¿Qué es un electrón?

[Jose D. Escobedo]

Re: ¿Qué es un electrón?

Bueno, no quisiera plantear equívocos al abrir este debate. La mayoría me conocéis y sabéis que mis conocimientos de física no son elementales, aunque no soy físico. Planteo este tema porque realmente el concepto de partícula elemental es algo que aunque no plantea demasiados misterios para mí no acabo de entender como los físicos llegan a concluir su existencia y sus propiedades, si es que lo concluyen de alguna forma, o es más bien consecuencia de un conocimiento empírico obtenido a través de los años de experimentos. Realmente el objetivo de este debate es analizar un poco el concepto de partícula elemental y como se alcanza su concepción desde el punto de vista teórico, aunque he elegido el electrón por ser la más común de ellas, o al menos la más conocida, porque la verdad es que he estudiado mucha electricidad, electromagnetismo, electrónica, y estoy tan familiarizado con el concepto de electrón que nunca llegaría a dudar de su existencia pero en honor a la verdad debo decir que nunca nadie me ha llegado a presentar una demostración fehaciente de su existencia y quisiera saber si con los conocimientos de hoy en día es posible demostrar fehacientemente que los electrones existen y como se concluye su existencia y sus propiedades.

Salu2, Jabato.

Los resultados y concluciones de estos experimentos: "mass-to-charge ratio" de Thomson, "Oil drop experiment" de Millikan, y el experimento de Stern-Gerlach. Te ayudaran a disipar esas dudas.
En la universidad a mi me toco el experimento de Thomson, mientras que otro compañero realizo el de Millikan. Si te es posible Jabato trata de realizar estos experimentos y muchas dudas se te disiparan. El experimento de Stern-Gerlach no lo hicimos porque en la universidad publica que iba no tenia el equipo para hacerlo.

Saludos

[visitante20160513]

Re: ¿Qué es un electrón?

No se trata de dudas, no albergo dudas al respecto de la existencia de las partículas elementales, es tan solo que desconozco los mecanismos teóricos que conducen a concluir con la existencia de dichos entes, y como deducir sus propiedades. Percibo que los desarrollos teóricos no son sencillos y exigen unos conocimientos de matemáticas que no son habituales en otras carreras, pero mi experiencia me dice que por muy sofisticados que sean esos conocimientos siempre es posible obtener una explicación sencilla de los razonamientos que conducen a esas conclusiones, cosa que hasta ahora no he conseguido. En cualquier caso se agradecen los consejos, pero no es eso lo que ando buscando sino más bien una aclaración del concepto teórico de partícula elemental, y ya se que no es fácil obtenerla pero ese era el objetivo que me había propuesto al abrir este hilo. Algunas preguntas se han quedado en el camino sin obtener respuesta y las voy a incluir aquí por si alguien tuviera la amabilidad de tratar de contestarlas.

La primera pregunta es si los campos cuánticos obedecen a algún tipo de interacción fundamental o si son otra cosa, y en ese caso cual es la realidad física de los campos cuánticos, es decir a que magnitudes físicas hacen referencia las funciones que aparecen en las ecuaciones de Dirac, Klein Gordon u otras que se utilicen en la teoría cuántica de campos. Son las clásicas funciones de probabilidad como la que aparece en la ecuación de Schrödinger o son otra cosa.

La segunda pregunta obedece mas bien al si es correcto pensar que las propiedades tales como masa, carga, espin, etc. son propiedades de los campos cuánticos más que de las partículas, puesto que ya se ha dicho que las partículas elementales no son mas que oscilaciónes discretas de los campos cuanticos.

En fin, lo que busco son respuestas a estas y otras preguntas de análoga catadura.

Salu2, Jabato.

[carroza]

Re: ¿Qué es un electrón?

Hola.

Antes de correr, tienes que aprender a andar. Yo te recomendaría que, antes de plantearte cuestiones sobre campos cuánticos, te aseguraras que conoces los campos clásicos. Una referencia muy buena para esto es el libro de Landau y Lifshitz "Teoría clásica de campos". Preguntas que deberías hacerte, sobre campos clásicos:

1. Qué es un campo (clásico)?.

2. Puede existir un campo aunque no existan las fuentes de ese campo? (Por ejemplo, campo electromagnético en ausencia de cargas).

