Was ist ein Elektron?

Was ist ein Elektron?

Die Physik von heute betrachtet Elektronen als "negativ geladene" Elementarteilchen, Symbol e-. Nach den bisher erreichten Auflösungen konnte bei Elektronen keine innere Struktur nachgewiesen werden und sie werden deshalb als "punktförmig" angenommen. Sie sollen die Elektronenhülle der Atome (und Ionen) bilden. Ein solches Hüllen-Elektron wird durch vier Quantenzahlen (n, l, m und s) beschrieben. und ihre freie Beweglichkeit in Metallen wird als Ursache für die elektrische Leitfähigkeit von metallischen Leitern postuliert.
Elektronen gehören zu den Leptonen und haben einen Spin von ±1/2. Alle Elementarteilchen mit solchem Spin gehören zur Klasse der Fermionen. Ihre Antiteilchen sind die Positronen, Symbol e+, mit denen sie bis auf ihre elektrische Ladung in allen Eigenschaften übereinstimmen.

Wie schon hier beschrieben, ist das Elektron als ponderables, stoffliches Teilchen (nach meiner Auffassung) nur ein fiktives Modell. Das Atom ist auch nicht in einen "Kern" und eine Hülle teilbar, sondern beide Bereiche unterscheiden sich lediglich durch ihre Energie- und Impulsdichte. Das Elektron - weder ein Teilchen noch eine echte Welle (dennoch von mir als "Elektronenwelle" bezeichnet) wird repräsentiert durch eine Energiefortpflanzung innerhalb der T.A.O.-Matrix, deren zwei Bewegungskomponenten mit einer Spirale symbolisiert werden können. Diese räumlich und zeitlich aufgelöste Folge von Elementarimpulsen können einen Spin haben, welcher jedoch nur die Bahn der Impulse betrifft und kein sich drehendes oder rotierendes kompaktes Ding beschreibt.

Elektronenwellen bauen Kugelfelder (Protonfelder) auf und können nur aus diesen Feldern gewonnen werden. Bildhaft gesprochen handelt es sich bei Elektronenwellen um "abgewickelte Atome", Atome selbst wiederum erinnern an "Wollknäuel" aus Elektronenimpulsen - und wir sollten uns zuerst ansehen, wie es zu diesen kugeligen Impulsfeldern kommt.

An den Beginn des Materie-Entstehungsprozesses setzten wir Gammaquanten (siehe "Störung"), also elektromagnetische "Wellen", die einander auf verschiedenste Weise begegnen können. Alle diese Begegnungen bewirken unterschiedliche Resultate - hier interessiert uns vor allem die Begegnungsform "Harmonie", in welcher aufgrund von Zeitverschiebung um 90° und Schwingungsgleichheit die Impulse sich nicht frontal begegnen und auch keine Fortsetzungsmöglichkeit in der ursprünglichen Richtung finden und gewissermaßen so übereinander kippen, dass sie als Impulsfeld , in welchem die Impulse quasi stets hintereinander her laufen, an Ort und Stelle rotieren. Es bildet sich ein harmonisch schwingender Kugelkörper aus Impulsen, wie er in diesen Abbildungen verdeutlicht wurde:

Aus einfachen Schwingkörpern ("Wasserstoff") können sich durch Überlagerung (bis zum "Helium") oder nebeneinander angeordneten Heliumfeldern (Alphateilchen) hochkomplexe Impulsfelder ("Kugelfelder", Atome) bilden. Impulsgehalt und Elektronenwellenbahnen bestimmen die unterschiedlichsten Effekte (Oberflächenpolarisierung, Bindungsbereitschaft, Valenz, chemische Eigenschaften, magnetische Momente etc.) in und außerhalb des Atoms - wie im Buch und auf dieser Homepage ausreichend beschrieben. Darauf wollen wir hier nicht näher eingehen, sondern uns einmal vorstellen, was geschieht, wenn wir eine dieser aus 2 hintereinander laufenden Impulse bestehenden "Welle" aus dem Feld befreien - also bildhaft das Wollklnäuel abrollen. Da kommt eine Art Welle (Impulsbahn) heraus, die folgendermaßen aussieht:

Das Elektron bzw. die "Elektronenwelle" besteht demnach aus 2 Impulsen, die einander umrunden, während sie sich weiterbewegen und auch in dieser Weiterbewegung einen Spin im Gesamten erzeugen - man könnte hier von einer Art "Doppelspin" sprechen, und mit diesem hat es eine interessante Bewandtnis. Normalerweise finden wir bei sinusförmigen Wellen ein einfaches Interferenzverhalten vor, welches Auslöschung (destruktive Interferenz) oder Verstärkung (konstruktive Interferenz) verursachen kann. Bei der Elektronenwelle liegen die Dinge nicht so einfach.

