Jsou protony větší než elektrony?

Kvantové mechanické částice mají přesně definované hmotnosti, ale nemají přesně definované velikosti (poloměr, objem atd.) V klasický smysl. Existuje několik způsobů, jak můžete částice přiřadit délkovou stupnici, ale pokud o nich uvažujete jako o malých kuličkách s dobře definovanou velikostí a tvarem, pak děláte chybu.

de Broglie Wavelength: Částice, které procházejí malými otvory, vykazují vlnové chování s charakteristickou vlnovou délkou danou $$ \ lambda_ {dB} = \ frac {h} {mv} $$ , kde $ h $ je Planckova konstanta, $ m $ je hmotnost částice a $ v $ je rychlost částice. Nastavuje délkovou stupnici, při které se stávají důležité kvantové efekty, jako je difrakce a interference. Ukazuje se také, že pokud je průměrná vzdálenost mezi částicemi v ideálním plynu řádově $ \ lambda_ {dB} $ nebo menší, klasická statistická mechanika se rozpadne ( např. entropie se rozbíhá na $ – \ infty $ ).

Comptonská vlnová délka: Jedním ze způsobů, jak měřit polohu částice, je vyslat laser do oblasti, o které si myslíte, že bude. Pokud se foton rozptýlí z částice , můžete foton detekovat a vystopovat jeho trajektorii zpět, abyste určili, kde se částice nacházela. Rozlišení měření jako toto je omezeno na vlnovou délku použitého fotonu, takže fotony s menší vlnovou délkou přinášejí přesnější měření.

Avšak v určitém bodě by se energie fotonu rovnala hmotné energii částice. Vlnová délka takového fotonu je dána $$ \ lambda_c = \ frac {hc} {mc ^ 2} = \ frac {h} {mc} $$ Beyond v tomto měřítku přestává být měření polohy přesnější, protože srážky foton-částice začínají vytvářet páry částic a antičástic.

“ Klasický “ Rádius: Pokud chcete komprimovat celkové množství elektrického náboje $ q $ do sféry o poloměru $ r $ , vyžaduje energii zhruba rovnou $ U = \ frac {q ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 r} $ (toto je vypnuto faktorem 3/5, ale nevadí – díváme se jen na řády). Pokud nastavíme která se rovná zbytkové energii $ mc ^ 2 $ (nabité) částice, najdeme $$ r_0 = \ frac {q ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 mc ^ 2} $$ Toto se někdy nazývá klasický poloměr částice s nábojem $ q $ a mass $ m $ . Ukazuje se, že toto je stejného řádu jako Thompsonův rozptyl průřezu, a proto je tato délková stupnice relevantní při zvažování rozptylu nízkoenergetických elektromagnetické vlny mimo částice.

Poloměr nabití: Pokud modelujete částici jako sférickou “ cloud “ elektrického náboje, pak můžete provádět mimo jiné velmi přesné experimenty s rozptylem, abyste zjistili, jakou efektivní velikost má tento nábojový cloud. Výsledek se nazývá poloměr nabití částice a je velmi relevantní délkovou stupnicí, kterou je třeba vzít v úvahu, pokud uvažujete o jemných detailech elektromagnetické interakce částice . Poloměr náboje v zásadě vzniká ve složených částicích, protože jejich nabité složky zaujímají nenulovou oblast vesmíru. Poloměr náboje protonu je způsoben kvarky, z nichž je složen, a bylo naměřeno, že je přibližně $ 0,8 $ femtometers; na druhé straně není známo, že by elektron byl složenou částicou, takže jeho poloměr náboje by byl nulový (což odpovídá měření).

Excitační energie: Vlnová délka fotonu je dána další délkovou stupnicí, jejíž energie je dostatečná k excitaci vnitřních složek částice do stavu vyšší energie (např. Vibrace nebo rotace) ). Elektron je (pokud víme) elementární, což znamená, že nemá žádné složky k excitaci; ve výsledku je velikost elektronu také tímto opatřením nulová. Na druhou stranu může být proton excitován do a Delta baryon fotonem s energií $ E \ cca 300 $ MeV, což odpovídá velikosti $$ \ lambda = \ frac {hc} {E} \ cca 4 \ text {femtometers} $$

V první tři příklady, všimněte si, že hmotnost částice se objevuje ve jmenovateli; to znamená, že pokud jsou všechny ostatní věci stejné, budou masivnější částice odpovídat menším délkové stupnice (alespoň podle těchto měr). Hmotnost protonu je jednoznačně větší než hmotnost elektronu o faktor přibližně 1,836 . Výsledkem je, že de Broglieho vlnová délka, Comptonova vlnová délka a klasický poloměr protonu jsou menší než u elektronu stejným faktorem. To vyvolává otázku, odkud pocházel skromný 2,5násobný nárok.

