¿Por qué un electrón nunca golpea (y se adhiere) a un protón?

Imagina que hay un protón confinado en una caja y ponemos un electrón a 10 cm de distancia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Obtiene una aceleración de miles de metros/segundo^2 a lo largo de una línea recta que une los dos CM.

Uno esperaría que el electrón golpeara la partícula positiva en una fracción de segundo, y se quedara allí pegado por una gran fuerza, pero esto no sucede, incluso si disparamos al electrón proporcionando KE extra y velocidad/momento.

¿Hay una explicación plausible para eso? ¿Por qué el electrón no sigue la línea de fuerza recta que conduce al protón?

Editar

mi pregunta ha sido malinterpretada: no se trata de orbitales o colisiones. Si tiene una respuesta/explicación, es irrelevante si se refiere a la física clásica o QM. No se ha presentado ninguna explicación.

  • Sabemos que a) dos protones pueden pegarse aunque se repelan por la fuerza de Coulomb, entonces es legítimo, a fortiori , suponer que b) dos partículas que no se repelen pueden sentarse cómodamente una al lado de la otra, casi tocándose entre sí. otro:

2a) protón protóningrese la descripción de la imagen aquí

2b) protón electróningrese la descripción de la imagen aquí

  • También sabemos que en un tubo de TV, los electrones salen de las pistolas y golpean la pantalla siguiendo trayectorias increíblemente precisas que producen imágenes a pesar de HUP y el hecho de que son un

"... una partícula puntual que no tiene tamaño ni posición"

Ahora, la situación que imaginé es muy simple, y probablemente pueda responderse adecuadamente paso a paso con sí/no o cifras (aproximadas):

  • 0) Cuando el electrón está en la pistola/caja, ¿es una masa puntual/carga o es una onda de probabilidad esparcida sobre una región? cuando llega a la pantalla, ¿tiene un tamaño/posición definidos?
  • 1) ¿Se aplican aquí la electrostática y la ley de Coulomb? ¿Sabemos con una precisión tolerable qué aceleración obtendrá el electrón cuando se libere y qué EC y velocidad adquirirá cuando se acerque al protón?
  • 2) si repetimos el experimento miles de millones de veces, ¿pueden cambiar esas cifras?
  • 3) según la electrostática, el electrón debe seguir la línea de fuerza del campo eléctrico que conduce al CM del protón y, cuando llega allí, permanecer lo más cerca posible pegado por una fuerza de Coulomb increíblemente grande (imagen 2 b). Esto no sucede,....nunca, ni siquiera por una remota posibilidad de probabilidad. ¿Qué sucede, qué evita que esto suceda? La física dice que solo una fuerza muy fuerte puede alterar el resultado de otras leyes. Una respuesta afirma que QM ha resuelto este misterio de larga data, pero no da la solución.
Relacionado: physics.stackexchange.com/q/20003/2451 y enlaces allí.
Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
@DavidZ Vuelva a colocar los comentarios con la pregunta, a dónde pertenecen. Y tampoco aprecio que mi solicitud anterior en este sentido se elimine sumariamente.
@zwol si desea argumentar que los comentarios no deben eliminarse, este no es el lugar para hacerlo. Le invitamos a plantear el problema en Physics Meta .
@DavidZ Lo estoy considerando seriamente, aunque no en este momento (realmente no debería estar discutiendo con personas en línea con una fecha límite en papel mirándome a la cara ;-) Pero permítanme señalar que el hilo de comentarios anteriormente sobre esta pregunta era bastante importante para comprender exactamente lo que el OP quería saber y por qué no les gustaban las respuestas que estaban recibiendo. Tal como está, no está claro por qué la pregunta en sí es como es, y la mitad de las respuestas parecen estar discutiendo con un testaferro que ni siquiera está en el escenario.
La pregunta se desvió por un primer comentario (seguido de algunos votos negativos) que afirmaba que un electrón ubicado en contacto estable con un protón es simplemente un átomo de hidrógeno. Luego siguió una respuesta, equiparando este problema a las órbitas celestes. Este no es el propósito de la pregunta: se trata de describir qué sucede cuando liberas un átomo confinado en las cercanías de un protón, ya que acelera e inexplicablemente no sigue el patrón descrito por la electrostática.
Tengo que decir que si hubiera un hilo de comentarios que ayudaría a explicar de qué se trata esta pregunta, eso sería REALMENTE útil. Es más bien una pena. Tal como están las cosas, no tengo la menor idea de lo que se pregunta aquí, y honestamente está empezando a parecer que la conversación en torno a esta pregunta se ha vuelto complicada más allá del punto de la desesperanza. Por lo que vale.
@ user104372 Tal vez un protón forma un equilibrio hidrostático como una estrella. El electrón es atraído hasta cierto punto donde encuentra la resistencia de un empuje positivo hacia afuera del protón.

