Czy protony są większe od elektronów?

Cząsteczki mechaniki kwantowej mają dobrze zdefiniowane masy, ale nie mają dobrze zdefiniowane rozmiary (promień, objętość itp.) w sensie klasycznym. Cząstce można przypisać skalę długości na wiele sposobów, ale jeśli myślisz o nich jako o małych kulkach o dobrze określonym rozmiarze i kształcie, to popełniasz błąd.

de Broglie Wavelength: Cząstki przechodzące przez małe otwory zachowują się jak fale, z charakterystyczną długością fali określoną przez $$ \ lambda_ {dB} = \ frac {h} {mv} $$ , gdzie $ h $ to stała Plancka, $ m $ to masa cząstki, a $ v $ to prędkość cząstki. To ustala skalę długości, w której efekty kwantowe, takie jak dyfrakcja i interferencja, stają się ważne. Okazuje się również, że jeśli średni odstęp między cząstkami w gazie doskonałym jest rzędu $ \ lambda_ {dB} $ lub mniejszy, załamuje się klasyczna mechanika statystyczna ( np. entropia rozbiega się do $ – \ infty $ ).

Compton Wavelength: Jednym ze sposobów pomiaru położenia cząstki jest oświetlić laserem obszar, w którym, jak myślisz, będzie się znajdować. Jeśli foton rozproszy się z cząstki , możesz wykryć foton i prześledzić jego trajektorię wstecz, aby określić, gdzie znajdowała się cząstka. Rozdzielczość pomiaru, np. jest to ograniczone do długości fali użytego fotonu, więc fotony o mniejszej długości dają dokładniejsze pomiary.

Jednak w pewnym momencie energia fotonu byłaby równa energii masy cząstki. Długość fali takiego fotonu jest określona wzorem $$ \ lambda_c = \ frac {hc} {mc ^ 2} = \ frac {h} {mc} $$ Beyond tej skali pomiar pozycji przestaje być dokładniejszy, ponieważ zderzenia foton-cząstka zaczynają tworzyć pary cząstka-antycząstka.

” Klasyczny ” Promień: Jeśli chcesz skompresować całkowitą ilość ładunku elektrycznego $ q $ do sfery o promieniu $ r $ , wymaga energii mniej więcej równej $ U = \ frac {q ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 r} $ (różnica jest równa 3/5, ale nieważne – patrzymy tylko na rzędy wielkości). Jeśli ustawimy że równa pozostałej energii $ mc ^ 2 $ (naładowanej) cząstki, znajdujemy $$ r_0 = \ frac {q ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 mc ^ 2} $$ Nazywa się to czasem klasyczny promień cząstki z ładunkiem $ q $ i masą $ m $ . Okazuje się, że jest to ten sam rząd wielkości co przekrój rozpraszania Thompsona , więc ta skala długości jest istotna przy rozważaniu rozpraszania niskoenergetycznych fale elektromagnetyczne z cząstek.

Promień ładowania: Jeśli modelujesz cząstkę jako sferyczną ” chmura ” ładunku elektrycznego, możesz przeprowadzić eksperymenty z bardzo precyzyjnym rozpraszaniem (między innymi), aby określić, jaki efektywny rozmiar ma ta chmura ładunku. Wynik nazywany jest promieniem ładunku cząstki i jest bardzo odpowiednią skalą długości, którą należy wziąć pod uwagę, jeśli myślisz o drobnych szczegółach oddziaływania cząstki elektromagnetycznej . Zasadniczo promień ładunku powstaje w cząstkach kompozytowych, ponieważ ich naładowane składniki zajmują niezerowy obszar przestrzeni. Promień ładunku protonu wynika z kwarków, z których się on składa, i został zmierzony na około 0,8 $ femtometrów; z drugiej strony wiadomo, że elektron nie jest cząstką złożoną, więc jego promień ładunku wynosiłby zero (co jest zgodne z pomiarami).

