Ovatko protonit isompia kuin elektronit?

Kvanttimekaanisilla hiukkasilla on hyvin määritellyt massat, mutta niillä ei on tarkkaan määritellyt koot (säde, tilavuus jne.) klassisessa mielessä. On olemassa useita tapoja, joilla voit määrittää pituusasteikon hiukkaselle, mutta jos ajattelet niitä pieninä palloina, joilla on hyvin määritelty koko ja muoto, teet virheen.

de Broglie Aallonpituus: Pienien aukkojen läpi kulkevilla hiukkasilla on aallonpurkautumiskäyttäytymistä, ja niiden ominaiskäyrän aallonpituuden antaa $$ \ lambda_ {dB} = \ frac {h} {mv} $$ missä $ h $ on Planckin vakio, $ m $ on hiukkasen massa ja $ v $ on hiukkasen nopeus. Tämä asettaa pituusasteikon, jolla kvanttiefektit, kuten diffraktio ja interferenssi, tulevat tärkeiksi. On myös käynyt ilmi, että jos ihanteellisen kaasun hiukkasten keskimääräinen etäisyys on $ \ lambda_ {dB} $ tai sitä pienempi, klassinen tilastomekaniikka hajoaa ( esim. entropia poikkeaa $ – \ infty $ ).

Comptonin aallonpituus: Yksi tapa mitata hiukkasen sijainti on loistaa laser alueelle, jolla luulet hiukkasen olevan. Jos fotoni sirtaa hiukkasen pois , voit havaita fotonin ja jäljittää sen liikeradan taaksepäin saadaksesi selville hiukkasen sijainnin. tämä rajoittuu käytetyn fotonin aallonpituuteen, joten pienemmillä aallonpituuksilla fotonit tuottavat tarkempia mittauksia.

Kuitenkin tietyssä vaiheessa fotonin energia olisi yhtä suuri kuin hiukkasen massaenergia. Tällaisen fotonin aallonpituuden antaa $$ \ lambda_c = \ frac {hc} {mc ^ 2} = \ frac {h} {mc} $$ Beyond tässä mittakaavassa sijainnin mittaus lakkaa olemasta tarkempi, koska fotoni-hiukkas törmäykset alkavat tuottaa hiukkanen ja hiukkasten pareja.

” Klassinen ” Säde: Jos haluat pakata sähkövarauksen kokonaismäärän $ q $ palloon, jonka säde on $ r $ , se vie energiaa suunnilleen yhtä suureksi kuin $ U = \ frac {q ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 r} $ (tämä on poissa kertoimella 3/5, mutta ei koskaan – katsomme vain suuruusluokkia). Jos asetamme joka on yhtä suuri kuin (ladatun) hiukkasen loppuenergia $ mc ^ 2 $ , löydämme $$ r_0 = \ frac {q ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 mc ^ 2} $$ Tätä kutsutaan joskus nimellä klassinen säde hiukkaselle, jonka varaus $ q $ ja massa $ m $ . On käynyt ilmi, että tämä on samaa suuruusluokkaa kuin Thompsonin sironta poikkileikkaus, joten tämä pituusasteikko on merkityksellinen, kun otetaan huomioon matalan energian sironta sähkömagneettiset aallot pois hiukkasista.

Lataussäde: Jos mallinnat hiukkasen pallomaisena ” cloud ” sähkövaraus, voit suorittaa erittäin tarkkoja sirontakokeita (muun muassa) selvittääksesi, mikä tehokas koko tällä latauspilvellä on. Tulosta kutsutaan hiukkasen lataussäteeksi , ja se on erittäin tärkeä pituusasteikko, joka on otettava huomioon harkittaessa hienoja yksityiskohtia siitä, miten hiukkanen toimii sähkömagneettisesti. . Pohjimmiltaan lataussäde syntyy komposiittihiukkasista, koska niiden varautuneet komponentit vievät nollasta poikkeavan avaruusalueen. Protonin lataussäde johtuu kvarkeista, joista se koostuu, ja sen on mitattu olevan noin 0,8 $ $ femtometriä; toisaalta elektronin ei tiedetä olevan komposiittihiukkasia, joten sen varaussäde olisi nolla (mikä on sopusoinnussa mittausten kanssa).