Respuestas (8)

El electrón y el protón no son como bolas de billar. Normalmente se considera que el electrón es puntual, es decir, no tiene tamaño, pero lo que esto realmente significa es que cualquier tamaño aparente que medimos es una función de la energía de nuestra sonda y, a medida que llevamos la energía de la sonda al infinito, el tamaño medido cae sin límite. El protón tiene un tamaño (alrededor de 1fm) pero solo porque está formado por tres quarks puntuales: el tamaño es en realidad solo el tamaño de las órbitas de los quarks y el protón no es sólido.

Clásicamente, dos partículas puntuales, un electrón y un quark, nunca pueden chocar porque si son puntuales, su área frontal es cero y no puedes golpear un objetivo que tenga un área cero.

Lo que en realidad sucede es que el electrón y el quark son objetos cuánticos que no tienen posición ni tamaño. Ambos están descritos por alguna distribución de probabilidad. La mecánica cuántica nos dice que puede ocurrir una reacción entre el electrón y el quark, y de hecho esto es lo que sucede cuando colisionan partículas en un acelerador como el LHC. Sin embargo, en su experimento, el electrón y el protón que chocan no tienen suficiente energía para crear nuevas partículas, por lo que están condenados a oscilar uno alrededor del otro indefinidamente.

Si aceleras el electrón, puedes darle suficiente energía para que ocurra una reacción. Este proceso se conoce como dispersión inelástica profunda e históricamente este experimento ha sido una forma importante de aprender sobre la estructura de los protones.

