Sind Elektronen immer gleich schnell?
Hallo!
Im Atom düsen ja Elektronen ziemlich schnell in den Orbitalen herum.
Ist ihre Geschwindigkeit konstant? Sind Elektronen immer gleich schnell? Wie schnell sind Elektronen?
Lg
5 Antworten
Die Frage ist echt gut, denn in einer Kathodenstrahlröhre, also dem Prinzip dieses alten , linearen Teilchenbeschleunigers als Bildröhre,werden sie beschleunigt, während sie, als Elektrizität in z.B. Kupferleitern, immer knapp unter Lichtgeschwindigkeit agieren und offenbar nicht erst beschleunigt werden müssen.
Ich glaube da frage ich besser mal meine beiden Brüder als
a) ElektroIngenieur
bzw.
b) Teilchenphysiker,
... aber es würde mich nicht wundern, wenn ich zwei fundierte, unterschiedliche Antworten erhalte ;)
Soll ich?
Ach du Schande! - Das habe ich befürchtet, aber muss nun pennen und mache das morgen.
Aber ich denke im Leiter wird der Impuls mit v = c fortgepflanzt. Und der Aufenthaltsort des einzelnen Elektrons mit ein paar mm pro s. Ich will wissen, wie schnell das Elektron im Orbital selbst herumschwirrt!
PS: Habe die Frage an meine beider Brüder und einen Freund gestellt, und, weil es mir keine Ruhe ließ, selber mal geschaut.
Meines Erachtens ist das ja sowas von Widersprüchlich, weil ein Teilchen, mit einer positiven Ruhemasse, genauer von 9,1·10−31 kg, nicht in einem Leiter aus Elektrolytkupfer plötzlich so schnell sein kann, wie ein Photon in einer Glasfaser.
Und dann fand ich das hier von dem Teilchen- und Quantenphysiker Frank Wilczek, der auch noch Nobelpreisträger ist.
" (...) Was ist ein Elektron? Diese Frage spielte eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Quantentheorie im frühen 20. Jahrhundert und bringt die Physik auch heute noch an ihre Grenzen. Es existieren mehrere unvereinbare Antworten, die alle richtig erscheinen. Auch ein Jahrhundert nachdem der dänische Physiker Niels Bohr sich das Elektron
als Trabant des Protons vorstellte , entwickelt und erweitert sich unser Bild vom Elektron noch. (...) "
http://www.spektrum.de/news/das-raetselhafte-elektron/1198794
Das liest sich jetzt so, als hätten Physiker überhaupt keine Ahnung, was das für ein Tier ist. In Wirklichkeit gibt es das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, in dem das Elektronen seinen Platz hat. Das Standardmodell passt wunderbar mit den Messungen zusammen. In seinem Rahmen ist ein Elektron ein Elementarteilchen ohne innere Struktur, mathematisch beschrieben von einem Spin 1/2 Quantenfeld.
Das liest sich so, weil es allgemeinverständlich gehalten ist. Fakt ist wohl, dass das Bohrsche Atommodell seit Heisenberg überholt ist, und die hier eingegangenen Antworten zeigen mir alle, dass das Alles absolut nicht einfach ist.
a) http://elektroniktutor.de/grundlagen/geschw.html
und
b) der freundliche Hinweis darauf daß das Doppelspaltexperiment nicht nur mit Photonen, sondern auch mit Elektronen und Molekülen durchgeführt wurde und gleiche Ergebnisse liefert.
Und daß das hier eigentlich schön diskutiert wird, inkl. einer Rechnung über Geschwindigkeit eines Elektrons im Wasserstoff-Atom, aber natürlich basierend auf dem überholten Atommodell Bohrs.
https://www.gutefrage.net/frage/wie-schnell-dreht-sich-bei-einem-atom-ein-elektron-um-ein-proton
Fakt ist wohl, dass das Bohrsche Atommodell seit Heisenberg überholt ist, und die hier eingegangenen Antworten zeigen mir alle, dass das Alles absolut nicht einfach ist.
Völlig richtig. Man kann ein Elektron im Rahmen der klassischen Mechanik und Elektrodynamik beschreiben - damit kommt man schon sehr weit, aber das Doppelspalt-Experiment lässt sich so nicht erklären. Also beschreibt man dieses Experiment im Rahmen einer anderen Theorie, der Quantenmechanik. Auch das Wasserstoffatom lässt sich super mithilfe der Quantenmechanik beschreiben. Aber es treten kleine Effekte auf, die so nicht zu erklären sind, man braucht eine noch bessere Theorie, die Quantenelektrodynamik, was eine Quantenfeldtheorie ist. Später macht man Elementarteilchenphysik am Teilchenbeschleuniger und stellt fest, dass die QED schon sehr gut funktioniert, man aber (man könnte sagen, aus ästhetischen Überlegungen heraus) eine Theorie haben möchte, die alle Wechselwirkungen beschreibt, man baut sich also eine größere Theorie, das Standardmodell der Teilchenphysik, in der die Elektrodynamik sowie die Kernwechselwirkungen enthalten sind.
