9789175694931 by Smakprov Media AB

2000-talets naturvetenskap

Har elektronen en inre struktur? â&#x20AC;&#x201C; nya teorier och insikter kan ge svaret *** EssĂ¤ av

Ă&#x2026;ke Hedberg

2000-talets naturvetenskap

Ur innehållet: Kaosteorin är den viktigaste av nya teoribildningar under senare delen av 1900-talet Emergens är sådana processer där ett komplext mönster formas Naturfilosofin. Människan har i alla tider försökt förstå och filosoferat över hur världen egentligen är uppbyggd och fungerar. Matematikens diktatur. Diktator Matematik tycks sakna förmåga att uttrycka annat än mekaniska ting. Att behandla världen som om den enbart har en mekanisk sida binder den också till ett evighetstänkande, till att den till sin natur är Absolut, dvs ett religiöst tänkande. Fysiken och kosmologin Hela den moderna fysikens projekt kom att spåra ur under 1920-talet. Då man inte snabbt nog kunde få en klar bild av hur ljuset och en ljusfoton fungerade övergav man tanken på förståelse för att med Niels Bohr och Heisenberg i spetsen införa metafysiska element i fysiken. Den nya naturliga partikelteorin – och byggstenarna. Allt behov av kvarkar och gluoner (klisterpartiklar) försvinner med den nya partikelteorin medan många andra inte alls visar sig vara fundamentala utan är sammansättningar av fotoner och neutriner. Detta gäller t.ex. elektronen och protonen. Den första observationen av en neutrino i en

bubbelkammare (1970). En neutrino kommer från vänster, träffar en proton, och tre laddade partiklar lämnar spår. En myon uppstår och lämnar det långa spåret till det övre hörnet; protonen lämnar det korta spåret snett uppåt; det tredje spåret är en pion. (Wikipedia)

Eftersom kvarkar endast är en produkt av kvasifilosofi kommer vi aldrig att få se sådana här spår efter dem.

En metod ges att slå sönder och ”klyva” elektronen? Något för CERN att pröva? Se rörliga bilder på: YouTube https://www.youtube.com/channel/UCW4mLioxhCm4GHj4T0ZMsRA

2000-talets naturvetenskap

Har elektronen en inre struktur? – nya teorier och insikter kan ge svaret *** Elektronen är förmodligen den mest kända av fysikens alla partiklar och den mest undersökta. Den var därtill den första av det slaget som upptäcktes. Om detta och mycket annat om elektronen skriver Wikipedia1: 1897 upptäckte J J Thomson att elektronen var en subatomär partikel när han studerade katodstrålar. Om man antog att strålarnas partiklar hade samma laddning som mono-valenta joner, visade avlänkningen i ett magnetfält att dess massa var ungefär 2 000 gånger mindre än väteatomens. I samma tid visade Pieter Zeeman och Hendrik Lorentz att partiklar med samma e/m-förhållande kunde förklara Zeemaneffekt i atomspektrum. I början trodde flera forskare – bland dem Thomson – att elektronens massa endast var en effekt av dess elektrostatiska energi. Genom att likställa coulombenergi och massa får man den klassiska elektronradien, som är lika med spridningslängden för Thomsonspridning, ungefär 10-15 m. Enligt kvantelektrodynamik är dock elektronen en punktpartikel. 2008 lyckades forskare för första gången filma en elektron. //…//Elektroner i en atom kretsar kring atomkärnan. Elektronerna har vissa bestämda energivärden, ju mer energi en elektron har desto längre bort från kärnan med de positivt laddade protonerna befinner den sig. De elektroner som har samma energivärde befinner sig på samma energinivå, så kallade skal, i atomen. Om en elektron tillförs extra energi hoppar den ett skal utåt, atomen är då exciterad. Det finns en maxgräns för hur mycket energi en elektron kan tillföras och ändå vara en del av en atom. Tillförs en elektron mer energi än maxgränsen så frigör den sig från atomen, varvid atomen blir en positivt laddad jon. //…//Elektricitet, som ofta benämns elektrisk ström, orsakas av att laddade partiklar rör sig under inflytande av ett yttre elektriskt fält. Vanligen är de laddade partiklarna fria elektroner i en elektrisk ledare. Strömstyrka kan mätas med en galvanometer (amperemeter).

