Aus was bestehen Elektronen, die müssen doch aus etwas bestehen?

6 Antworten

Nach dem Standardmodell der Elementarteilchen ist jedes Elektron ein unteilbares, punktförmiges Objekt.

Aber natürlich ist das nur eine, wie man inzwischen weiß, recht grobe Abstraktion (ein für viele Zwecke brauchbares Modell, aber dennoch eine nur sehr grobe Annäherung an die eigentliche Wahrheit.

Unsere bisher genaueste Beschreibung von Elementarteilchen - auch des Elektrons - lieferte dann später die Quantenfeldtheorie (QFT).

Ihr zufolge gibt es gar keine körnchenartigen "Teilchen", sondern nur stark lokalisierte Wellenberge im das ganze Universum durchdringenden Feld der physikalischen Grundkräfte. Teil diesen Feldes ist das sog. Elektronfeld.

  • Jedes freie Elektron muss man sich als genau einen "Wellenberg" darin vorstellen,
  • jedes in einem Atom oder Molekül gebundene "Elektron" aber besteht - je nach Zustand dieses insgesamt dann schon recht komplexen Wellenbündels - aus gleich mehreren Bergen (die man dann Orbitale nennt): Regionen, in denen das Elektronfeld besonders hohe Amplituden aufweist.

Wirklich unteilbar sind demnach nur die einzelnen harmonischen Wellen, deren Summe das Elektronfeld ist.

Wer mir nicht glaubt, höre sich die Antwort des theoretischen Physikers David Tong an im folgenden Video:

https://www.youtube.com/watch?v=QUMeKDlgKmk

an (Min 0:15 bis 1:45) und dann den ganzen Vortrag, in dessen Anschluss die Frage gestellt wurde:

https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg

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@grtgrt

Die wesentliche Aussage dort ist:

"If you look closely enough at electromagnetic waves, you'll find that they are made out of particles called photons. The ripples of the electric and magnetic fields get turned into particles when we include the effects of quantum mechanics.

But this same process is at play for all other particles that we know of. There exists, spread thinly throughout space, something called an electron field. Ripples of the electron field get tied up into a bundle of energy by quantum mechanics. And this bundle of energy is what we call an electron. Similarly, there is a quark field, and a gluon field, and Higgs boson field. Every particle your body --- indeed, every particle in the Universe --- is a tiny ripple of the underlying field, moulded into a particle by the machinery of quantum mechanics."

Merke: Photonen (die man "Teilchen" nennt und die dementsprechend auch Tong hier "particles" nennt) sind harmonische, d.h. sinus-förmige Wellen, deren jede eine nur ganz oder gar nicht konsumierbare Portion von Energie darstellt.

Der Begriff Teilchen also darf nicht wörtlich verstanden werden. Wir wissen heute, dass damit gemeint ist: eine harmonische Welle, die eine nur ganz oder gar nicht konsumierbare Portion von Energie darstellt.

Jedes Elementarteilchen im Sinne des Standardmodells ist ein ganzes Paket solcher Wellen.

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Nach dem Standardmodell der Elementarteilchen ist jedes Elektron ein unteilbares, punktförmiges Objekt.

Das ist m.E. zu klassisch gedacht. Ein Elementarteilchen ist kein „Ding“, sondern eine Struktur. Dafür spricht, das mehrere davon prinzipiell ununterscheidbar sind.

Statt punktförmig würde ich „potentiell punktförmig“ sagen, denn die Orts-Wellenfunktion kann im Extremfall eine δ-Funktion sein (ich weiß, dass diese mathematisch sauber eine Distribution ist, aber Physikern ist das meist eher schnuppe), wobei dann aber die Impuls-Wellenfunktion rechnerisch nicht einmal mehr normierbar ist, weil sie sich über alle Impulse verteilt.

Die auch noch im Raum stehende Deutung, die Wellenfunktion sei bloß ein mathematisches Hilfsmittel und das eigentliche Teilchen ein Punkt mit nur unbekanntem Ort und Impuls, halte ich für einen alten Zopf.

Ich halte das Elementarteilchen für die elementare Anregung eines Materiefeldes ähnlich einer Saitenschwingung oder einer Bodenwelle in einem Teppichboden und das „Teilchenhafte“ für einen Artefakt der Tatsache, dass es als elementare Anregung nur als Ganzes detektiert werden kann.

Was Du ja selbst sagst, noch in der Antwort.

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@SlowPhil

Vielen Dank für diese Bemerkung. Ich gebe dir recht (soweit ich deine Erklärung verstehe, denn dass ein gängiges mathematische Modell des "Teilchens" eine Distribution ist, war mir bisher nicht klar).