3. Qué ecuaciones gobiernan la evolución de los campos?

4. Pueden obtenerse estas ecuaciones a partir de un lagrangiano? (Por similitud con las ecuaciones de movimiento de una partícula en un potencial).

5. Si el campo lo consideramos como un conjunto de variables dinámicas análogos a la coordenada de una partícula, Qué sería lo análogo al momento de la partícula?

Una vez que conozcas las respuestas a estas preguntas, podrías plantearte con más base las preguntas sobre campos cuánticos.

Un saludo

[Jose D. Escobedo]

Re: ¿Qué es un electrón?

Un campo (clásico o cuántico) es una magnitud que varía en el espacio y en el tiempo (por ejemplo, una ola). Viene dado por una función $\phi(x,t)$. Su comportamiento viene determinado por una densidad lagrangiana, $\cal L$, que depende de los campos $\phi(x,t)$ y de sus derivadas $\dot \phi(x,t)$. El campo $\phi(x,t)$ tiene un momento asociado, que es otro campo [Error LaTeX: Compilación LaTeX fallida] .

Por ejemplo, si el campo $\phi(x,t)$ es la altura de la ola, el momento asociado $\pi(x,t)$ es la velocidad de subida de la superficie de la ola por la densidad.

Si el campo es clásico, $\phi(x,t)$ y $\pi(x,t)$ conmutan. Eso hace que el campo puede adquirir y ceder energia en cantidades arbitrariamente pequeñas.

Si el campo es cuántico, entonces $\phi(x,t)$ y $\pi(x,t)$ no conmutan (como X y P en mecánica cuántica). Esto hace que el campo pueda emitir y absorber energía en paquetes. Estos paquetes reciben el nombre de fotones (para el campo electromagnético), fonones (para los campos de vibración de una red), o electrones y positrones (para el campo electónico).

Saludos

Esta explicación es clara y bonita, pero si los campos clásicos estan formados de los cuánticos, ¿porqué estos no conmutan?

Podría equivocarme, y si es así, pido disculpas por adelantado. Por lo poco que he leído de tus ideas, me da la impresión de que visualizas las partículas como ondas. Por mi parte yo veo partículas puntuales que pueden estar localízadas en cierta región que es el llamado "paquete de onda." ¿esta mal mi forma de visualizar las partículas?
.
Saludos

[carroza]

Re: ¿Qué es un electrón?

Hola.

Los campos clásicos se obtienen como un caso límite de los campos cuánticos. Los campos cuánticos (un campo, y su momento asociado) no conmutan. Su conmutador es $\hbar$. ¿Por qué no conmutan? Porque la naturaleza es así. No la he inventado yo.

Los campos (siempre cuánticos en su naturaleza), en ciertos límites, pueden aproximarse por campos clásicos. Esto ocurre cuando el conmutador puede despreciarse. En el caso del campo eletromagnético, esto aparece cuando el campo no es muy débil, de forma que pueda describirse mediante un número alto de fotones.

Las "particulas", en concreto las que llamamos fermiones (electrón, etc), son campos cuánticos fermiónicos. Lo que ocurre es que estos campos fermiónicos tienen una propiedad conservada, llamada número leptónico en el caso del electrón. Y en ciertos límites (en situaciones no relativistas, y cuando los campos fermiónicos interaccionan con campos estacionarios), puede describirse, aproximadamente, las propiedades del campo fermiónico, con número leptónico uno, como una amplitud de probabilidad de encontrar una partícula sin estructura que tiene las propiedades (carga, masa, espín), del electrón.

Por tanto, tu forma de visualizar las partículas, que es la de la mecánica cuántica ordinaria, no es incorrecta. Sólo es aproximada.

Un saludo

[chap]

Re: ¿Qué es un electrón?

