien hat man beispielsweise nicht reine Photonen und reines Licht, sondern Quantenüberlagerungen von freien Photonen und angeregten dielektrischen Materiezuständen. Korrekter ist es daher, das Quant dieser Störung als "Quasiteilchen" zu bezeichnen, und im Fall des Photons nennt man es verschiedentlich ein Polariton, Exiton oder Plasmon,

Nun, das Elektron erhält seine Ladung durch Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld. Durch Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld kann das Elektron seine Ladung an andere Teilchen wie Photonen weitergeben. Dies lässt das Elektron wissen, ob sich ein anderes geladenes Teilchen in der Nähe befindet, beispielsweise ein Proton. Dadurch zieht sich das Elektron mit dem Proton an.