I denna essä ska vi i första hand inrikta oss på frågan om elektronen har en tydlig struktur. Eller om det som sägs ovan i citatet från Wikipedia gäller, alltså: Enligt kvantelektrodynamik är dock elektronen en punktpartikel. Eller om det som följer i denna essä gäller. Sedan kanske de övriga frågorna om dess storlek, massa, laddning mm komma. Ty om elektronen verkligen har formen av en punkt kan redan här en lång Det är inte pga lathet jag citerar från Wikipedia; orsaken är snarare att därmed ge den gängse, den allmänt vedertagna och så att säga ofﬁciella version av ett synsätt, en teori etc. 1

2000-talets naturvetenskap

rad av frågor ställas. En punkt måste ju betyda att intet mer kan sägas om en sådan partikel, den kan då inte ha något inre, inte ha någon utsträckning eller någon annan egenskap än vad som karakteriserar en punkt. Den har med andra ord ingen annan karaktär än att vara en punkt. Vi kan inte veta någonting om vad som som konstituerar egenskaper som massa eller laddning, exempelvis. Elektronen blir en slags gudom varom intet kan sägas utöver dess gudomliga egenskaper att vara allsmäktig och fullkomlig, utan ﬂäckar eller brister. — Låt oss följa ett forum2 i fysik som just diskuterar frågan huruvida elektronen har en struktur. (Min övers fr. engelska). Tidpunkten är januari 2009. Qubix frågar: Har en elektron har en intern struktur? Ok, jag vet att denna fråga är mycket gammal, och den har troligen besvarats vid det här laget, men om elektronen inte har en intern struktur (som protonen till exempel), hur upprätthåller den sig som en enhet? Varför upplöses den inte? Jag har ställt denna fråga ett par gånger tidigare, och folk svarade med saker som "det är en fundamental partikel så den har inte en intern struktur" ... det är uppenbarligen inte ett vetenskapligt svar, för 100 år sedan, kan vi har sagt samma sak om atomen. Mupp svarar: Vad är inte vetenskapligt om det? Naturvetskap är utredningen av den fysiska världen med hjälp av experiment för att öka vår förståelse av naturen så att vi inte bara vet varför vi får resultaten av försöken redan uppträtt, men har möjlighet att förutsäga resultatet av framtida experiment (eller förklara varför en viss experiment är i sig omöjlig att genomföra, eller varför en viss förutsägelse är i sig omöjligt att göra, etc.) Ibland visar ett experiment att en väletablerad teori är fel, och det är när vetenskapen kanske är mest intressant. Men vid andra tillfällen måste du acceptera att den vetenskapliga metoden i sig är oförmögen att bevisa något bortom absolut allt tvivel, och du behöver bara acceptera att en teori som ständigt kommer ut med de rätta svaren förmodligen åtminstone är en mycket bra approximation vad som händer på en approximation som är så bra att du lika gärna kan kalla den för lämplig tills något bevisar det vara fel. De teorier som för närvarande är de bästa vi har förutspår att elektronen är en strukturlös, grundläggande partikel med noll storlek. Det är inte att upplösa den eftersom det ﬁnns ingenting att upplösas i och ingenting att "upprätthålla". Vid något tillfälle, är det nästan en logiskt nödvändigt för en sådan grundläggande partikel att existera, eller om du skulle ha ett oändligt regress- hur skulle de partiklar som består av elektroner kunna bibehålla sin strukturella integritet? Vi vet av många skäl att atomer inte grundläggande, men kanske det mest uppenbara beviset att de har struktur är att vi kan slå dem i bitar. Du kan inte göra detta med en elektron. Folk har försökt utreda storleken på elektronen, som om den var icke-noll skulle berätta för oss att våra nuvarande bästa teorier är felaktiga. Hittills den övre gräns för varje

Reference https://www.physicsforums.com/threads/does-an-electron-have-an- internal-structure.287118/