Offensichtlich scheint mir, dass allein schon von einem einzigen Teilchen zu sprechen eine ganz gewaltige Vergröberung der Wirklichkeit darstellt - eine ebenso grobe, wie hätte, wer von nur einer Welle im vom Sturm aufgewühlten Ozean zu sprechen versuchte.

Nebenbei: Was genau verstehst du unter einem Materiefeld? Wie unterscheidet es sich vom Feld der physikalischen Grundkräfte?

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@grtgrt

Ein Feld der physikalischen Grundkräfte ist ein bosonisches Feld, seine elementaren Anregungen sind „Kraftteilchen“ wie Photonen (beim Elektromagnetismus), W- und Z-Bosonen (bei der Schwachen WW) oder Gluonen (bei der Starken WW) oder das hypothetische Graviton (bei der Gravitation), das ja eigentlich so etwas wie eine elementare Krümmung der Raumzeit sein muss.

Ein Materiefeld ist ein fermionisches Feld, ein Dirac-Feld. Es unterscheidet sich durch seine Antisymmetrie (→PAULI-Prinzip) und die Tatsache, dass man aus der DIRAC-Gleichung, die sie beschreibt, eine Kontinuitätsgleichung für die Teilchenzahl bauen kann. Das passt zu der Tatsache, dass bei Teilchenreaktionen Baryonen- und Leptonenzahlen stets erhalten sind. Beide Eigenschaften machen Materie stabil und setzen sie in den Stand, komplexe Strukturen zu bilden.

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@SlowPhil

Danke. Frage noch:

Wäre es richtig, zu sagen, dass ein fermionisches Feld die orts- und zeitabhängige Wahrscheinlichkeit beschreibt, dass an bestimmtem Ort zu bestimmter Zeit ein Fermion gegebener Art an einem Quantenereignis beteiligt ist?

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@grtgrt

„Wahrscheinoichkeitsdichte“ trifft's vielleicht besser, aber ja, so würde ich das sehen.

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@SlowPhil

Wie würdest du denn einem Laien das Konzept der Wahrscheinlichkeitsdichte erklären (und insbesondere die Tatsache, dass sie Werte größer als 1 annehmen kann)?

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@grtgrt

Wahrscheinlichkeitsdichte kann nicht Werte über 1 annehmen, sondern (entlang einer t=const.-Hyperebene) nur Werte über 1/m³, wenn es etwa um eine räumliche W.d. geht.

Eine Wahrscheinlichkeit entsteht aus der Integration der W.d. über ein endliches Volumen. Die Integration über den gesamten Raum muss natürlich 1 liefern; wenn sie das nicht tut, muss die gesamte W.d. durch das Ergebnis geteilt werden (normiert).

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@grtgrt

So habe ich das auch gesehen — aber dann ist meine Formulierung oben ja ganz sicher die, welche einem Laien mehr sagt.

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Bei allem, was ich angemerkt habe: Diese Antwort ist in jedem Fall besser als die lapidar hingeworfene mit der „punktförmigen Energie“. Der FS allein weiß, warum er die für so viel hilfreicher hielt…

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Nach der sehr ausführlichen Antwort zur QFT sollte man wenigstens auch die String Theorie einmal erwähnen. Dabei handelt es sich um einen weiteren Ansatz wie man Elementarteilchen beschreiben kann.

Da ich kein Physiker bin möchte ich auf die Details auch nicht weiter eingehen, das können andere sicher deutlich besser, aber sowohl die Stringtheorie als auch die QFT sind letztendlich Vorstellungen mit denen sich einzelne Zusammenhänge mehr oder weniger gut erklären lassen, ob (und welche) dieser Vorstellungen allerdings richtig sind, das versuchen die Physiker schon seit geraumer Zeit zu beweisen.

Elektronen sind Leptonen uns bilden einen Grundbaustein...

Nach der Quantentheorie setzen sie sich also aus keinen anderen Teilchen zusammen...

Woher ich das weiß:Recherche

Elektronen bestehen aus keinen weiteren Elementarteilchen wie alle anderen Leptonen auch.Sie bestehen nur aus Energie.Obwohl es sein könnte dass sie aus Strings bestehen.

Woher ich das weiß:Hobby – Ich bin an allem Interessiert.

Die Elekektronen die manifestieren sich in ihrer Ladung.

nur die Masse der Elektronen ist praktisch gleich Null.

Dass ist nicht richtig. Was heißt praktisch null? Elektronen haben neben Ladung auch Masse und werden durch eine entsprechende Enegie-Impuls Relation beschrieben.

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