Как электрон получает заряд?

Ваш вопрос касается вопроса онтологии в физике элементарных частиц. Исторически мы привыкли думать о частицах как о крошечных независимых объектах, которые ведут себя в соответствии с некоторыми законами движения. Это проистекает из атомистической теории материи, которая была разработана около двух тысяч лет назад из отправной точки того, что произойдет, если мы сможем разделить материю на все более мелкие части. Древние греки пришли к выводу, что этому расщеплению должен быть предел, отсюда и родилась гипотеза об атоме.

Конечно, это была всего лишь философская идея, пока примерно в начале 19-го века мы не научились заниматься химией настолько хорошо, что стало очевидно, что мельчайшие куски, на которые можно разделить материю, представляют собой атомы таблицы Менделеева. Спустя сто лет мы поняли, что атомы можно еще больше разделить на ядра и электроны. Что не изменилось, так это идея о том, что каждый кусок имеет свое собственное независимое существование.

Эта идея столкнулась с глубоким кризисом в начале 20-го века, когда мы открыли первые эффекты квантовой механики. Оказывается, атомы, ядра и электроны ведут себя совсем не так, как маленькие кусочки обычной материи. Вместо этого они ведут себя совершенно по-другому, настолько по-разному, что человеческому воображению трудно уследить за их динамическими свойствами.

Некоторое время мы находились в подвешенном состоянии относительно нашего описания природы в микроскопическом масштабе. Казалось, что мы можем цепляться за какую-то теорию «небольшого странного бильярдного шара с массой, зарядом, вращением и т. д.» для электронов, но со временем это становилось все более безнадежным. В конце концов мы открыли квантовую теорию поля, которая полностью отказывается от описания частиц, и вместе с этим исчезли все онтологические проблемы прошлого века.

Итак, каков новый способ описания природы? Это описание поля, которое предполагает, что Вселенная пронизана ОДНИМ квантовым полем (вы можете разделить его на несколько компонентов, если хотите). Это квантовое поле имеет локальные свойства, которые описываются квантовыми числами, такими как заряд. Это единственное квантовое поле подчиняется квантово-механическому уравнению движения, которое гарантирует, что некоторые свойства, такие как заряд, вращение, угловой момент и т. д., могут изменяться только в целых (или полуцелых) количествах (в случае заряда это на самом деле в количествах 1). /3 и 2/3, но это исторический артефакт). Более того, это поле подчиняется правилам симметрии, оставляющим полную сумму некоторых из этих величин неизменной или почти неизменной. В частности, заряды могут создаваться на этом поле только парами, так что общий заряд остается нулевым.

Итак, теперь мы можем ответить на ваш вопрос на языке квантового поля: электрон получает свой заряд благодаря полю, позволяющему создавать одно состояние с положительным зарядом и одно состояние с отрицательным зарядом одновременно, оставляя его общий заряд равным нулю. Этот процесс требует некоторой энергии, в случае пары электрон-позитрон чуть более 1 МэВ. Любое другое свойство, необходимое для уникальной характеристики электрона, создается аналогичным образом и в то же время. Таким образом, зоопарк элементарных частиц есть не что иное, как список возможных комбинаций квантовых чисел квантового поля. Если его нет в списке, природа его не сделает (по крайней мере, не в форме реального состояния частицы). Наш список, конечно, в лучшем случае неполный. Есть много причин полагать, что существуют комбинации квантовых чисел, которые мы еще не наблюдали.

Я отвечу на вторую часть вашего вопроса об эффективной массе и квазичастицах, так как вижу, что CuriousOne ответил на остальные лучше, чем я мог бы.

В металле или полупроводнике электрон не находится в том свободном состоянии, в котором он находился бы в вакууме. Он связан (хотя и делокализован внутри) с решеткой положительных ионов. Таким образом, его соотношение дисперсии отличается от соотношения дисперсии, которое было бы в свободном пространстве.

Однако он может почти свободно перемещаться внутри решетки, поэтому на масштабах длины, которые велики по сравнению с периодом решетки, и пока мы не находимся слишком близко к краям решетки, его реакция на электрические и магнитные поля очень похожа на что это было бы для тех же полей в свободном пространстве, но, поскольку существует другое соотношение дисперсии из-за присутствия решетки, он ведет себя так, как если бы у него была совсем другая эффективная масса (т. е. его ускорение в присутствии электрических полей равно$q\,\vec{E}/m_{eff}$и что в присутствии магнитных полей$q\,\vec{v}\times \vec{B}/m_{eff}$), где$m_{eff}$отличается от массы покоя электрона в свободном пространстве. В зависимости от зонной структуры эффективная масса может даже стать отрицательной ( т.е. реагировать на электромагнитные поля в смысле, обратном нормальному). Это слово «эффективная масса» здесь характеризует реакцию электронов на поля; не масса покоя характеризует низкоскоростное энергосодержание электрона ( т.е.$m$в$E^2-p^2 c^2 = m^2 c^4$).

Я не специалист по полупроводникам/электронам, но слово «квазичастица» используется двумя разными способами, о которых я знаю. Первый возникает при квантовании теории акустических колебаний, и фонон для этой квантованной механической теории колебаний решетки является тем же, чем фотон .относится к квантованному электромагнитному полю ("вибрации"). Второе использование, вероятно, больше относится к электрону в решетке и относится к «частицам», которые представляют собой квантовые суперпозиции некоторой фундаментальной свободной частицы и состояния, в котором она связана, поглощается или взаимодействует с чем-то. Казалось бы, это имеет смысл в контексте электрона в решетке. Например, в диэлектрических материалах, плазме или других материалах нет чистых фотонов и чистого света, вместо этого есть квантовые суперпозиции свободных фотонов и возбужденных состояний диэлектрической материи. Поэтому правильнее называть квант этого возмущения «квазичастицей», а в случае фотона его называют по-разному поляритоном, экситоном или плазмоном,

Ну электрон получает свой заряд, взаимодействуя с электромагнитным полем. Взаимодействуя с электромагнитным полем, электрон может передавать свой заряд другим частицам, например фотонам. Это позволяет электрону узнать, находится ли другая заряженная частица, например, протон. Это заставит электрон притягиваться к протону.