home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / physics / 12984 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-08-18  |  3.6 KB

  1. Xref: sparky sci.physics:12984 sci.math:10375
  2. Newsgroups: sci.physics,sci.math
  3. Path: sparky!uunet!snorkelwacker.mit.edu!galois!zermelo!jbaez
  4. From: jbaez@zermelo.mit.edu (John C. Baez)
  5. Subject: Length scales in physics 3 - the classical electron radius
  6. Message-ID: <1992Aug18.175428.28189@galois.mit.edu>
  7. Sender: news@galois.mit.edu
  8. Nntp-Posting-Host: zermelo
  9. Organization: MIT Department of Mathematics, Cambridge, MA
  10. References: <1992Aug14.195651.22652@galois.mit.edu> <25518@dog.ee.lbl.gov> <1992Aug17.201159.19401@galois.mit.edu>
  11. Distribution: na
  12. Date: Tue, 18 Aug 92 17:54:28 GMT
  13. Lines: 70
  14.  
  15. Another characteristic length scale is the length scale at which 
  16. renormalization becomes really important.  Renormalization is an
  17. aspect of field theory which deals with such issues as the
  18. fact that the electromagnetic field produced by an electron has energy
  19. and thus should be counted as part of the mass of the electron!
  20. The length scale at which these effects become really important is
  21. called the classical electron radius.  It's important to note that it
  22. is really CLASSICAL, not quantum mechanical, because it only
  23. depends on classical electromagneticsm, which doesn't involve hbar, and 
  24. the formula for the rest energy of an electron, which involves c but not hbar. 
  25. Indeed, renormalization was an issue in classical field theory before quantum 
  26. field theory came along.
  27.  
  28. So the classical electron wavelength should just depend on the mass of
  29. the electron, its charge, and the speed of light.  Recall these have units
  30.  
  31. m = M
  32. e = L^{3/2}M^{1/2}/T
  33. c = L/T
  34.  
  35. so to get a length out of these we should form e^2/mc^2.  So, without
  36. doing any real work, we can guess
  37.  
  38. r_e = e^2/mc^2.
  39.  
  40. We can derive the classical electron radius by working out the
  41. electric field outside of a ball having charge equal to that
  42. of the electron, e, and radius L, then working out the energy of this
  43. electric field, and then setting that energy equal to the electron mass m.
  44. Solving for L we get a formula for the electron radius r_e.   In other
  45. words, the classical electron radius is the radius the electron would
  46. have to have for all of its mass to be due to the electric field it
  47. produced, assuming it was a charged shell.  Up to miscellaneous factors we get
  48.  
  49. r_e = e^2/mc^2,
  50.  
  51. of course; since the actual calculation is not very exciting I'll skip
  52. it.
  53.  
  54. It's worth noting that the classical electron radius is 1/137 as big
  55. as the Compton wavelength of the electron - the all-important fine
  56. structure constant again!  So we have 3 length scales:
  57.  
  58. Bohr radius r 
  59. Compton wavelength L_{compton} 
  60. Classical electron radius r_e
  61.  
  62. each of which is 1/137 as big as the previous one.  The Bohr radius
  63. depends only on hbar, e, and m.   The Compton wavelength depends only
  64. on hbar, c, and m.  The classical electron radius depends only on e,
  65. c, and m.  Nice set-up, huh?  I suppose I should relent and tell you
  66. that this mysterious number 1/137, the fine structure constant, is just 
  67.  
  68. e^2/hbar c.
  69.  
  70. It's a dimensionless constant depending only on hbar, e, and c.  In
  71. this respect it's more fundamental than any of the length scales
  72. mentioned, because all the length scales mentioned involve the
  73. electron mass, and one could work them out for particles other than
  74. the electron, whereas
  75.  
  76. e^2/hbar c
  77.  
  78. is truly universal, once you remember that the "electron charge" is
  79. nothing specific to the electron but is a basic aspect of
  80. electromagnetism that applies to all charged particles.  (Yes, quarks
  81. apparently have charge 1/3, but that doesn't really affect my point.)  In
  82. other words, the fine structure constant is a dimensionless measure of
  83. how strong the electromagnetic force is, and we have seen that it sets
  84. the ratio of 3 important length scales.
  85.