Klassisk elektronradius

Klassisk elektronradius er en lengde som en gang var ment å angi størrelsen av et elektron. Begrepet stammer fra tiden før kvantemekanikken var utviklet da man prøvde å forklare dets egenskaper ved bruk av klassisk fysikk.  Fra eksperimenter og målinger ved de høyeste energier er det ennå ikke påvist at elektronet har noen endelig utstrekning. Det omtales derfor i dag som en punktpartikkel på samme måte som de andre elementærpartiklene i Standardmodellen.

Den klassiske radius til et elektron er definert som

hvor me  er dets masse, e dets ladning, c er lyshastigheten og 1/4π ε0  er Coulombs konstant. Dette kan sammenlignes med den målte radius til et proton som er omtrent 0.85×10-15 m, litt avhengig av hvordan den blir definert.

Begrunnelse

Energien til et elektron som ligger i ro, er Ifølge masseenergiloven til Einstein mec2.  Man kan nå for eksempel gjøre den antagelsen at denne energien skyldes det elektriske feltet utenfor elektronet hvor ladninegn ligger på dets overflate. I avstand r  fra sentrum er dette . Fra den elektriske energitettheten  følger dermed den totale feltenergien som

 

Man kunne i stedet gjort antagelsen om at ladningen er jevnt fordelt i elektronets indre. Da får man et tilsvarende bidrag til feltenergien  fra området innenfor overflaten. Dette resulterer i at koeffisienten i svaret forandres fra 1/2 til 3/5. Men da dette bare er antagelser uten noen god begrunnelse, setter man i definisjonen ganske enkelt at koeffisienten er lik 1. Det gir  som resulterer i uttrykket over for den klassiske elektronradiusen.

Det er kanskje overraskende at denne elektronradiusen har en størrelse som er omtrent tre ganger større enn for et proton. Et proton har en masse som er 1836 ganger større enn elektronmassen, og man ville derfor naivt sett forvente at et elektron var mye mindre enn protonet. Men det viser bare at de klassiske antagelsene som ligger bak denne definisjonen for elektronets radius, ikke er korrekte.

Andre fundamentale lengder
Elektronet har også en Compton-bølgelengde λC = h/me som er ca. 2,43×10 -12 m. Ved å innføre finstrukturkonstanten

 

hvor den numeriske verdien tilsvarer at α -1 = 137,036 med stor nøyaktighet, ser man at elektronets klassiske radius er ganske nøyaktig 137 ganger mindre enn dets reduserte Compton-bølgelengden  hvor  er den reduserte Plancks konstant. Denne bølgelengden er også relaterte til den kvantemekaniske radius av hydrogenatomet i sin grunntilstand. Denne har fått navnet Bohr-radius  og er a0 =  ħ/αmec  og derfor 137 ganger større enn den reduserte Compton-bølgelengden.

Referanser

Fysiske konstanter
Atomfysikk
Partikkelfysikk