Hoe groot zijn een foton en een elektron?

Antwoord

Beste Etienne,

De grootte van een tennisbal meten lijkt eenvoudig: we bepalen met een meetlint de omtrek ervan en bepalen daaruit de straal (door de omtrek te delen door 2 pi). Maar een tennisbal heeft geen glad oppervlak, dus als je opnieuw meet ga je misschien een net iets andere omtrek vinden, doordat je het meetlint net iets strakker aantrekt.

Bij elementaire deeltjes is het niet alleen praktisch moeilijker om de straal te bepalen, maar ook conceptueel minder duidelijk wat we er precies mee bedoelen. Het feit dat de lintmeter niet door de tennisbal heen gaat heeft met afstotende krachten te maken en dit kunnen we op kleine schaal ook verwachten, maar het resultaat hangt mede af van de meetmethode en het gebruikte model.

Werkzame doorsnede

We kunnen de grootte van een bal ook op een andere manier proberen bepalen: een tennisbal gaat niet door een tennisnet, maar wel door het net in een voetbalgoal. Daaruit kunnen we opmaken dat de doorsnede van een tennisbal groter is dan de mazen in het tennisnet en kleiner dan die in het voetbalnet.

Een eeuw geleden gingen natuurkundigen (waaronder Rutherford) ervan uit dat we de grootte van elementaire deeltjes kunnen bepalen op een manier die vergelijkbaar is met ballen gooien naar een net: we sturen elementaire deeltjes naar een materiaal en bepalen welk deel er interageert en welk deel er ongehinderd doorgaat. Dit wordt uitgedrukt met een "werkzame doorsnede" en de uitkomst hangt niet enkel van de eigenschappen van het deeltje af (welk deeltje, met welke energie) maar ook van het doelmateriaal. Aangezien het om een "doorsnede" gaat, lijkt het op een afmeting (oppervlak), maar aangezien het ook afhangt van het gebruikte materiaal blijkt het toch niet zo eenduidig te interpreteren.
Zie ook:

• Wikipedia (Nl)
• CERN (En)
• Werkzame doorsnede fotonen (En)

Elektron en foton zijn puntdeeltjes

Een elektron wordt tegenwoordig beschouwd als een puntdeeltje. Dat wil zeggen dat het elektron, volgens de huidige fysische theorieën, geen ruimtelijke uitgebreidheid en dus geen diameter heeft. Ook het foton wordt beschouwd als een puntdeeltje.

• Toch wordt er soms een diameter aan het elektron toegeschreven op basis van een relativistisch model (dat geen rekening houdt met kwantummechanische effecten): hierbij wordt er (via E=mc²) uitgerekend wat de straal moet zijn opdat de massa van het elektron volledig te wijten zou zijn aan potentiële energie ten gevolge van de lading. Volgens deze berekening is de straal van het elektron kleiner dan 3 femtometer. (Een femtometer is 10^-15 meter: een biljardste meter, of een miljoenste van een miljoenste millimeter.)
• In tegenstelling tot het elektron heeft het foton geen elektrische lading, dus bovenstaand model kunnen we niet op het foton toepassen. Wel kunnen we in dit geval het golfachtige karakter van het foton gebruiken om er alsnog een straal aan toe te kennen. We zouden natuurlijk de golflengte van het foton als maat kunnen gebruiken, wat voor sommige toepassingen ook relevant is, maar voor andere toepassingen geeft dit een veel te grote maat. Een andere optie is kijken binnen welke de straal de amplitude van de elektromagnetische golf niet verwaarloosbaar is en deze straal zal ook in de orde van femtometer zitten.

Kortom, zowel het elektron als het foton worden op dit moment het best beschouwd als puntdeeltjes. Voor sommige toepassingen is het nuttig om toch een model op te stellen waarin we van een straal kunnen spreken, die is dan in de grootte-orde van femtometer. (Ook het proton, dat volgens de huidige theorie uit drie quarks bestaat en dus geen elementair puntdeeltje is, heeft een straal in deze grootte-orde.)

Vriendelijke groeten,
Sylvia Wenmackers