¿Puede un electrón atravesar un protón? Si es así, ¿qué energía se requiere?
@user104: los electrones se pueden encontrar dentro de los protones en este momento en cada átomo de su cuerpo . Pero supongo que estás pensando en un experimento de colisionador, y en ese caso describiríamos que el electrón pasa a través de un protón cuando la longitud de onda de De Broglie del electrón es menor que el tamaño de un protón (alrededor de 1 fm). Esto sucede con energías de electrones en el rango de 1 a 10 GeV. A modo de comparación, esto es unas 10000 veces menor que las energías utilizadas en el LHC.
Gracias. 1) ¿Cómo se sabe si un electrón ha pasado o simplemente se ha perdido?, 2) ... si es solo una cuestión de longitud de onda, los protones tienen otras aún más cortas, ¿pueden también pasar a través de otro protón?
@ user104: (1) no puedes. (2) sí, de hecho, el LHC choca protones con protones y la mayoría de las veces los protones simplemente se atraviesan entre sí sin dispersarse.
@JohnRennie ¿El tamaño realmente proviene de solo 3 quarks? Matt Strassler dice que hay mucho más de 3 quarks en el protón profmattstrassler.com/articles-and-posts/largehadroncolliderfaq/…
@DavePhD: sí, los protones son mucho más complicados que solo tres quarks. Pero eso es una complicación para otro día. Estoy seguro de que este problema se ha abordado en el SE de física si desea buscarlo.
@JohnRennie sí, veo este physics.stackexchange.com/q/81190
¿No es cierto que los protones y electrones dentro de las estrellas se combinan para formar neutrones?
Hola, John Rennie. ¿Puedo hacer una pregunta? En su respuesta, argumenta que la razón por la que un protón no puede estar en la misma posición es porque son partículas puntuales. Entonces, ¿qué pasa con los fotones; ¿Pueden dos fotones estar en el mismo punto del espacio? Y por punto me refiero a algo adimensional pero que tiene un cierto valor en un cierto sistema de coordenadas. ¿Pueden dos fotones estar en el mismo punto del espacio? Gracias.
@ConstantineBlack: las partículas no son puntos. Son excitaciones en un campo cuántico y no tienen posición ni tamaño en el sentido que tienen los objetos macroscópicos. Son puntuales en el sentido de que cualquier experimento para medir un tamaño mínimo fracasará. Cualquier par de partículas, electrones, quarks y fotones, pueden tener distribuciones de probabilidad superpuestas, y existe una probabilidad finita de que ambas puedan detectarse en cualquier elemento de volumen, sin importar cuán pequeño sea ese elemento de volumen. Sin embargo, no tiene sentido preguntar si dos partículas de cualquier tipo pueden estar en el mismo punto en el espacio .
Puedo decirlo de esta manera: ¿Pueden dos fotones tener una probabilidad de que los encontremos en el mismo punto en el espacio (tomar ese punto como un área que tiende a cero); ¿Existe la posibilidad de que los dos fotones ocupen el mismo punto en el espacio? ¿Existe tal posibilidad para cualquier otra partícula también? Gracias de nuevo por responder.
@ConstantineBlack: la probabilidad de encontrar una partícula en volumen d V es PAGS = ψ ∗ ψ d V y esto tiende a cero como d V va a cero. Entonces la probabilidad de encontrar cualquier partícula en un punto de volumen cero es cero.
@JohnRennie: Hay una simplificación común en su respuesta: el protón es un mar de gluones y quarks , con tres (más o menos) quarks de valencia distinguidos. La mayoría de las colisiones del LHC son interacciones gluón-gluón , seguidas de quark-gluon, quark-quark, etc., cambiando a estas a energías más altas.
Hola @EricTowers. DavePhD ya mencionó esto en varios comentarios . Deliberadamente hice la simplificación para mantener mi respuesta comprensible para los jefes que no son QFT.
@JohnRennie: Hunh... Perdí eso en el mar de largos comentarios. Lo siento por el dup'.
"Son excitaciones en un campo cuántico y no tienen una posición o un tamaño en el sentido en que lo hacen los objetos macroscópicos". Así que todo es en esencia campos de energía. Cuanto más leo sobre estas cosas, más suena como si simplemente estuviéramos viviendo en una simulación.
@CramerTV: un campo cuántico no es un campo de energía, es un campo de operador . Hasta qué punto esto refleja la realidad física, y hasta qué punto es solo un dispositivo matemático, es un debate en curso. Sabemos que los objetos cuánticos no tienen tamaño ni posición desde la década de 1920, por lo que no son noticias de última hora. No veo ninguna relevancia para los argumentos sobre un universo simulado.
Gracias por la aclaración. Fue un comentario improvisado: debería haber puesto una carita sonriente al final.
@JohnRennie Entiendo el comentario de "simulación" de Cramer como una expresión de sentirse extraño, alienado, irreal. En esencia, si miras muy de cerca, nada a nuestro alrededor es "sólido" o incluso "allí". Esta realización está en marcado contraste con nuestra percepción inmediata, de ahí la alienación. Un universo cuántico parece no estar muy lejos de Matrix o de un Truman Show. Mire detrás de escena y nada es lo que parecía ser. (También parece eminentemente computable/computado; no es que este sea un pensamiento original).
Clásicamente, dos partículas puntuales, un electrón y un quark, nunca pueden colisionar porque si son puntuales, su área frontal es cero y no puedes golpear un objetivo que tiene un área cero.*, ¿qué pasa con las innumerables colisiones de electrones?
@ user104: una colisión electrón-electrón no es una colisión clásica. Es un evento de dispersión cuántica con una amplitud que debes calcular usando la teoría cuántica de campos.
¿Por qué nadie ha mencionado la descomposición de protones? ¿No es eso un protón que absorbe un electrón convirtiéndose en un neutrón?
@ user34445 El protón realmente no "absorbe" el electrón, el electrón se convierte (mediante una interacción de corto alcance) en un neutrino que luego puede alejarse libremente.