Viritysenergia: Vielä yksi pituusskaala saadaan fotonin aallonpituudesta, jonka energia riittää herättämään hiukkasen sisäiset osat korkeampaan energiatilaan (esim. Tärinä tai pyöriminen) ). Elektroni on (sikäli kuin tiedämme) elementaarinen, mikä tarkoittaa, että sillä ei ole mitään aineosia, jotka herättävät; sen seurauksena elektronin koko on myös nolla tällä mittauksella. Toisaalta protoni voidaan virittää a Delta-barioni fotonilla, jonka energia $ E \ noin 300 $ MeV vastaa kokoa $$ \ lambda = \ frac {hc} {E} \ noin 4 \ teksti {femtometers} $$

kolme ensimmäistä esimerkkiä, huomaa, että hiukkasen massa näkyy nimittäjässä; tämä tarkoittaa, että kaikkien muiden asioiden ollessa yhtä suuret, massiivisemmat hiukkaset vastaavat pienempää pituusasteikko (ainakin näillä mitoilla). Protonin massa on yksiselitteisesti suurempi kuin elektronin kertoimella, joka on noin 1 836 . Tämän seurauksena protonin de Broglien aallonpituus, Comptonin aallonpituus ja klassinen säde ovat pienempi kuin elektronin sama tekijä. Tämä herättää kysymyksen siitä, mistä niukka 2,5x-vaatimus tuli.

Nopea google-haku osoittaa, että tämä vaatimus näkyy sivustossa AlternativePhysics.org. Totean, että edellä mainittu klassinen elektronisäde on 2,5 kertaa ” mitattu ” protonin säde – jolla ne tarkoittavat mitattua protoni lataus -säde. Tämä on totta, mutta ei erityisen merkityksellistä – koska kvanttimekaaniset objektit, elektronilla tai protonilla ei ole sädettä siinä mielessä kuin klassisella marmorilla. Kahden hiukkasen vertaaminen kahdella täysin erilaisella kokomittarilla on omenoiden ja appelsiinien vertaaminen.

Viimeisenä huomautuksena haluan varoittaa teitä ottamasta esiin myöskään AlternativePhysics.org -sivustolta löytyviä väitteitä. vakavasti. Jos haluat lainata sanan lääkäriyhteisöltä, siellä on nimi ” vaihtoehtoisen fysiikan ” osajoukolle, jolla on todellakin järkeä. Se ” nimeltään fysiikka .