Rychlé vyhledávání google ukazuje, že se tento nárok objevuje na webu AlternativePhysics.org. Je třeba zdůraznit, že klasický výše uvedený poloměr elektronů je 2,5krát větší než “ měřený “ poloměr protonu – čímž se rozumí měřený poloměr poloměr protonu náboj . To je pravda, ale nijak zvlášť smysluplné – protože jsou to kvantově mechanické objekty, ani elektron, ani proton nemají poloměr v tom smyslu, jaký má klasický mramor. Porovnáním dvou částic pomocí dvou zcela odlišných měřítek velikosti je srovnání jablek s pomeranči.

Na závěr bych vás rád upozornil, abyste si nevzali ani jeden z tvrzení, která najdete na AlternativePhysics.org vážně. Chcete-li si vypůjčit rčení od lékařské komunity, existuje název podmnožiny “ alternativní fyziky „, který ve skutečnosti dává smysl. s názvem fyzika .

Komentáře

• @ my2cts Proton nemá poloměr, protože to není malá koule. Máte na mysli poloměr náboje – další způsob, jak kvantovému objektu přiřadit velikost. Je to nejrelevantnější opatření pro mnoho experimentů, ale rozhodně není jediné možné.
• @ my2cts I ‚ určitě někteří odborníci pracují v oblasti, kde rádius náboje je užitečný … a ostatní pracují v oblasti, kde je užitečná Comptonova vlnová délka.
• @ my2cts to je zvláštní argument. Lidé pracující na poloměru náboje protonu samozřejmě hovoří o poloměru náboje protonu a nikoli o žádném jiném měřítku velikosti protonu, a protože ‚ je relativně slavný problém, ‚ co Google implicitně nastavuje. Neznamená to ‚, že jiná měřítka velikosti protonů jsou “ nesprávná „. Mimochodem pracuji v laboratoři, kde bylo provedeno jedno z těchto měření (i když v jiném experimentu).
• @ my2cts – k nesprávným věcem jste skeptičtí. Článek z Wikipedie, na který jste odkazovali, ve skutečnosti říká, že ‚ hovoří o poloměru náboje (z čehož vyplývá, že můžete hovořit o dalších druzích poloměrů).A ve skutečnosti je tam ‚ sa odkaz na článek na Wikipedii o Charge Radius, který jasně uvádí “ ani atomy, ani jejich atomy jádra mají určité hranice “ (všimněte si, že to zahrnuje jádro vodíku – což je jen proton). Což znamená, že musíte definovat to, čím ‚ budete mít poloměr. O ničem z toho není ‚ nic kontroverzního.
• @ my2cts Zvažte toto: Atmosféra Země ‚ také nefunguje ‚ Nemají určitou hranici, jen se vytratí do vesmíru. Jeho nejvzdálenější část ve skutečnosti možná dosahuje za Měsíc . Jak tedy definujete jeho tloušťku? Pokud vezmete mezní hodnotu na 99% hmoty, je ‚ tlustá asi 31 km. Pokud zvolíte značku 99,9%, je to ‚ s 42 km. Pokud vezmete 99,99997%, je to ‚ s 100 km, počátek vesmíru podle mezinárodní konvence . Ale ‚ je tu ještě klidná atmosféra. Pokud si představíte, že má jednotnou hustotu, takže má určitou hranici, je to ‚ jen asi 8,5 km. Podobný druh věcí s částicemi

Po přečtení dobré poslední odpovědi Vladim je také důležité atom nemá přesně definovaný objem. Zacházení s elektrony a protony jako s dokonalými koulemi s rovnoměrnou hmotnostní hustotou není úplně správné. Vezměte prosím na vědomí, že zatímco klasická měření mohou dát elektron asi 2,5násobku průměru protonu (citace, která by byla hezká – máte na mysli klasický poloměr elektronu?), Hmotnost protonu je 2000 násobek hmotnosti elektronu.

Hmotnost elektronu je obecně 9,1 $ krát 10 ^ {- 31} kg $ , zatímco hmotnost elektronu proton je 1,67 $ \ krát 10 ^ {- 27} kg $ . “ Velikost “ a hmotnost nejsou stejné.

Komentáře

• Atomy mají dobře definovaný objem, ale záleží to na chemii. Například atom sodíku v kovu za pokojových podmínek má objem ~ 0,4 nm $ ^ 3 $.
• @ my2cts Je to tak ‚ s obecně zobrazeno? Mně to připadá trochu jako říkat, že auto v garáži má velikost 45m3, protože 3m vysoké 750m2 parkovací místo má místo pro 50 aut. I ‚ ale nejsem žádný odborník, možná to má pro atomy smysl.
• @ my2cts je to všechno, co je pedantství a rozporuplnost opravdu nutné? O jaký bod se ‚ snažíte?
• @ my2cts Pneumatika pro automobily má velmi dobře definovaný objem. Všechny klasické objekty mají dobře definovaný tvar / hranici / hrany atd. Vaše logika by naznačovala, že řekněme plážový míč nemá dobře definovaný objem, protože bych z něj mohl vypustit vzduch. Ne. ‚ s objem je $ 4/3 \ pi r ^ 3 $.
• @Foo Bar Někdy je užitečné definovat atomové nebo iontové objemy. Výrok, že atom nemá dobře definovaný objem, není vždy užitečný. Argumentuji proti příliš sebevědomým prohlášením, protože můžu. Žádné dogmy. Svým posledním komentářem porušujete pravidla fóra.

