Punktpartikel - Point particle
Ein Punktteilchen ( ideales Teilchen oder punktförmiges Teilchen , oft punktförmiges Teilchen geschrieben ) ist eine Idealisierung von Teilchen, die in der Physik stark verwendet wird . Sein bestimmendes Merkmal ist, dass es ihm an räumlicher Ausdehnung mangelt ; da es dimensionslos ist , nimmt es keinen Platz ein . Ein Punktpartikel ist eine angemessene Darstellung eines beliebigen Objekts, wenn seine Größe, Form und Struktur in einem bestimmten Kontext irrelevant sind. Zum Beispiel wird jedes Objekt endlicher Größe aus ausreichender Entfernung wie ein punktförmiges Objekt aussehen und sich verhalten. Ein punktförmiges Teilchen kann physikalisch auch bei einem bewegten Körper bezeichnet werden.
In der Gravitationstheorie diskutieren Physiker oft a Punktmasse , d. h. ein Punktteilchen mit einerMasseungleich Nullund ohne andere Eigenschaften oder Struktur. Ebensodiskutieren PhysikerimElektromagnetismusaPunktladung , ein Punktteilchen mit einerLadungungleich Null.
Manchmal verhalten sich ausgedehnte Objekte aufgrund bestimmter Eigenschaftskombinationen sogar in ihrer unmittelbaren Umgebung punktförmig. Zum Beispiel verhalten sich kugelförmige Objekte, die im dreidimensionalen Raum interagieren, deren Wechselwirkungen durch das inverse quadratische Gesetz beschrieben werden, so, als ob ihre gesamte Materie in ihren Massenschwerpunkten konzentriert wäre . Bei der Newtonschen Gravitation und dem klassischen Elektromagnetismus beispielsweise sind die entsprechenden Felder außerhalb eines kugelförmigen Objekts identisch mit denen eines punktförmigen Teilchens gleicher Ladung/Masse, das sich im Zentrum der Kugel befindet.
In der Quantenmechanik wird das Konzept eines Punktteilchens durch die Heisenbergsche Unschärferelation kompliziert , da selbst ein Elementarteilchen ohne innere Struktur ein Volumen ungleich Null einnimmt. Zum Beispiel nimmt die Atombahn eines Elektrons im Wasserstoffatom ein Volumen von ~10 −30 m 3 ein . Dennoch unterscheidet man Elementarteilchen wie Elektronen oder Quarks , die keine bekannte innere Struktur haben, und zusammengesetzte Teilchen wie Protonen , die eine innere Struktur haben: Ein Proton besteht aus drei Quarks.
Elementarteilchen werden manchmal als "Punktteilchen" bezeichnet, aber dies hat einen anderen Sinn als oben diskutiert.
Eigentum konzentriert an einem Punkt
Wenn ein Punktteilchen eine additive Eigenschaft wie Masse oder Ladung hat, die an einem einzigen Punkt im Raum konzentriert ist, kann dies durch eine Dirac-Deltafunktion dargestellt werden .
Physikalische Punktmasse
Punktmasse ( punktförmige Masse ) ist das Konzept, zum Beispiel in der klassischen Physik , eines physikalischen Objekts ( in der Regel Materie ) , die von Null verschiedene Masse aufweist, und noch ausdrücklich und speziell ist (oder sein Gedanke oder modelliert) unendlich (unendlich klein) in seinem Volumen oder linearen Abmessungen .
Anwendung
Eine gängige Verwendung für Punktmassen liegt in der Analyse der Gravitationsfelder . Bei der Analyse der Gravitationskräfte in einem System wird es unmöglich, jede Masseneinheit einzeln zu berücksichtigen . Ein kugelsymmetrischer Körper wirkt jedoch gravitativ auf externe Objekte ein, als ob seine gesamte Masse in seinem Zentrum konzentriert wäre.