Este era un gran misterio antes de que se descubriera la mecánica cuántica. Los electrones no solo son atraídos por los protones, sino que los electrones irradian energía cuando se aceleran. Un electrón clásico en órbita alrededor de un protón debería girar en espiral hacia el núcleo en una pequeña fracción de segundo.

La "explicación" es que la física clásica no funciona a pequeña escala. La mecánica cuántica es un modelo mejor. No es una razón por qué. Es sólo una descripción de cómo es el mundo. No siempre es intuitivo o plausible.

En la mecánica cuántica, un electrón no tiene una posición o momento definido. Tiene una función de onda a partir de la cual se puede calcular la probabilidad de encontrarlo en una posición o momento particular. Un electrón unido a un protón probablemente estará muy cerca del protón.

El Principio de Incertidumbre dice que si la incertidumbre de la posición de un electrón se reduce confinando cerca de un protón, entonces la incertidumbre en su impulso aumenta. Un electrón que puede tener un gran momento no es probable que permanezca cerca de un protón por mucho tiempo.

Hay un tamaño donde estas dos incertidumbres opuestas se equilibran. Esto determina el tamaño de los átomos.

Esta fue una descripción muy vaga, agitando la mano. Si quieres la historia real, hay mucho en la web. El volumen III de The Feynman Lectures es una buena introducción.

Gracias por su respuesta, ¿puede describir numéricamente el resultado de acuerdo con las teorías actuales? A partir de 10 cm, ¿cuál es la velocidad final y cuál es la cantidad de energía radiada? ¿cual es la formula para calcular la cantidad de energia radiada? ¿Cuál es el resultado final? hidrógeno en estado fundamental con 13 eV Ke? ¿Cuándo y cómo se desecha la energía en exceso?
Sí, vea la ecuación de Schrödinger. Como puede ver en la respuesta de John Rennie, no hay garantía de que el electrón sea capturado. Si lo fuera, el estado final sería un átomo de H en estado fundamental. La energía sería luz. La energía de cada fotón estaría determinada por la diferencia entre los orbitales de los átomos de H. Sumaría 13,7 ev porque 10 cm es casi lo mismo que estar infinitamente lejos del protón.
Si la energía cinética inicial es cero, el electrón estaría necesariamente ligado. 10 cm y sin velocidad inicial correspondería aproximadamente a un átomo de Rydberg l = 0, n = 14000. Desde allí podría decaer por emisión de radiación electromagnética.
¿Qué capítulo del volumen 3 sugieres?. No podré leer el volumen completo.
Comience con el capítulo 1. Resume la diferencia entre la física clásica y la mecánica cuántica. El capítulo 2 continúa y llega al tamaño del átomo.

Este tipo de modelo, un modelo clásico, derivó en el modelo de Bohr y la mecánica cuántica para el átomo, ya que es un hecho experimental que el átomo de Hidrógeno existe y no se convierte en neutrón.

Para las grandes distancias que ilustra, la trayectoria clásica tendría que estar exactamente centrada; de lo contrario, incluso de forma clásica habrá un movimiento lateral que creará una órbita hiperbólica. En el marco de la mecánica cuántica, que es el correcto cuando se habla de partículas elementales, las líneas exactas no lo hacen. existen, la posición y la energía están limitadas por el principio de incertidumbre de Heisenberg, y el electrón y el protón están en el régimen mecánico cuántico, por lo que la probabilidad de un movimiento lateral es muy alta.

En el sistema del centro de masa, los electrones y los protones se atraen de la manera que se describe en la figura. Se ha estudiado la dispersión de electrones y protones, que es lo que está describiendo, y si la energía del electrón es lo suficientemente alta, se dispersará del campo del protón. Si es más bajo que las líneas de hidrógeno, será atrapado por los campos en un átomo de hidrógeno, emitiendo la energía apropiada como un fotón.

La mecánica cuántica no permite "fusiones" en la forma en que las concibes. Existe captura de electrones en los núcleos, un protón capturando un electrón y convirtiéndose en un neutrón, pero nuevamente esta es una solución mecánica cuántica específica dentro del núcleo.

