Punktteilchen

Ein Punktteilchen , auch ideales Teilchen ^{[ 1 ]} oder punktförmiges Teilchen genannt , ist eine in der Physik verwendete Idealisierung . Sein definierendes Merkmal ist die vernachlässigbare räumliche Ausdehnung ^{[ 2 ]} oder ein Körper, dessen eigene Rotation irrelevant ist ^{[ 3 ]} . Ein Punktteilchen ist eine geeignete Repräsentation eines Objekts, wenn dessen Größe, Form und Struktur im jeweiligen Kontext irrelevant sind. Beispielsweise sieht jedes Objekt endlicher Größe aus ausreichend großer Entfernung wie ein punktförmiges Objekt aus und verhält sich auch so. Punktmassen und Punktladungen sind zwei gängige Beispiele. Besitzt ein Punktteilchen eine additive Eigenschaft wie Masse oder Ladung, wird es mathematisch oft durch eine Dirac-Delta-Funktion dargestellt . In der klassischen Mechanik gibt es üblicherweise kein Konzept der Rotation von Punktteilchen um ihren „Mittelpunkt“.

In der Quantenmechanik wird das Konzept des Punktteilchens durch die Heisenbergsche Unschärferelation verkompliziert , da selbst ein Elementarteilchen ohne bekannte innere Struktur ein von null verschiedenes Volumen einnimmt. Dennoch besteht ein Unterschied zwischen Elementarteilchen wie Elektronen oder Quarks , die keine bekannte innere Struktur besitzen, und zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen, deren innere Struktur aus Quarks besteht. Elementarteilchen werden aufgrund ihrer unbekannten inneren Struktur manchmal als „Punktteilchen“ bezeichnet, jedoch in einem anderen Sinne als dem hier diskutierten.

Punktmasse ( punktförmige Masse ) ist beispielsweise in der klassischen Physik das Konzept eines physikalischen Objekts (typischerweise Materie ), das eine von null verschiedene Masse besitzt, dessen Volumen oder lineare Dimensionen jedoch explizit und spezifisch infinitesimal (unendlich klein) sind (oder als solche betrachtet oder modelliert werden) . In der Gravitationstheorie können sich ausgedehnte Objekte selbst in ihrer unmittelbaren Umgebung wie punktförmige Massen verhalten. So verhalten sich beispielsweise sphärische Objekte, die im dreidimensionalen Raum interagieren und deren Wechselwirkungen durch die Newtonsche Gravitation beschrieben werden , solange sie sich nicht berühren, so, als wäre ihre gesamte Materie in ihren Massenschwerpunkten konzentriert . ^{[ 4 ]} Tatsächlich gilt dies für alle Felder, die durch ein Abstandsgesetz beschrieben werden . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Im Elektromagnetismus , einEine Punktladung ist ein punktförmiges Teilchen mit einer von null verschiedenenelektrischen Ladung. ^{[ 7 ]} Sie kann auch als geladener Körper oderLadungsträger, dessen effektiver Durchmesser viel kleiner ist als der Abstand zu einem anderen geladenen Objekt. ^{[ 8 ]} Die fundamentaleGleichungderElektrostatikistdas Coulombsche Gesetz, welches die elektrische Kraft zwischen zwei Punktladungen beschreibt. Ein weiteres Ergebnis,das Earnshaw-Theorem, besagt, dass eine Ansammlung von Punktladungen nichtallein durch die elektrostatische Wechselwirkung der LadungenGleichgewichtelektrische Feldeiner klassischen Punktladung strebt gegen unendlich, wenn der Abstand von der Punktladung gegen null geht, was darauf hindeutet, dass das Modell in diesem Grenzfall nicht mehr zutreffend ist.

In der Quantenmechanik wird zwischen Elementarteilchen (auch Punktteilchen genannt) und zusammengesetzten Teilchen unterschieden . Ein Elementarteilchen, wie beispielsweise ein Elektron , ein Quark oder ein Photon , besitzt keine bekannte innere Struktur. Ein zusammengesetztes Teilchen hingegen, wie ein Proton oder ein Neutron , hat eine solche innere Struktur. Aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation sind jedoch weder Elementarteilchen noch zusammengesetzte Teilchen räumlich lokalisiert . Das Wellenpaket eines Teilchens nimmt stets ein von null verschiedenes Volumen ein. Ein Beispiel hierfür ist das Atomorbital : Das Elektron ist zwar ein Elementarteilchen, aber seine Quantenzustände bilden dreidimensionale Strukturen.

Dennoch gibt es guten Grund dafür, dass ein Elementarteilchen oft als Punktteilchen bezeichnet wird. Selbst wenn ein Elementarteilchen ein delokalisiertes Wellenpaket besitzt, lässt sich dieses als Quantenüberlagerung von Quantenzuständen darstellen , in denen das Teilchen exakt lokalisiert ist. Darüber hinaus können die Wechselwirkungen des Teilchens als Überlagerung von Wechselwirkungen einzelner lokalisierter Zustände dargestellt werden. Dies gilt nicht für ein zusammengesetztes Teilchen, das niemals als Überlagerung exakt lokalisierter Quantenzustände dargestellt werden kann. In diesem Sinne können Physiker die intrinsische „Größe“ eines Teilchens diskutieren: die Größe seiner inneren Struktur, nicht die Größe seines Wellenpakets.

Experimentelle Belege zeigen beispielsweise für das Elektron, dass die Größe eines Elektrons kleiner ist als10−18  m . ^{[ 9 ]} (Dies sollte nicht mit dem klassischen Elektronenradius verwechselt werden , der trotz des Namens nichts mit der tatsächlichen Größe eines Elektrons zu tun hat. ⁾

• Testpartikel
• Brane
• Ladung (Physik) (allgemeines Konzept, nicht beschränkt auf elektrische Ladung )
• Standardmodell der Teilchenphysik
• Welle-Teilchen-Dualismus

• Cornish, FHJ (1965). „Klassische Strahlungstheorie und Punktladungen“. Proceedings of the Physical Society . 86 (3): 427–442 . Bibcode : 1965PPS....86..427C . doi : 10.1088/0370-1328/86/3/301 .
• Jefimenko, Oleg D. (1994). „Direkte Berechnung der elektrischen und magnetischen Felder einer sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden elektrischen Punktladung“. American Journal of Physics . 62 (1): 79–85 . Bibcode : 1994AmJPh..62...79J . doi : 10.1119/1.17716 .

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