Energia wzbudzenia: Jeszcze inna skala długości jest podana przez długość fali fotonu, którego energia jest wystarczająca do wzbudzenia wewnętrznych składników cząstki w wyższy stan energetyczny (np. Wibracji lub rotacji ). Elektron jest (o ile wiemy) elementarny, co oznacza, że nie ma żadnych składników do wzbudzenia, w wyniku czego wielkość elektronu również wynosi zero. Z drugiej strony proton może zostać wzbudzony w a Delta barion przez foton o energii $ E \ około 300 $ MeV, odpowiadające rozmiarowi $$ \ lambda = \ frac {hc} {E} \ około 4 \ text {femtometers} $$

W pierwsze trzy przykłady, zwróć uwagę, że masa cząstki pojawia się w mianowniku; oznacza to, że przy wszystkich innych rzeczach równych, bardziej masywne cząstki będą odpowiadać mniejszym skale długości (przynajmniej według tych pomiarów). Masa protonu jest jednoznacznie większa niż elektronu o współczynnik mniej więcej 1,836 . W rezultacie długość fali de Broglie, długość fali Comptona i klasyczny promień protonu są mniejsze niż elektronu o ten sam czynnik. W związku z tym pojawia się pytanie, skąd wzięło się skromne roszczenie 2,5x.

Szybkie wyszukiwanie w Google pokazuje, że to twierdzenie pojawia się w witrynie AlternativePhysics.org. Chodzi o to, że klasyczny promień elektronu wspomniany powyżej jest 2,5 razy większy niż ” zmierzony ” promień protonu – przez co oznacza on zmierzony promień ładunku protonu. To prawda, ale nie jest to szczególnie istotne – będąc obiektami mechaniki kwantowej, ani elektron, ani proton nie mają promienia w takim sensie, jak klasyczny marmur. Porównywanie dwóch cząstek za pomocą dwóch zupełnie różnych miar wielkości to porównywanie jabłek do pomarańczy.

Na koniec ostrzegam Cię przed przyjmowaniem jakichkolwiek twierdzeń, które znajdziesz również na AlternativePhysics.org poważnie. Aby pożyczyć powiedzenie od społeczności medycznej, istnieje „nazwa dla podzbioru ” fizyki alternatywnej „, która w rzeczywistości ma sens. To” nazywa się fizyka .

Komentarze

• @ my2cts Proton nie ma promienia, ponieważ nie jest maleńka kula. Masz na myśli promień ładunku – kolejny sposób na przypisanie rozmiaru do obiektu kwantowego. Jest to najbardziej odpowiednia miara dla wielu eksperymentów, ale z pewnością nie jedyna możliwa.
• @ my2cts I ' Na pewno niektórzy eksperci pracują w obszarze, w którym promień ładunku jest przydatny … a inne działają w obszarze, w którym długość fali Comptona jest przydatna.
• @ my2cts to dziwny argument. Oczywiście ludzie pracujący nad promieniem ładunku protonowego mówią o promieniu ładunku protonowego, a nie o żadnej innej miary rozmiaru protonu, a ponieważ ' jest stosunkowo znanym problemem, ' to domyślnie Google. Nie ' nie oznacza, że inne miary rozmiaru protonów są ” nieprawidłowe „. Nawiasem mówiąc, pracuję w laboratorium, w którym wykonano jeden z tych pomiarów (choć na innym eksperymencie).
• @ my2cts – jesteś sceptyczny co do niewłaściwych rzeczy. Artykuł w Wikipedii, do którego utworzyłeś łącze, mówi, że ' mówi o promieniu ładunku (co oznacza, że istnieją inne rodzaje promieni, o których możesz mówić).I rzeczywiście, ' jest łącze do artykułu w Wikipedii na temat promienia ładowania, w którym wyraźnie stwierdza się ” ani atomy, ani ich jądra mają określone granice ” (zwróć uwagę, że obejmuje to jądro wodoru – które jest tylko protonem). Oznacza to, że musisz zdefiniować , jaki ' będziesz przyjmować za pomocą promienia. Nie ma w tym ' nic kontrowersyjnego.
• @ my2cts Rozważ to: atmosfera Ziemi ' również nie ' nie ma określonej granicy, po prostu wypływa w przestrzeń. W rzeczywistości jego najbardziej zewnętrzna część prawdopodobnie sięga poza Księżyc . Jak więc zdefiniujesz jego grubość? Jeśli weźmiesz odcięcie na 99% masy, ' ma około 31 km grubości. Jeśli wybierzesz 99,9%, ' ma 42 km. Jeśli weźmiesz 99,99997%, to ' s 100 km, początek przestrzeni według międzynarodowej konwencji . Ale poza tym ' jest jeszcze atmosfera. Jeśli wyobrażasz sobie, że ma jednorodną gęstość, więc ma określoną granicę, ' ma tylko około 8,5 km. Podobna sytuacja z cząstkami