Du scheinst aus der Tatsache, dass es mehrere Theorien zur Beschreibung des Elektrons gibt, zu schlussfolgern, dass die Physiker selbst nicht wissen, welche Theorie die richtige ist. Das stimmt aber nicht. Jede Theorie ist in ihrem Gültigkeitsbereich anwendbar. Das Standardmodell der Teilchenphysik als derzeit modernste Lehrbuch-Theorie (es gibt noch modernere, die sind aber noch in Entwicklung und wurden experimentell nicht bestätigt) ist in jedem Experiment anwendbar, das heute gemacht werden kann. Sie macht erst Probleme, wenn man bei extrem hohen Energien landet (Landaupol der Quantenelektrodynamik) oder umgekehrt verstehen möchte, wie Quantenchromodynamik bei niedrigen Energien funktioniert (Confinement Problem).
Also: Ja, das Standardmodell ist noch nicht perfekt, sonst wäre ja die Physik schon abgeschlossen und wir hätten die Theory of Everything - haben wir noch nicht, Gott sei Dank, es gibt noch Betätigungsmöglichkeiten für Physiker. Das heißt aber nicht, dass wir deshalb zu einer der älteren Theorien (klassische Elektrodynamik, Quantenmechanik) greifen. Die sind schon längst aus der Diskussion, wenn es um Kandidaten für die "richtige" Theorie geht. Warum werden sie trotzdem verwendet? Weil die mathematische Formulierung des Standardmodells so aufwendig ist, dass sie für komplexere Problemstellungen nicht mehr gelöst werden kann. Also nehmen wir die klassische Elektrodynamik, wenn wir einen Röhrenfernseher bauen wollen, und die Quantenmechanik, wenn wir das Doppelspaltexperiment nachrechnen wollen. Alles andere wäre wie mit Kanonen auf Spatzen schießen.
Nein, sind sie nicht. In Atomen gebundene Elektronen sind in unterschiedlichen Energieniveaus angeordnet. Je nach Energieniveau, hat ein Elektron mehr oder weniger Energie und damit auch Drehimpuls (die Drehimpuls-Quantenzahl l und die Energie-Quantenzahl n erfüllen immer l<n, je höher n, umso höher kann also auch l werden) und, wenn man so will, auch die Geschwindigkeit.
Dass um einen Atomkern kleine Kügelchen als Individuen herumflitzen, ist ein Modell, und zwar kein besonders gutes, denn es passt nicht zur besten Theorie über das Atom, welche wir haben, der Quantenmechanik, hier ist von umherflitzenden Pünktchen keine Rede. Die Frage ist daher aus diesem Grund belanglos.
Und was soll ich jetzt mit der Antwort anfangen? Obwohl du wahrscheinlich Recht hast!
Was willst du denn wissen? Jede Geschwindigkeitsangabe ist unseriös, da mit einem Modell operiert wird, welches nicht passt.
Heißt das, in der Quantenmechanik gibt es keine Geschwindigkeiten?
Das kommt darauf an. Wenn du dir die Schrödingergleichung für ein Wasserstoffatom anschaust, dann hast du es mit komplexen Zahlen zu tun. Genauer gesagt, die Wellenfunktion, eine Lösung der Schrödignergleichung, liefert komplexwertige Ergebnisse. Wenn man nun, wie oft üblich, Quadrat der Wellenfunktion als Aufenthaltwahrscheinlichkeit interpretiert, dann benutzt man wieder ein Modell, und zwar ohne Not, denn man tut wieder so, als müsse es unbedingt ein individuelles Elektron im Kern geben, und dieses psi quadrat gebe in diesem Fall die Aufenthaltswahrscheinlichkeit an (denn es kann ja schlecht überall gleichzeitig sein). Dann könnte man natürlich auch von einer Geschwindigkeit sprechen, aber wie gesagt, dieses Problem ist hausgemacht: Die Physik funktioniert bestens ohne dieses oder ein anderes Modell.