Kommentit

• @ my2cts Protonilla ei ole sädettä, koska se ei ole pieni pallo. Tarkoitat lataussädettä – vielä yksi tapa määrittää koko kvanttiobjektille. Se on tärkein mitta monissa kokeissa, mutta ei varmasti ainoa mahdollinen.
• @ my2cts I ’ olen varma, että jotkut asiantuntijat työskentelevät alueella, jolla lataussäde on hyödyllinen … ja muut työskentelevät alueella, jolla Comptonin aallonpituus on hyödyllinen.
• @ my2cts tämä on outo argumentti. Tietenkin protonin varaussäteellä työskentelevät ihmiset puhuvat protonin varaussäteestä eikä mistään muusta protonin koon mittauksesta, ja koska se ’ on suhteellisen kuuluisa ongelma, se ’ s mitä Google oletuksena käyttää. Se ei tarkoita ’ t, että muut protonikoon mittarit ovat ” virheellisiä ”. Työskentelen laboratoriossa, jossa muuten yksi näistä mittauksista tehtiin (tosin toisessa kokeessa).
• @ my2cts – epäilet epäilevästi vääriä asioita. Linkittämäsi Wikipedia-artikkeli todellakin sanoo, että ’ puhutaan lataussäteestä (mikä tarkoittaa, että on muitakin säteitä, joista voit puhua).Itse asiassa siellä on ’ sa linkki Wikipedian lataussädettä käsittelevään artikkeliin, jossa ei selvästi ilmoiteta ” ei atomeja eikä niiden atomeja ytimillä on tarkat rajat ” (huomaa, että tämä sisältää vedyn ytimen – joka on vain protoni). Mikä tarkoittaa, että sinun on määriteltävä mitä ’ otat säteen. ’ ei ole tässä mitään kiistanalaista.
• @ my2cts Harkitse tätä: Maapallon ’ ilmapiiri ei myöskään ole ’ ei ole tiettyä rajaa, se vain hajoaa avaruuteen. Itse asiassa sen uloin osa ulottuu mahdollisesti Kuun ulkopuolelle . Joten miten määrität sen paksuuden? Jos otat raja-arvon 99 prosenttiin massasta, se ’ on noin 31 km paksu. Jos valitset 99,9% -merkin, se ’ on 42 km. Jos otat 99,99997%, se ’ s 100 km, avaruuden alku kansainvälisen yleissopimuksen mukaisesti. Mutta ’ ilmapiiri on vielä sen ulkopuolella. Jos luulet, että sillä on tasainen tiheys, niin että sillä on tarkka raja, se ’ on vain noin 8,5 km. Samankaltainen asia hiukkasilla

Kun luetaan Vladimin hyvä viimeinen vastaus, on myös tärkeää Huomaa, että atomilla ei ole tarkkaan määriteltyä tilavuutta. Elektronin ja protonin kohtelu täydellisinä palloina tasaisella massatiheydellä ei ole aivan oikein. Tämän sanottuasi huomaa, että vaikka klassiset mittaukset saattavat asettaa elektronin noin 2,5-kertaiseksi protonin halkaisijasta (viittaus tähän olisi mukavaa – viittaatko klassiseen elektronisäteeseen?), Protonin massa on 2000 kertaa elektronin massa.

Yleensä elektronin massa on 9,1 dollaria \ kertaa 10 ^ {- 31} kg $ , kun taas protoni on 1,67 dollaria \ kertaa 10 ^ {- 27} kg $ . ” Koko ” ja massa eivät ole samat.

Kommentit

• Atomeilla on hyvin määritelty tilavuus, mutta se riippuu kemiasta. Esimerkiksi natriumatomin metallissa huoneen olosuhteissa on tilavuus ~ 0,4 nm $ ^ 3 $.
• @ my2cts Onko se näin ’ s yleisesti katsottu? Minusta tuntuu vähän kuin sanoa, että auton pysäköintihallissa on 45m3, koska 3m korkealla 750m2 pysäköintitilalla on tilaa 50 autolle. En ’ ole kuitenkaan asiantuntija, ehkä sillä on järkeä atomien suhteen.
• @ my2cts, onko kaikki tämä pedantria ja ristiriitaisuuksia todella tarpeen? Mitä mieltä olet ’ yrittää tehdä?
• @ my2cts Autorenkaalla on hyvin määritelty tilavuus. Kaikilla klassisilla esineillä on hyvin määritelty muoto / raja / reunat jne. Logiikkasi merkitsisi sitä, että esimerkiksi rantapallolla ei ole tarkkaan määriteltyä tilavuutta, koska voisin päästää ilmaa ulos siitä. Ei. Sen ’ tilavuus on $ 4/3 \ pi r ^ 3 $.
• @Foo Bar On joskus hyödyllistä määritellä atomi- tai ionitilavuudet. Lausunto siitä, että atomilla ei ole tarkasti määriteltyä tilavuutta, ei ole aina hyödyllinen. Vastustan liian luottavaisia lausuntoja, koska voin. Ei dogmoja. Huomaa, että rikkot foorumin sääntöjä viimeisimmällä kommentillasi.