Proton je složená částice s poloměr asi 0,8-0,9 femtometrů. Tato hodnota se získává z rozptylu a spektroskopických dat, která jsou citlivá na detaily coulombova potenciálu ve velmi malém měřítku.

Všichni víme, že elektron je bodová částice . Nebyly nalezeny žádné vnitřní stupně volnosti kromě otáčení a data rozptylu jsou v souladu s horní mezí pro poloměr $ 10 ^ {- 18} $ m (z wikipedie, ale s nefunkční odkaz jako odkaz). Nevyřešenou otázkou je, že vlastní energie EM se pro bodovou částici rozchází. Pro poloměr 2,8 femtometru je tato vlastní energie již rovna hmotnosti elektronu, a proto je tato hodnota známá jako (Thomsonův) poloměr elektronu. Právě toto číslo způsobilo váš zmatek.

Faktem tohoto tvrzení je, že masy protonů a neutronů jsou asi 2000krát větší než u elektronů. Hmota je objektivnější a trvalejší charakteristikou částice než její velikost (která je často definována jako rozsah její vlnové funkce a může se za různých okolností výrazně lišit).

Komentáře

• děkuji za odpověď … ale přemýšlejte o tom tímto způsobem – hmotnost částice je přímo úměrná jejímu objemu, který je také přímo úměrný poloměru …Takže ‚ nevidím, jak za každých okolností může být poloměr elektronu větší než poloměr protonu
• @ alienare4422 je také přímo úměrná poloměru Ne, není.
• @ alienare4422 Hmotnost částice je úměrná jejímu objemu, pouze pokud předpokládáte, že částice mají konstantní hustoty, že tyto hustoty jsou stejné pro všechny částice a že hustota částic je za všech okolností stejná. Nic z toho není pravda, zejména v kvantovém světě.

Dovolte mi, abych vám dal šílený nápad že poloměr elektronu a protonu je pevný, ale složitý, kde skutečná část je průměr a imaginární část je směrodatná odchylka. Poté klasický poloměr elektronu a protonu určuje střední hodnotu a hodnota střední kvadratické hodnoty je proměnlivá ve svém významu. Poloměr elektronu je bodově při vysokých energiích, když jsou aplikovány relativistické korekce, a rozptyl průřezu je úměrný druhé mocnině klasického poloměru elektronů.

Vzorec pro rozptyl průřezu fotonu elektronem není třeba jej regulovat a určuje rozptyl průřezu $$ Re \ sigma = \ sigma (0) – \ sigma (\ infty) = \ frac {8} {3} \ pi r_e ^ 2; \ sigma (x) = \ sigma (\ frac {\ hbar \ omega} {mc ^ 2}) $$ V tomto případě je poloměr v komplexní formě $$ R_e = r_e (1 \ pm \ sqrt {(Re \ sigma- \ pi r_e ^ 2) / \ pi} i) = r_e (1 \ pm 1,29i) $$ jeho modul určuje průřez rozptylu $$ | R_e | = r_e | 1 \ pm1.29i | = 1.63r_e = \ sqrt {\ frac {8} {3}} r_e $$ rozpětí> Vzorce pro průřez rozptylu elektronu elektronem a zničení elektronu a pozitronu za vzniku dvou fotonů vyžadují regularizaci. Parametr regularizace musí být zvolen tak, aby se velikost elektronu shodovala s velikostí elektronu, když je foton rozptýlen elektronem. Ukázalo se, že tyto tři vzorce stejně určují velikost elektronu.

Pro velikost elementárních částic neexistuje jednoznačná hodnota. Elementární částice nemají konečnou velikost a je nemožné určit jednoznačnou konečnou velikost podle jejich náboje. Pro elektron existují rozptylové průřezy různých reakcí a s jejich pomocí jsem byl schopen určit složitou velikost elektronu. Složitá velikost elektronu je určena až k imaginární části. U protonu to nelze provést, protože neexistují žádné vzorce popisující průřezovou plochu reakcí. Jaderné síly nejsou popsány poruchovou teorií, proto se provádí pouze měření a neexistují žádné teoretické vzorce. Klasický poloměr elektronu je větší než klasický poloměr protonu. Ale to nic neznamená, velikost protonu není známa.