Me gusta imaginar que Shakira se arroja a mis brazos perdidamente enamorada, pero sabemos que eso sería simplemente absurdo. También me gusta imaginar al electrón, en su estado básico no perturbado, como una onda electromagnética transversolongitudinal en el vacío, que en vez de propagarse rectilíneamente lo hace alrededor de un eje, como una rueda de bicicleta, cuyos rayos hacen lo que en la onda hacen los frentes de onda. En esa imaginación me gusta creer que la ecuación de onda transversolongitudinal corresponde al campo denominado desplazamiento $\vec{D}=\epsilon_0 \vec{E}+ \vec{P}$ , con el campo eléctrico transversal y la polarización longitudinal, que sumadas vectorialmente dan un desplazamiento acorde con la solución exponencial compleja de la ecuación de onda rotativa, [Error LaTeX: Compilación LaTeX fallida] . A esa onda que me agrada imaginar, le corresponde un par simétrico de cargas (sin masa en reposo) que, suponiendo una configuración cilíndrica, determina medio cilindro positivo y medio negativo. Como ese par es eléctricamente neutro, imagino algo como una lata de tomates. Los tomates llenan el volumen del cilindro y la lata es simplemente una superficie delgada contenedora. A la carga neta $e$ la imagino alojada en esa superficie análoga a la lata, es decir la imagino como el recipiente dentro del cual funciona la onda simétrica. Esto que me agrada imaginar, ha desagradado profundamente a personas que saben física. Mejor que Shakira nunca se entere de mis sueños...

[Jose D. Escobedo]

Re: ¿Qué es un electrón?

Hola.

Los campos clásicos se obtienen como un caso límite de los campos cuánticos. Los campos cuánticos (un campo, y su momento asociado) no conmutan. Su conmutador es $\hbar$. ¿Por qué no conmutan? Porque la naturaleza es así. No la he inventado yo.

Los campos (siempre cuánticos en su naturaleza), en ciertos límites, pueden aproximarse por campos clásicos. Esto ocurre cuando el conmutador puede despreciarse. En el caso del campo eletromagnético, esto aparece cuando el campo no es muy débil, de forma que pueda describirse mediante un número alto de fotones.

Las "particulas", en concreto las que llamamos fermiones (electrón, etc), son campos cuánticos fermiónicos. Lo que ocurre es que estos campos fermiónicos tienen una propiedad conservada, llamada número leptónico en el caso del electrón. Y en ciertos límites (en situaciones no relativistas, y cuando los campos fermiónicos interaccionan con campos estacionarios), puede describirse, aproximadamente, las propiedades del campo fermiónico, con número leptónico uno, como una amplitud de probabilidad de encontrar una partícula sin estructura que tiene las propiedades (carga, masa, espín), del electrón.

Por tanto, tu forma de visualizar las partículas, que es la de la mecánica cuántica ordinaria, no es incorrecta. Sólo es aproximada.

Un saludo

Cierto, porque estoy mas acostumbrado a la mecánica cuántica que a la teoría cántica de campos, es mas, nunca hé tomado un curso formal de teoria cántica de campos. En particular cuando se representa la interacción electrón-fotón mediante diagramas de feyman, creo saber que lineas conectando dos puntos son las particulas y las lineas flechas que conectan a un punto representa al campo ( solidas para el electron y ondulada para el caso del foton), pero a todo esto hay la superposicion de las historias y como estan reprentadas en el espacio-tiempo, puedo decir el electron puede estar localizado en cierta region mientras sea el propagador. Lo que no se es como considerar que la metrica de la teoria especial de la relatividad afecte esto, tal vez sea que al ir a cierta velociadad se generan mas particulas (como cuando hay cagas electricas en reposo y yo me muevo con respecto a ellas que puedo detectar un campo magnetico en los campos clasicos) y sea imposible mantener un numero fijo de ellas. Gracias carroza por la ayuda prestada y en cuanto mas tenga tiempo se lo dedicare a la teoria cuantica de campos en un curso formal o me comprare mas libros par ir preguntando por aqui mas seguido si nos les molesta. En este momento estoy batallando con la teoria de Galois y otras clases de matematicas para poder interpretar mejor lo que me dicen las teorias avanzadas de fisica con el lenguaje matematico.


Saludos