Protoni on komposiittihiukkanen, jonka noin 0,8-0,9 femtometrin säde. Tämä arvo saadaan sironta- ja spektroskooppisista tiedoista, jotka ovat herkkiä coulomb-potentiaalin yksityiskohdille hyvin pienessä mittakaavassa.

Kaiken kaikkiaan tiedämme, että elektroni on pistepartikkeli . Sisäisiä vapausasteita pyörimisen lisäksi ei löytynyt ja sirontatiedot ovat yhdenmukaisia $ 10 ^ {- 18} $ m: n säteen ylärajan kanssa (wikipediasta, mutta rikki linkki viitteenä). Ratkaisematon asia on, että EM-itseenergia eroaa pistehiukkaselle. 2,8 femtometrin säteellä tämä itseenergia on jo yhtä suuri kuin elektronimassa, minkä vuoksi tämä arvo tunnetaan elektronin (Thomson) säteenä. Juuri tämä numero aiheutti hämmennystäsi.

Tämän väitteen takana on, että protonien ja neutronien massat ovat noin 2000 kertaa suurempi kuin elektronien. Massa on objektiivisempi ja pysyvämpi hiukkaselle kuin sen koko (joka määritellään usein sen aaltofunktion laajuudeksi ja voi vaihdella merkittävästi eri olosuhteissa).

Kommentit

Anna minun antaa sinulle hullu idea että elektronin ja protonin säde on kiinteä, mutta monimutkainen, jossa todellinen osa on keskiarvo ja kuvitteellinen osa on keskihajonta. Sitten elektronin ja protonin klassinen säde määrittää keskiarvon, ja neliön keskiarvo on merkitykseltään vaihteleva. Elektronisäde on kohtisuorassa suurilla energioilla, kun relativistisia korjauksia tehdään, ja sirontapoikkileikkaus on verrannollinen klassisen elektronisäteen neliöön.

Kaava fotonin sirontapoikkileikkaukselle elektronilla ei tarvitse säätää ja määrittää sironnan poikkileikkauksen $$ Re \ sigma = \ sigma (0) – \ sigma (\ infty) = \ frac {8} {3} \ pi r_e ^ 2; \ sigma (x) = \ sigma (\ frac {\ hbar \ omega} {mc ^ 2}) $$ Tässä tapauksessa säde monimutkaisessa muodossa on $$ R_e = r_e (1 \ pm \ sqrt {(Re \ sigma- \ pi r_e ^ 2) / \ pi} i) = r_e (1 \ pm 1,29i) $$ sen moduuli määrittää sirontapoikkileikkauksen $$ | R_e | = r_e | 1 \ pm1.29i | = 1.63r_e = \ sqrt {\ frac {8} {3}} r_e $$ Kaavat elektronin sironnan elektroneille poikkileikkaukselle sekä elektronin ja positronin tuhoamiselle kahden fotonin muodostumisella edellyttävät säätämistä. Sääntöparametri on valittava siten, että elektronin koko osuu yhteen elektronin kokoon, kun elektroni sirottaa fotonin. On käynyt ilmi, että nämä kolme kaavaa määräävät yhtä suuresti elektronin koon.

Alkeishiukkasten koolle ei ole yksiselitteistä arvoa. Alkeishiukkasilla ei ole rajallista kokoa, ja niiden varauksella on mahdotonta määrittää yksiselitteistä lopullista kokoa. Elektronille on sirottavia poikkileikkauksia erilaisista reaktioista, ja niiden avulla pystyin määrittämään elektronin kompleksikoon. Elektronin kompleksikoko määritetään kuvitteelliseen osaan asti. Protonille tätä ei voida tehdä, koska reaktioiden poikkipinta-alaa kuvaavia kaavoja ei ole. Häiriöteoria ei kuvaa ydinvoimia, joten tehdään vain mittauksia eikä teoreettisia kaavoja ole. Elektronin klassinen säde on suurempi kuin protonin klassinen säde. Mutta tämä ei tarkoita mitään, protonin kokoa ei tunneta.