2000-talets naturvetenskap

potentiell storlek av elektronen är (tror jag) ca 10-18 m – eller en hundramiljondel av storleken på atomen. Qubix svarar: Vad är inte vetenskapligt om det? Att säga att något är "grundläggande" är detsamma som att säga "det gjordes av Gud". Det är inte en vetenskaplig definition eftersom om du inte har en teori kan förstå ett fenomen, betyder det inte att fenomenet i sig är problemet, men mest troligt, din teori. Vad händer om jag frågade en annan fråga: Vad är elektrisk laddning? Syftet med frågan är att gå bortom (eller runt) i "det är fundamental" lame svar, och för att se om moderna teorier (även hypoteser som strängteorin), kan säga något om det. Folk har försökt utreda storleken på elektronen, som om det var icke-noll skulle berätta för oss att våra nuvarande bästa teorier är felaktiga. Hittills den övre gräns för varje potentiell storlek av elektronen är (tror jag) ca 10-18 meter eller en hundramiljondel av storleken på atomen. I första meningen, antyder du att storleken på elektronen är 0? Storlek 0 skulle betyda att elektronen är en punkt. Kan man verkligen ha en punkt i en (minst) tre D rymden? MalawiGlenn svarar: Ja det är en punkt. Saken är den att våra idéer i världen i vårt dagliga liv motsäger vad som händer på kvantnivån. Problemet kan också ligga i det matematiska språk vi använder, som utvecklats för att förklara den klassiska fysiken (Newton etc.) Men du vet att en geometrisk serie etc konvergerar till ett ändligt värde, även om varje villkor går till noll men aldrig blir noll? Det motsäger också hur vi lägga till saker i vårt dagliga liv, men i en värld av matematik är det bara bra. Så om vi vill vara riktigt pragmatisk vetenskapligt, är svaret att våra teorier för elektroner (Standardmodellen) har en delta-funktion som elektronerna tar distribution och denna kvantitet kan testas experimentellt. Och vad som funnits i alla experiment hittills är att den övre gränsen för elektron radie runt 10-18 m. Så detta är det mest vetenskapliga svaret du kan få i dag. DrChinese svarar: Elektroner har massa och laddning trots att de fungerar som punktpartiklar. Samma sak gäller för kvarkar, de andra stora byggstenarna. Emellertid, kan elektroner och kvarkar fungera som antingen en partikel eller en våg i enlighet med hur de observeras. Att säga en partikel är grundläggande är inte alls samma sak som att säga att det gjordes av Gud. Teorin säger att en elektron är grundläggande (dvs inte sönderfalla till andra partiklar som fria neutroner gör, till exempel). Det gör inte så långt som alla vet (och människor har sett). Teorin säger också en elektron är en punktpartikel, och det fungerar som en punktpartikel. Så ja, du kan ha en punkt i rumtiden. (Det finns en hel del som ses i fysiken som är krångligt, ingen idé att förneka vad som är känt att förekomma.) Experiment matchar igen teori. Vad tror du om en elektron? Hur skiljer sig ditt koncept från den accepterade teorin? Och har du någon experimentell grund för din åsikt? Algr svarar: Är det inte kanske bättre att säga "Vi kan inte se några bevis för att elektronen har en intern struktur."? Jag ser det då så att vi aldrig har sett en elektron sönderfalla eller förvandlas till något annat utan något som påverkar det först. Enligt teorin är protoner och neutroner gjorda av kvarkar - finns det några partiklar som har elektroner i dem? Eller är elektroner alltid ensamma? 7