Wahrscheinlichkeitspunktmasse
Eine Punktmasse in Wahrscheinlichkeit und Statistik bezieht sich nicht auf Masse im Sinne der Physik, sondern bezieht sich auf eine endliche Wahrscheinlichkeit ungleich Null, die an einem Punkt in der Wahrscheinlichkeitsmassenverteilung konzentriert ist , wo es ein unstetiges Segment in einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion gibt . Um eine solche Punktmasse zu berechnen, wird eine Integration über den gesamten Bereich der Zufallsvariablen über die Wahrscheinlichkeitsdichte des kontinuierlichen Teils durchgeführt. Nach der Gleichsetzung dieses Integrals mit 1 kann die Punktmasse durch weitere Berechnungen ermittelt werden.
Punktgebühr
Eine Punktladung ist ein idealisiertes Modell eines elektrisch geladenen Teilchens . Eine Punktladung ist eine elektrische Ladung an einem mathematischen Punkt ohne Dimensionen.
Die Grundgleichung der Elektrostatik ist das Coulombsche Gesetz , das die elektrische Kraft zwischen zwei Punktladungen beschreibt. Das mit einer klassischen Punktladung verbundene elektrische Feld nimmt ins Unendliche zu, wenn der Abstand von der Punktladung gegen Null abnimmt, wodurch die Energie (also die Masse) der Punktladung unendlich wird .
Der Satz von Earnshaw besagt, dass eine Ansammlung von Punktladungen nicht allein durch die elektrostatische Wechselwirkung der Ladungen in einer Gleichgewichtskonfiguration gehalten werden kann.
In der Quantenmechanik
In der Quantenmechanik wird zwischen einem Elementarteilchen (auch "Punktteilchen" genannt) und einem zusammengesetzten Teilchen unterschieden . Ein Elementarteilchen, wie ein Elektron , Quark oder Photon , ist ein Teilchen ohne bekannte innere Struktur. Während ein zusammengesetztes Teilchen, wie ein Proton oder Neutron , eine innere Struktur hat (siehe Abbildung). Aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation sind jedoch weder Elementar- noch Kompositteilchen räumlich lokalisiert . Das Teilchenwellenpaket nimmt immer ein Volumen ungleich null ein. Siehe zum Beispiel Atomorbital : Das Elektron ist ein Elementarteilchen, aber seine Quantenzustände bilden dreidimensionale Muster.
Nichtsdestotrotz wird ein Elementarteilchen oft auch als Punktteilchen bezeichnet. Selbst wenn ein Elementarteilchen ein delokalisiertes Wellenpaket hat, kann das Wellenpaket als Quantenüberlagerung von Quantenzuständen dargestellt werden, wobei das Teilchen genau lokalisiert ist. Darüber hinaus lassen sich die Wechselwirkungen des Teilchens als Überlagerung von Wechselwirkungen einzelner lokalisierter Zustände darstellen. Dies gilt nicht für ein zusammengesetztes Teilchen, das niemals als Überlagerung von genau lokalisierten Quantenzuständen dargestellt werden kann. In diesem Sinne können Physiker die intrinsische "Größe" eines Teilchens diskutieren: Die Größe seiner inneren Struktur, nicht die Größe seines Wellenpakets. Die "Größe" eines Elementarteilchens ist in diesem Sinne genau null.
Für das Elektron beispielsweise zeigen experimentelle Beweise, dass die Größe eines Elektrons weniger als 10 −18 m beträgt . Dies stimmt mit dem Erwartungswert von genau Null überein. (Dies sollte nicht mit dem klassischen Elektronenradius verwechselt werden , der trotz des Namens nichts mit der tatsächlichen Größe eines Elektrons zu tun hat.)
Siehe auch
- Testpartikel
- Elementarteilchen
- Brane
- Ladung (Physik) (allgemeines Konzept, nicht beschränkt auf elektrische Ladung )
- Standardmodell der Teilchenphysik
- Welle-Teilchen-Dualität
Hinweise und Referenzen
Anmerkungen
Literaturverzeichnis
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Weiterlesen
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