Parece que no entendiste la pregunta, Anna. Si la luna se detuviera, como imaginé al electrón, golpearía la tierra y se pegaría a ella. El punto con el electrón es que, aunque parte de una posición inmóvil, obtiene un movimiento lateral que lo desvía de la línea recta natural.
Te perdiste mi respuesta. La mecánica cuántica no da x, y, z exactos, pero depende del principio de incertidumbre de Heisenberg.
No estoy describiendo la dispersión ni la fusión, estoy pidiendo una explicación de por qué el electrón se desvía de una línea recta, ¿HUP explica eso? ¿No se necesita una fuerza para desviarlo?
Sí, HUP explica que no se puede conocer el momento y la posición de una partícula al mismo tiempo. El electrón es una entidad mecánica cuántica gobernada por una distribución probabilística, ver orbitales atómicos en.wikipedia.org/wiki/Atomic_orbital . No se necesita fuerza con el HUP. Además, el protón y el electrón, si su energía relativa es adecuada, se unen al hidrógeno. El electrón no puede caer sobre el protón como una bola de billar. El ámbito de la mecánica cuántica está bien modelado y se ajusta a los datos. , las interacciones electrón protón necesitan la mecánica cuántica para ser descritas.
-1, esta no parece una forma útil de responder la pregunta. Un electrón no orbita el núcleo en una órbita clásica como la luna orbita la tierra, y ese concepto erróneo es precisamente la fuente de la confusión del OP. Eso no es algo que debas reforzar en el primer párrafo.
@IlmariKaronen, te estás olvidando del modelo de Bohr que inició todo el tren de la mecánica cuántica
@annav En su comentario, dijo que no se necesita fuerza lateral dentro de HUP. ¿Puede explicar por qué no era necesario? Realmente no entiendo cómo podría el electrón desviarse de la línea recta.
@AnubhavGoel en dimensiones mecánicas cuánticas, solo se pueden calcular las probabilidades de la existencia de un electrón en (x, y, z), no caminos rectos. ¿Quizás mi respuesta aquí ayudará? física.stackexchange.com/questions/135222/…
@annav Su respuesta allí me sugiere, los científicos actualmente no saben por qué el electrón se desvió a diferentes caminos. Acabamos de ver que lo hace.
@AnubhavGoel No es una instancia, es una gran cantidad de evidencia experimental que condujo a la teoría de la mecánica cuántica, que es predictiva (no se comunicaría en estas páginas web de la forma en que lo hace, si la mecánica cuántica no fuera predictiva) y es continuamente validado. El último por qué es "porque eso es lo que observamos", pero el teórico por qué es "porque las ecuaciones mecánicas cuánticas lo predicen". Lo mismo es cierto para la teoría gravitatoria clásica y los planetas alrededor del sol. Las órbitas fueron observadas, fueron ajustadas por las leyes gravitatorias de Newton, y ahora el “por qué”
respondida por la "teoría clásica de la gravitación". El modelo teórico, una vez encontrado, describe los datos y predice nuevas situaciones. El último "por qué existen estos datos" es existencial. ¿Por qué existen las personas?
@annav: "Sí, HUP explica que no se puede conocer el momento y la posición de una partícula al mismo tiempo". Pero la pregunta no se trata de definir la ruta real de la partícula. El OP es por qué la ruta se desvía de la línea recta. El hecho de que no podamos saber algo (con el uso de las matemáticas) no significa que no exista. HUP no cambia la ruta. Sólo te impide saberlo.

La respuesta a su pregunta revisada es que su objeto 2b existe , se describe correctamente como un electrón pegado a un protón a través de la atracción de Coulomb, y es lo que obtiene (la mayoría de las veces) si toma un solo electrón y un solo protón y colóquelos en un universo vacío, inicialmente en reposo en el marco del centro de masa. La distancia de separación inicial solo afecta el tiempo que tarda el electrón en atascarse y la cantidad de energía que se libera en el proceso. El objeto se conoce generalmente como un átomo de hidrógeno.

Esta frase es precisa:

(3) según la electrostática, el electrón debe seguir la línea de fuerza del campo eléctrico que conduce al CM del protón y, cuando llega allí, permanecer lo más cerca posible pegado por una fuerza de Coulomb increíblemente grande (imagen 2 b).