2000-talets naturvetenskap

MalawiGlenn svarar: DrChinese bör vi kanske inte uppmuntra tvivlarna att göra vilda spekulationer här? Och Algr att atomen har elektroner. Du skulle då säga att en atom är inte en partikel, men då skulle jag inte kalla protonen en partikel. Det handlar om energiskalor här. Och till OP: Anta att elektronerna bestod av mindre partiklar, eller strängar, skulle vi då ställa frågan "vad är de partiklar gjorda av?" Så vi måste acceptera att en minsta enhet finns tror jag. DX svarar: Vi vet inte om elektronen har en inre struktur. Om den har inre struktur, är den inte tillgänglig på energinivåer som vi för närvarande kan sondera. AEM svarar: Så om en elektron inte har någon intern struktur och med alla avseenden kan betraktas som en punkt partikel, vad är ursprunget till dess massa? ZapperZ svarar: Om LHC finner symmetribrott inom elektrosektorn, då det är din möjlig källa till leptonic massa. AEM svarar: Kan någon nämna en referens som kommer att utveckla detta lite? Friend svarar: Qubix sa: ↑ Att säga att något är "grundläggande" är detsamma som att säga "det gjordes av Gud". Det är inte en vetenskaplig definition eftersom om du inte har en teori kan förstå ett fenomen, betyder det inte att fenomenet i sig är problemet, men mest troligt, din teori. Jag tror att din fråga är densamma, som anledningen till att vi måste tro att elektronen är grundläggande, att göra. Du litar inte på experimentella resultat, eftersom experiment bara kan utesluta några teorier, men aldrig bevisa en teori eftersom vi inte kan göra rätt experiment (nog att inte hög energi, eller inte gjort experimentet tillräckligt många gånger, etc.) andra här kan rätta mig om jag har fel eller förklara på denna idé. Men IIRC partiklar ut från symmetrier av rumtiden, du vet SU (3) XSU (2) XU (1). Och det verkar som elektronen har alla egenskaper för en eller några av dessa egenskaper som tyder på att det är fundamentalt. Om detta är sant, då är det intressant att fundera över vad partiklar säger om rumtiden själv. Och jag måste undra hur kvant-teorier om gravitationen skulle ändra beskrivningen av partiklar. ZapperZ svarar: Kan någon nämna en referens som kommer att utveckla detta lite? Jo: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0704/0704.2232v2.pdf Zz. AEM svarar: Tack. Exakt vad jag letade efter. Som vi ser är det många som ställer frågor om elektronens inre eller interna struktur. Och som vi ser leder det till många andra frågor. Till exempel denna: ”Vi vet av många skäl att atomer inte grundläggande, men kanske det mest uppenbara beviset att de har struktur är att vi kan slå dem i bitar. Du kan inte göra detta med en elektron.” Eller denna: ”Så om en elektron inte har någon 8

2000-talets naturvetenskap

intern struktur och med alla avseenden kan betraktas som en punktpartikel, vad är ursprunget till dess massa?” Ja, eller elektriska laddning och vad är ett elektriskt elementarkvantum? Just den fråga som ställdes på sin spets när man fick resultaten av undersökningen av protonens struktur på 1960-talet. Det tydde nämligen på att protonen var sammansatt av tre olika partiklar med tredjedelsladdningar. Det något oväntade resultatet födde idén om nya dittills okända partiklar: kvarkar. Istället för att ställa djupare frågor om och göra noggrannare undersökningar av de elektriska laddningarnas natur så valde man alltså den bekväma vägen och på helt kvasifilosofisk grund att uppfinna nya partiklar som förklaring. Men jag återkommer till detta, nu ska jag med en serie mycket väl kända experiment, reaktioner och sönderfalls-processer påvisa att elektronen faktiskt inte är en punktformad enhet utan är sammansatt av partiklar och således att den verkligen har en inre struktur. Denna sammansättning och struktur förklarar också elektriskt elementarkvantum liksom dess massa på ett mycket både övertygande och överraskande sätt. Om jag nu påstår att elektronen visst har en tydlig struktur då den är sammansatt av andra partiklar – sedan länge väl kända (inte kvarkar) – så betyder det att det går att ”slå dem i bitar” och därmed att deras beståndsdelar är funna, så kan det också betyda att detta redan har hänt men ej förståtts och därför ej blivit observerat. (Jag återkommer till ett sådant tänkbart experiment med att ”klyva” elektroner eller ”slå dem i bitar”). Det kan också betyda att denna experimentella metod ej är tillämplig här, men jämväl många andra som bevisar dess sammansättning av andra partiklar. Vi kan studera vad som händer vid olika former av s k sönderfall av partiklar. Vi kan då börja med det allra mest kända sönderfallet av en partikel, det s k beta-sönderfallet. (Ur Wikipedia): Betasönderfall Betasönderfall innebär att den radioaktiva kärnan avger en beta-partikel. Betasönderfall, även β-sönderfall, är inom kärnfysiken ett radioaktivt sönderfall som innebär att en atomkärna sönderfaller genom att avge en beta-partikel, det vill säga en elektron eller positron. Som regel hamnar dotterkärnan i ett exciterat tillstånd och avger därför omgående gammastrålning.

