¿Cómo disparan los científicos un electrón a la vez?

En una disposición típica de pistola de electrones, la intensidad puede reducirse reduciendo la corriente en el filamento termoiónico, hasta que solo aparezca un electrón en la pantalla, en cualquier intervalo de tiempo pequeño.

Para empezar, parecen formar un patrón aleatorio de puntos en la pantalla, pero después de que han aparecido miles de ellos, puede ver bandas brillantes definidas y bandas oscuras de un patrón de difracción o interferencia en la pantalla, dependiendo de la disposición.

Estos resultados implican que un solo electrón puede superponerse e interferir consigo mismo. Entonces, aunque el electrón podría haber tomado una trayectoria particular, las ondas de probabilidad toman todos los caminos posibles entre la fuente y la pantalla, lo que determina la probabilidad de que el electrón llegue a un punto particular.

Estas ondas son ondas de probabilidad, por lo que solo pueden existir en el espacio matemático. Existe entonces una correspondencia de probabilidad entre estas ondas y el electrón. El aspecto ondulado del sistema no es una explicación causal de los resultados. Es un modelo descriptivo, matemático del comportamiento del electrón. Al refinar estos modelos, podemos usarlos para predecir el comportamiento de las partículas en situaciones novedosas. Este es un ejemplo del comportamiento completamente básico de las partículas, y no puede explicarse en términos de nada más básico.

Si las partículas no se comportaran de esta manera, los átomos y las moléculas no existirían, y la física de las partículas sería completamente diferente.

Mira a tu alrededor. Si no fuera por este extraño comportamiento de las partículas, su entorno sería completamente diferente. En lugar de superficies duras, no habría más que un plasma de baja densidad de partículas fundamentales. Los organismos biológicos ciertamente no existirían, y si los individuos existieran, serían entidades completamente extrañas, formadas por nubes difusas de partículas elementales, sin ninguna integridad física. Por lo tanto, este comportamiento básico de las partículas es absolutamente crucial para la composición física del universo.

Para darle una idea general de lo que los físicos están haciendo en los aceleradores de partículas, imagine que está comenzando un juego de billar:

Lanzas la señal hacia las bolas para poner la mesa. Cuando la bola blanca golpea las bolas en el centro de la mesa, todas salen volando en direcciones aleatorias.

Ahora imagine que está haciendo lo mismo otra vez, excepto que esta vez no puede ver cómo se ven inicialmente las bolas en la mesa, solo está disparando la bola blanca en el centro de la mesa de billar. Después, ves todas las bolas rodando en direcciones aleatorias.

Ahora, usando el conocimiento de la velocidad de cada una de las bolas, intente reconstruir cómo se veía la disposición original (la formación triangular).

Esto es análogo a lo que hacen los físicos en los aceleradores de partículas. Básicamente, se disparan partículas entre sí y miden el resultado de sus interacciones, ya sean colisiones (en el caso del experimento de la lámina de oro) u otros fenómenos más complicados.

Los experimentos realizados en todos los aceleradores de partículas en realidad no disparan una partícula a la vez, sino más bien un haz de partículas. Utilizando instrumentos de medición, recopilan datos sobre el resultado de estas colisiones, y utilizando modelos estadísticos reconstruyen lo que sucedió.

En general, solo hacemos un haz de muchos electrones y luego disminuimos la intensidad hasta que solo llegan a nuestros detectores de vez en cuando. Contrariamente a lo que afirma Marty, estos son seguramente electrones individuales.

Si desea determinar la hora de llegada por adelantado (en lugar de simplemente “tomar lo que viene” estocástico), primero debe aislar un solo electrón en una trampa Penning, asegúrese de que realmente sea un solo electrón (esto tiene hecho en U. Wash. y en otros lugares) y luego sáquelo de la trampa en un acelerador (o lo que sea) cuando quiera “verlo”. Realmente no puedo pensar en un motivo, pero esto debería funcionar.

Estoy bastante seguro de que no pueden. Y estoy bastante seguro de que no pueden disparar un fotón a la vez. Una vez escribí un artículo llamado “No hay tiradores de guisantes para fotones” sobre este tema … lo encontrarás si buscas en Internet.

El problema es que muchos de los experimentos de pensamiento alucinantes en mecánica cuántica se basan en la idea de disparar un fotón a la vez, especialmente la famosa paradoja de Bell (en realidad son dos fotones entrelazados). Pero en realidad, ninguno de esos experimentos se realiza de la manera en que se representan en las explicaciones simples. Hay algo llamado conversión descendente paramétrica que se supone que produce pares de fotones enredados, pero solo se puede saber mucho más tarde de las estadísticas de detección … supuestamente.

Sé que habrá un coro de personas negativas que saltan para demostrar que sí, puedes disparar un electrón a la vez, y fue hecho por tal y tal y escrito en tal y tal artículo publicado en 2014 Debe sospechar de esas afirmaciones. Recuerde, la gente ha estado hablando de estos experimentos de un fotón a la vez desde la década de 1920. Alguien siempre publica un artículo que dice haberlo hecho, pero ninguno de ellos lo hace. La prueba es que incluso ahora la gente sigue afirmando ser la primera en haberlo hecho.

Y sí, puede tomar un haz de electrones o un haz de luz y hacerlo tan débil que si detecta una partícula, “debe” ser una por vez. Pero ese es un experimento muy diferente, y por todo tipo de razones no te permite probar esas paradojas alucinantes. De hecho, no hay tiradores de guisantes para fotones.

Si fuera yo, explotaría alguna combinación de cuatro opciones.

  1. Utilizando el efecto fotoeléctrico, atenúe la fuente de luz sobre el emisor de electrones para reducir la tasa de flujo de electrones.
  2. Reduzca el voltaje del cátodo en el rango de corte y explote la incertidumbre (debido al calor ambiental) de la energía cinética de electrones en la banda de conducción del emisor.
  3. Atenúe el flujo de electrones poniendo algunas cosas en el camino.
  4. Controle la temperatura ambiente del emisor con un calentador. (ver # 2)