Links im Bild sehen wir die "normale" Interferenz, die Wellenzüge müssen jeweils um einen Hügel oder ein Tal verschoben werden, was einer Drehung des Phasenwinkels um 360° (2π) entspricht. Die Verschiebung im selben Ausmaß genügt bei der Elektronenwelle aber nicht - wie man deutlich in der Abbildung rechts erkennen kann. Zwei aufeinanderfolgende "Hügel" oder "Täler" bedeuten hier nicht eine aufeinanderfolgende identische Situation wie bei der Sinuswelle. Um dieselbe exakte Phasensituation zu erzielen, muss man eine weitere Verschiebung um 360° durchführen - insgesamt sieht das so aus, als müsste man den Phasenwinkel um 720° drehen, um in die Ausgangslage zurück zu kommen. Und übertragen auf das Teilchenmodell ergibt das eine Rotation um 720° (4π) - eigentlich eine Unmöglichkeit. Aber wenn man Interferenzversuche mit Elektronenwellen durchführt, ergibt sich genau dieses Resultat - und wir verstehen nun, wieso das so ist. Man nennt diesen eigenartigen Spin "halbzahlig" (±1/2) und Teilchen mit diesem Spin nennt der Physiker "Fermionen".

Mit diesem Versuch (links) hat man die eigenartige Rotation des Spins von "Materiewellen" festgestellt. Da sich die inneren Bereiche des Atoms ("Atomkern") gar nicht von den äußeren unterscheiden, überrascht es nicht, dass Protonen oder Neutronen dasselbe Interferenzverhalten zeigen und daher ebenfalls zu den "Fermionen" gehören. Der Teilchenphysiker schreibt diesen Spin einfach den Quarks zu, und somit auch allen Teilchen, die er sich aus Quarks aufgebaut denkt. Alle diese "Teilchen" sind jedoch prinzipiell komplexe Impulsformen, die aus 2 oder mehreren Elementarimpulsen aufgebaut sind.

Die Abbildung links zeigt ein Schema des Versuchaufbaus und unten die Messwerte, die die 720-Grad-Periodizität aufzeigen. Für den Versuch verwendet man einen Neutronenstrahl, den man in zwei Teilstrahlen aufspaltet. Man lässt von einem der beiden Strahlen den Neutronenspin in einem Magnetfeld rotieren, und untersucht anschließend die Überlagerung der beiden Strahlen. Bei einer Drehung des Neutronenspins um 360 Grad beobachtet man eine deutliche Verringerung der Intensität in der Überlagerung. Bei einer Rotation um 720 Grad hingegen ergibt sich maximale Intensität in Überlagerung, also konstruktive Interferenz. Man erklärt dieses seltsame, im wesentlichen ungeklärte Verhalten dadurch, dass die Wellenfunktion derjenigen Neutronenspins, die um 360 Grad gedreht worden sind, ihr Vorzeichen geändert hat, sich also genau so verhält, wie es die SU(2)-Theorie des Spins beschreibt.

Diese Vorzeichenänderung geht nach meiner Theorie einfach auf den zweiten Elementarimpuls und dessen relative Situation zum ersten zurück, wodurch sich erst nach zwei scheinbaren Rotationen dasselbe Wellenbild ergibt. Da kein "Teilchen" im Spiel ist, lässt sich eine körperliche Ausdehnung der Impulsfolge zwar nicht ausnehmen (Streuexperimente ergaben eine maximale Elektronengröße von 10^-19 m), aber dennoch hat das "Elektron" einen gewissen Bereich für die Wahrscheinlichkeit, dass mit einem anderen Teilchen eine bestimmte Wechselwirkung stattfindet - man nennt diesen Bereich den Wirkungsquerschnitt. Er beträgt bei der Elektronenwelle etwa 3*10^-15.

Teilchen bzw. Impulsfolgen, die mit reinen Sinuswellen symbolisiert werden können und daher prinzipiell nur einen Impuls enthalten, wie z.B. Photonen oder elektromagnetische Wellen haben einen ganzzahligen Spin und man nennt sie "Bosonen". Dazu zählen die Physiker auch die meisten Überträgerteilchen für Kräfte (Gluonen, W- u. Z-Bosonen).