Den bakomliggande kraften till betasönderfall är den svaga växelverkan. Vid betasönderfall förblir antalet nukleoner (protoner och neutroner) konstant, medan för- delningen mellan protonerna och

2000-talets naturvetenskap

neutronerna däremot ändras. Med andra ord är masstalet A konstant medan atomnumret Z ändras. Betasönderfall förekommer i tre olika typer: beta minus-sönderfall (eller β−-sönderfall) som innebär att beta-partikeln är en elektron, beta plus- sönderfall (eller β+-sönderfall) som innebär att betapartikeln är en positron, samt elektron-infångning (ε- infångning) som innebär att en elektron från atomen tillsammans med en proton i atomkärnan bildar en neutron. Vid alla typer av betasönderfall avges en neutrino eller antineutrino. 1 Historia Avgivandet av en elektron från atomkärnan var en av de första upptäckterna av radioaktivt sönderfall. Ernest Rutherford lyckades 1899 kategorisera radioaktivt sönderfall i två olika grupper: alfasönderfall och betasönderfall. Betastrålning kan penetrera betydligt längre in i olika material än alfastrålning. Året därpå upptäckte Paul Ulrich Villard en tredje typ av strålning, nämligen gammastrålning. År 1900 kunde Henri Becquerel påvisa att betapartikeln har samma förhållande mellan Elektrisk laddning och massa som en elektron, och därmed drog han slutsatsen att betapartikeln är en elektron. Till skillnad från alfasönderfall har utvecklingen av förståelsen kring betasönderfall varit långsam. Under 1920- talet orsakade den kontinuerliga energifördelningen hos betastrålningen förvirring bland vetenskapsmän, som hade förväntat sig en energifördelning som liknade den för alfasönderfall. Wolfgang Pauli föreslog 1931 att betasönderfall inte bara gav upphov till en betapartikel, utan ock- så en annan partikel, nämligen en neutrino. Det var denna okända partikel som förklarade den kontinuerliga energi- fördelningen. Enrico Fermi kunde 1934 utveckla en omfattande teori kring betasönderfall som baserade sig på Paulis förslag om en neutrino. Teorin baserar sig på svag växelverkan och Fermis gyllene regel. 2 Karaktäristiska egenskaper 2.1 Sönderfalls-processen Betasönderfall består egentligen av tre olika typer av sönderfall: β− -sönderfall, β+ -sönderfall och εinfångning. Vid ett betasönderfall bevaras den totala elektriska laddningen, kvark-antalet och leptonantalet, vilket innebär att om en lepton (elektron eller neutrino) bildas måste detta kompenseras med bildandet av en antilepton (positron eller antineutrino).[1] Vid sönderfallet kan dotter- kärnan hamna i ett exciterat tillstånd för att sedan sända ut energiöverskottet som gammastrålning. Även de inre elektronskalen kan exciteras vilket ger upphov till karaktäristisk röntgenstrålning vid deexcitationen. Energiöverskottet kan även tas upp av en annan elektron som avges (Augereffekt), som har mycket lägre energier än en beta-partikel. 2.1.1 β− -sönderfall β− sönderfall innebär att en neutron i atomkärnan sönderfaller i en proton, en elektron och en antineutrino. (Vad som gäller för en enskild neutron detta):

Eftersom det bildas en proton i sönderfallet är atomnumret hos dotterkärnan ett högre än atomnumret hos den ursprungliga kärnan. På elementarpartikelnivå är β− sönderfall en omvandling