Czytając dobrą ostatnią odpowiedź Vladima, ważne jest również, aby zauważ, że atom nie ma dobrze zdefiniowanej objętości. Traktowanie elektronu i protonu jako doskonałych kul o równej gęstości nie jest do końca poprawne. To powiedziawszy, proszę zauważyć, że chociaż klasyczne pomiary mogą spowodować, że elektron będzie miał około 2,5 razy większą średnicę niż proton (cytat byłby fajny – czy odnosisz się do klasycznego promienia elektronu?), Masa protonu wynosi 2000 razy większa od elektronu.

Ogólnie rzecz biorąc, masa elektronu wynosi 9,1 $ \ times 10 ^ {- 31} kg $ , podczas gdy masa elektronu proton to 1,67 $ \ times 10 ^ {- 27} kg $ . ” Rozmiar ” i masa nie są takie same.

Komentarze

• Atomy mają dobrze zdefiniowaną objętość, ale zależy to od chemii. Na przykład atom sodu w metalu w warunkach pokojowych ma objętość ~ 0,4 nm $ ^ 3 $.
• @ my2cts Czy tak to ' s ogólnie oglądane? Wydaje mi się, że to trochę tak, jakby powiedzieć, że samochód w garażu ma wielkość 45m3, bo na wysokim na 3m miejscu parkingowym o powierzchni 750m2 zmieści się 50 samochodów. Nie jestem jednak ekspertem ', ale może to ma sens w przypadku atomów.
• @ my2cts czy cała ta pedanteria i przekorność są naprawdę potrzebne? Jaki jest cel, który ' próbujesz nadać?
• @ my2cts Opona samochodowa ma bardzo dobrze zdefiniowaną objętość. Wszystkie klasyczne obiekty mają dobrze zdefiniowany kształt / granice / krawędzie itp. Twoja logika sugerowałaby, że, powiedzmy, piłka plażowa nie ma dobrze określonej objętości, ponieważ mógłbym wypuścić z niej powietrze. Nie. Objętość ' wynosi 4/3 $ \ pi r ^ 3 $.
• @Foo Bar Czasami przydatne jest zdefiniowanie objętości atomowych lub jonowych. Stwierdzenie, że atom nie ma dobrze określonej objętości, nie zawsze jest przydatne. Sprzeciwiam się zbyt pewnym stwierdzeniom, ponieważ mogę. Żadnych dogmatów. Przy okazji, ostatnim komentarzem łamiesz zasady forum.

Proton to cząstka złożona z promień około 0,8-0,9 femtometrów. Wartość ta jest uzyskiwana z danych rozpraszania i spektroskopowych, które są wrażliwe na szczegóły potencjału kulombowskiego w bardzo małej skali.

Z tego, co wiemy, elektron jest cząstka punktu . Nie znaleziono żadnych wewnętrznych stopni swobody oprócz obrotu, a dane rozpraszania są zgodne z górną granicą promienia 10 ^ {- 18} $ m (z Wikipedii, ale z uszkodzony link jako odniesienie). Nierozwiązaną kwestią jest to, że energia własna EM rozchodzi się dla cząstki punktowej. Dla promienia 2,8 femtometrów ta energia własna jest już równa masie elektronu, dlatego wartość ta jest znana jako promień (Thomsona) elektronu. To właśnie ta liczba spowodowała Twoje zamieszanie.