Und wie schnell flitzt das Elektron im Orbital herum, wenn man immer wüsste wo es gerade ist? Sind Protonen auch nur mit einer Wahrscheinlichkeit an einem bestimmten Ort? Vielleicht ist unsere Sonne in Wirklichkeit die Sonne von einer fremden Galaxie, weil sie nur mit hoher Wahrscheinlichkeit für uns scheint! Gibt es eine Korrelation von Masse zu Aufenthaltsort von Materie?
Wenn man immer wüsste, wo genau es ist, könnte man über die Geschwindigkeit erst recht nichts sagen, da durch die Ort-Impuls-Unschärfe gilt. Du kannst in Orbitalen nur sagen, wo etwas wahrscheinlich ist, aber nicht wie schnell.
Ja, wie sich "gefangene" Elektronen verhalten, kann ich dir auch nicht sagen. Da gibts ja im groben Sinne das Schalenmodell nach Bohr und das Orbitalmodell, mit quantenmechanischem Wahrscheinlichkeitsverhalten. Aber Es gibt ja auch sogenannte Beschleunigungskondensatoren, bei der ein Elektron(-enstrahl) auf eine diskrete Geschwindigkeit (abhängig von der angelegten Spannung) gebracht werden kann.
Schau dir doch mal ein wenig die Unschärferelation an, ist ganz schön spannend. Die Unbestimmtheit von Position oder Impuls macht eine Geschwindigkeitsmessung nicht so einfach^^
Naja Elektronen können beschleunigt werden und sowas, sie können also unterscheidlich Schnell sein.
Aber! Was die Atomorbitale angeht: Naja, die Elektronen verhalten sich dort nichtmehr nur so wie kleine "Bälle" die um nen großen Ball kreisen, die Elektronen befinden sich quasi überall auf dem Orbital, nur gibt es Warscheinlichkeiten, wo ein Elektron gerade anzutreffen wäre.
Wenn sich 2 Atome verbinden, dann verschieben sich auch diese Warscheinlichkeiten. Das wäre mit einer rein mechanischen Vostellung von sich um den kern drehenden Elektronen garnicht zu erklären, das geht nur mit der zuhilfenahme der Quantenmechanik.
Es ist halt bissel tricky, denn einerseits verhaten sich die Elektronen wie Teilchen, aber sie verhalten sich auf wie ne Welle mit ner Aufentalstwarscheinlichkeit. Deswegen kann man sie ja auch einerseits quasi "Packen" und beschleunigen in Teilchenbeschneuligern, aber man kann sie auch durch nen Doppeltspalt schicken, so das sie nen Interferensmuster erzeugen, was ja nur wellen können.
Das hat dir jetzt warscheinlich nicht so weitergeholfen, aber naja, so einfach ist es dann doch nicht.
Ich denke, wenn man Elektronen beschleunigt, so beschleunigt man lediglich den Aufenthaltsort eines Elektrons und nicht das Elektron selbst.
Doch doch ich bin bis zu einem gewissen Grad eh bewandert mit dem Thema! Ich dachte nur Elektronen können nicht v = c haben, weil sie Masse besitzen und sie sind nur dann "überall" wenn man sie nicht wo antrifft. Aber mich würde interessieren, wie schnell sie herumflitzen!
Naja c können sie, wie du schon erkannt hast, aufgrund ihrer Ruhemasse, nach derzeitigem Kentnisstand niemals erreichen. Aber sie flitzen ja eben nicht um den Atomkern herum. Ja du kannst die an nem gewissen Punkt antreffen (Macht ja auch ein Photon, wenn es dann reflektiert wird), aber du hast halt nicht diese winzigen, massiven Kugeln gegen die dann das Photon prallt.
Würden sie ja wirklich kreisen, müssten sie Synchrotronstrahlung erzeugen, was bedeuten würde, dass sie Energie verlieren und irgendwann auf den Kern stürzen würden. Das geschieht ja nicht, ein Atom ist ja stabil.
Auch musst du dir ja vorstellen: Wenn du ne Bindung von 2 Atomen hast, als Molekühl, dann wäre ja z.B die Aufenthaltswarscheinlichkeit zwischen den beiden Atomen, dort ein Elektron anzutreffen, viel höher, als am Rand. Das kann man sich ja garnicht erklären, würde man es sich wie ein Planetensystem vorstellen.
Du könntest aber wohl heraufinden welche Energie das Elektron hat, je weiter es vom Kern weg ist, desto höher ist dessen Energie. Bei zuviel Energie tritt es aus dem Orbit aus (wird es z.B von radioaktiver Strahlung getroffen). Und Elektronen können unterschiedliche Energien haben, in ihren Orbiten.
Ja!