Mit diesem Doppelwendel-Modell (ähnlich wie ein Möbius-Band) können wir gut verstehen, wieso die Wellenfunktion eines Bosons unter einer Rotation von 360 Grad in sich selbst übergeht, bei einem Fermion bei einer Rotation um 360 Grad jedoch nicht die identische Wellenfunktion entsteht, sondern diese sich erst bei einer Rotation um 720 Grad ergibt. Dies ist auch der Grund, dass für Fermionen das Pauli-Prinzip gilt. Vertauscht man zwei Fermionen, negiert sich das Vorzeichen der Gesamtwellenfunktion des Systems, während die Vertauschung zweier Bosonen die Wellenfunktion unbeeinflusst lässt. Die Folge ist, dass sich zwei Fermionen nie im selben Zustand aufhalten können, zwei Bosonen hingegen schon (Photonen im Laser z.B.).

Aufgrund dieser Eigenschaften und der Ununterscheidbarkeit von Elementarteilchen können nur immer zwei Fermionen ein Energieniveau besetzen, wenn die Spins einander ausweichen (Spin-Up und Spin-Down). Dagegen können beliebig viele Bosonen einen Energiezustand besetzen (Bose-Einstein-Kondensat).
In einem Impulsfeld können sich immer nur zwei Elektronenwellen im selben Energieniveau aufhalten. Damit begründet sich die Bildung fester Materie. Wären Elektronen Bosonen, so würden sie zueinander keinen Widerstand wahrnehmen und in das unterste Energieniveau zusammenfallen. Daher ist der Spin eine der wichtigsten Eigenschaften der Materie, er ist sowohl für das Auftreten der elektrischen Ladung als auch für den Magnetismus verantwortlich. Wie das vor sich gehen könnte, zeige ich in den Aufsätzen "Elektron", "Spiele mit dem Elektron", "Spiele II" u. "Wasserstoff" etc. od. in den entsprechenden Buchkapiteln.

Der Physiker hat das Problem, von einem Eigendrehimpuls des Elektrons zu sprechen, obwohl er weiß, dass die Vorstellung von einem rotierenden, "geladenen" Kügelchen unsinnig ist. Die klassische Vorstellung von rotierenden Teilchen als Ursache für den Spin ist nach heutiger Sichtweise zwar längst falsch, wird aber zum besseren Verständnis aufrecht erhalten. Physikalisch verhält sich der Spin (z. B. unter Rotationen des Raumes) wie der Drehimpuls. Außerdem gilt der Erhaltungssatz für den Gesamtdrehimpuls nur für die Summe aus (klassischem) Bahndrehimpuls und Spin eines Systems. Daher ist der Spin im Gegensatz zum Isospin nicht nur eine dem Drehimpuls (mathematisch) analoge Eigenschaft, sondern tatsächlich eine Art von Drehimpuls - auch wenn es nicht nur der Impuls ist, der sich dreht, sondern auch seine Bahn um eine zweite Bahn!

Der Gesamtdrehimpuls der Elektronenwelle setzt sich zusammen aus dem Bahndrehimpuls und dem Spin der Elementarimpulse, wobei diese einzelnen Komponenten nur gemeinsam und nicht einzeln scharf gemessen werden können. Spin- und Bahnanteil setzen sich vektoriell zusammen. In der Projektion kann man die Präzession der Spinausrichtung (die sich aus der gegenseitigen Umkreisung der Elementarimpulse ergibt) grafisch darstellen (Bild unten).

Teilchenphysiker arbeiten lange schon mit diesen Auffassungen, aber erst aus der T.A.O.-Matrix These ergibt sich zwanglos die Ursache für die Eigenschaften des Elektrons.Auf dem Bild rechts ist die Energieverteilung von Elektronen zu sehen, die durch einen Laserstrahl moduliert werden (rot ist hohe, blau keine Energieverteilung). Die neue Lage der vom Laserstrahl herausgerissenen Elektronen befindet sich an der Spitze jeder Zacke, der Abstand von Zacke zu Zacke beträgt genau 1 Femtosekunde.

Es handelt sich hier um die erste direkte Beobachtung von Elektronenwellen.

Die Erfindung, mit ultrakurzen Laserblitzen Elektronen quasi zu fotografieren, haben auch einen neuen Forschungszweig geboren: die Attophysik.

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