Faktem jest, że masy protonów i neutronów są około 2000 razy większe niż elektronów. Masa jest bardziej obiektywną i trwałą cechą cząstki niż jej rozmiar (który jest często definiowany jako zakres jej funkcji falowej i może się znacznie różnić w różnych okolicznościach).

Komentarze

• dzięki za odpowiedź … ale pomyśl o tym w ten sposób – masa cząstki jest wprost proporcjonalna do jej objętości, która jest również bezpośrednio proporcjonalna do promienia …Dlatego nie ' nie rozumiem, jak w żadnych okolicznościach promień elektronu może być większy niż promień protonu
• @ alienare4422 objętość, która jest również wprost proporcjonalna do promienia Nie, tak nie jest.
• @ alienare4422 Masa cząstki jest proporcjonalna do jej objętości, tylko jeśli założymy, że cząstki mają stałą gęstość, że te gęstości są takie same dla wszystkich cząstek i że gęstość cząstek jest taka sama we wszystkich okolicznościach. Żadne z nich nie jest prawdą, zwłaszcza w świecie kwantowym.

Pozwólcie, że przedstawię wam szalony pomysł że promień elektronu i protonu jest stały, ale złożony, gdzie część rzeczywista to średnia, a część urojona to odchylenie standardowe. Następnie klasyczny promień elektronu i protonu określa średnią wartość, a wartość pierwiastka średniej kwadratowej ma zmienne znaczenie. Promień elektronu jest punktowy przy wysokich energiach, gdy stosowane są poprawki relatywistyczne, a przekrój rozpraszania jest proporcjonalny do kwadratu klasycznego promienia elektronu.

Wzór na przekrój poprzeczny rozpraszania fotonu przez elektron nie wymaga uregulowania i określa przekrój poprzeczny rozproszenia $$ Re \ sigma = \ sigma (0) – \ sigma (\ infty) = \ frac {8} {3} \ pi r_e ^ 2; \ sigma (x) = \ sigma (\ frac {\ hbar \ omega} {mc ^ 2}) $$ W tym przypadku promień w postaci złożonej to $$ R_e = r_e (1 \ pm \ sqrt {(Re \ sigma- \ pi r_e ^ 2) / \ pi} i) = r_e (1 \ pm 1.29i) $$ jego moduł określa przekrój rozpraszania $$ | R_e | = r_e | 1 \ pm1.29i | = 1.63r_e = \ sqrt {\ frac {8} {3}} r_e $$ Wzory na przekrój poprzeczny rozpraszania elektronu przez elektron oraz anihilacji elektronu i pozytonu z utworzeniem dwóch fotonów wymagają regularyzacji. Parametr regularyzacji należy dobrać tak, aby wielkość elektronu pokrywała się z wielkością elektronu, gdy foton jest rozpraszany przez elektron. Okazuje się, że te trzy wzory w równym stopniu określają rozmiar elektronu.

Nie ma jednoznacznej wartości rozmiaru cząstek elementarnych. Cząstki elementarne nie mają skończonej wielkości i nie można jednoznacznie określić ostatecznego rozmiaru na podstawie ich ładunku. W przypadku elektronu istnieją rozpraszane przekroje poprzeczne różnych reakcji i za ich pomocą byłem w stanie określić złożoną wielkość elektronu. Złożony rozmiar elektronu jest określony aż do części urojonej. W przypadku protonu nie można tego zrobić, ponieważ nie ma wzorów opisujących pole przekroju poprzecznego reakcji. Siły jądrowe nie są opisywane przez teorię zaburzeń, dlatego dokonywane są tylko pomiary i nie ma teoretycznych wzorów. Klasyczny promień elektronu jest większy niż klasyczny promień protonu. Ale to nic nie znaczy, rozmiar protonu jest nieznany.