Proč je elektron záporně nabitý a jaký je rozdíl mezi zápornými a kladnými náboji?

V kvantové teorii elementárních částic (ve smyslu neredukovatelné reprezentace skupiny Poincare s hmotností $ m $ a spinem (helicita) $ s $), pokud dojíždí nějaký operátor $ \ hat {Q} $ vnitřní symetrie (jako náboj elektrického náboje) s hamiltoniánskou $ \ hat {H} $ dané teorie pole, musí existovat $$ [\ hat {Q}, \ hat {\ varphi} ^ {\ dagger} _ {A} (\ mathbf p)] | \ rangle = q_ {A} \ hat {\ varphi} ^ {\ dagger} _ {A} (\ mathbf p), \ quad [\ hat {Q}, \ hat {\ varphi} _ {A} (\ mathbf p)] | \ rangle = -q_ {A} \ hat {\ varphi} _ {A} (\ mathbf p). $$ Zde $ \ hat {\ varphi} ^ {\ dagger} (x) $ je pole, které vytváří částice, zatímco $ \ hat {\ varphi} (x) $ je pole, které vytváří antičástice.

Takže vidíte dvě skutečnosti: částice má náboj, který se rovná náboji odpovídající antičástice se znaménkem minus; nastavení znaménka náboje částice je formální. Pozitronový náboj můžeme nastavit jako záporný, fyzika se nezmění.

Poplatek je pouze měřítkem interakce. Podívejme se na to na jednoduchém příkladu.

Víme, že existuje interakce mezi dvěma elektrony, které nelze popsat jako gravitační (jsou odpuzovány). Také víme, že proton a elektron jsou přitahovány (tuto interakci také nelze „popsat jako gravitační, protože je silnější než ona). Pak víme, že tato interakční síla v nejjednodušším případě coinides se zákonem $ \ frac {1} {r ^ {2}} $ a míra interakce je v čase konstantní. Teorii musíme budovat s těmito vlastnostmi. Náboj dané částice, jako (pro zjednodušení) hmotnost v případě gravitační interakce, nám říká o její účasti v interakci.

Komentáře

• Položil jsem podobnou otázku před několika měsíci v naději, že budu mít nějaký přehled. Zdá se, že ' nemáme " gravitaci-ohýbání-časoprostoru " zatím vysvětlení poplatku. Můžeme popsat Co, ale ne proč. Skvělá celková otázka!
• Váš první odstavec by mohl některé čtenáře vystrašit, ale ostatní jsou opravdu dobří.+1
• @Shookster Teorie obecné relativity je výjimkou ve svém vzhledu, protože se objevila dlouho předtím, než existovaly nějaké údaje, které by potvrdily její předpovědi. PROČ otázky ve fyzice týkající se základních definic končí na postulátech a zákonech, které je třeba předpokládat, aby matematický model odpovídal existujícím údajům a předpovídal nová pozorování. Pro matematický model byly vybrány postuláty a zákony jako další axiomy, protože omezují matematiku na pozorování a správné předpovědi. Jedním z implicitních postulátů z dat je existence dvou protilehlých poplatků.

Pokud znovu označit všechny kladné elektrické náboje za záporné a naopak, při zachování jejich absolutní hodnoty by byla výsledná fyzika stejná. Přesná volba je tedy pouze věcí konvence.

Záleží pouze na tom, že elektrický náboj protonu a elektronu je opačný ($ Q_ \ text {proton} = – Q_ \ text {elektron} $). Poplatek je aditivní, což znamená, že pokud máte jeden systém s poplatkem $ Q_1 $ a jiný systém s poplatkem $ Q_2 $, kombinovaný systém má poplatek $ Q_1 + Q_2 $ (součet těchto poplatků).

Náboj elektronu je opačný než náboj protonu, takže kombinace stejného počtu protonů a elektronů má celkový náboj nula, tj. je elektricky neutrální. Jedna taková kombinace (až do dalších dalších částic (neutronů)) je obvyklý (neionizovaný) atom.

je představen koncept elektrického náboje k vysvětlení experimentů (původně ze statické elektřiny). Zjistilo se, že jsou nutné pouze dva typy poplatků a pro jejich rozlišení a pro rozlišení mezi nimi jsou uvedeny štítky. Nejvýhodnější označení je kladné a záporné (má určité matematické výhody). Je čistou konvencí, že protonům je přiřazen kladný náboj a elektronům je přiřazen záporný.

Je zjištěno, že všechny náboje stejného typu se navzájem odpuzují, zatímco náboje různých typů se navzájem přitahují.

Zdá se, že všechny částice jsou seskupeny do dvou odlišných polarit na základě způsobu přitahování nebo odpuzování. O těch částicích odpuzujících jeden druhého se říká, že mají podobné náboje. Ti, kteří se navzájem přitahují, mají různé poplatky. Být kladným nebo záporným nábojem je věcí konvence, kterou již přijala světová vědecká komunita.

Poplatek je vlastnost vlastněná tělem, když existuje vnitřní nerovnováha počtu částic nesoucích různé polarity na základě přitažlivosti nebo odpuzování.