Eso es exactamente lo que sucede. (El exceso de energía se liberará en forma de fotones). Crees que no sucede, y no estoy seguro de por qué. Mi mejor conjetura es que te estás aferrando al inexacto "modelo de Bohr" de un átomo de hidrógeno, en el que el electrón "orbita" al protón a distancia. Ese modelo fue descartado porque no había ninguna razón plausible por la cual el electrón debería permanecer a una distancia del protón.

Ahora, hay un detalle importante, y es que el electrón en un átomo de hidrógeno todavía se está moviendo , a pesar de que está pegado al protón, y se aleja un poco del protón de vez en cuando (pero lo más probable es que estar muy cerca, o incluso dentro, del protón, a menos que golpees el átomo con uno o dos fotones y "excites" al electrón). Este es el punto en el que tienes que incorporar un poco de teoría cuántica (de hecho, es uno de los primeros fenómenos para los que se inventó la teoría cuántica). La teoría cuántica propone que nada puede dejar de moverse por completo . Esta es una forma de expresar el famoso principio de incertidumbre , y creo que es la forma más clara de ponerlo en el contexto de este fenómeno en particular.

Bien, ¿por qué nada puede dejar de moverse por completo? Porque todo es onda, y las ondas solo existen cuando están en movimiento. Podría dar más detalles sobre esa declaración, pero solo lanzándote un montón de matemáticas, y no creo que eso ayude. (El artículo vinculado sobre el principio de incertidumbre entra en las matemáticas).

¿No está el Ke final en la región de Giga eV? y la energía de enlace no está en la región de 13 eV?. ..no se puede explicar esta enorme brecha solo con matemáticas, modelos, conjeturas y principios, se necesitan fuerzas, y enormes para hacer que el electrón se frene y emita un rayo gamma. ¿Hay alguna evidencia de emisión de rayos gamma?
" ..La teoría cuántica propone que nada puede nunca dejar de moverse por completo... " , esta conjetura no sugiere que deba moverse: basta una humilde oscilación, como ocurre en una caja. ¿No se sientan dos protones cómodamente uno al lado del otro en un núcleo, sin moverse?
@ user104: Una cosa que está pasando por alto es que el principio de incertidumbre aquí vincula la posición y el impulso , no la posición y la velocidad. Por lo tanto, el protón, que tiene mucha más masa (por la cual la velocidad se multiplica para producir el impulso) que el electrón, puede satisfacer el principio de incertidumbre mientras oscila en una región del espacio mucho más pequeña que el electrón. Esta es la razón por la que en un átomo de hidrógeno el electrón está mucho más "borroso" que el protón.
@ user104 Saqué "un metro" de mi trasero y no hice los cálculos. Probablemente tengas razón en que no descargaría toda esa energía en un fotón gamma. Creo que lo que realmente sucedería es que el electrón oscilaría de un lado a otro a través del protón, emitiendo radiación bremsstrahlung , durante algún tiempo, y luego arrojaría un fotón UV-ish y entraría en el estado fundamental de hidrógeno. En cuanto a dos protones, no, como dice Marc, los protones (y los neutrones) en cada núcleo siempre se están moviendo también. Es solo que son mucho más pesados ​​y por eso se mueven menos.
@MarcvanLeeuwen, verifique que su relación de masa matemática sea de aproximadamente 10 ^ 3 y la región del espacio de 10 ^ 15 a 10 ^ 21
@ user104 No entiendo la distinción que está haciendo entre "moverse" y "una humilde oscilación". La oscilación es un tipo de movimiento. Una forma de derivar las funciones de onda para los diversos estados ligados posibles del electrón en el hidrógeno comienza tratando al electrón como una carga de prueba (masiva) que oscila en el pozo de potencial de Coulomb, tal como lo haría en la mecánica clásica : la única diferencia es que lo sustituye la ecuación de Schrödinger para la segunda ley de Newton.
@ user104 Matemáticas de Re Marc, recuerde que además de ser ~ 10 ^ 3 más masivos, los protones y neutrones en un núcleo están "pegados" por la fuerza fuerte residual, que a escala nuclear es ~ 10 ^ 4 más fuerte que el electromagnético fuerza.

Los diagramas en la pregunta no deben tomarse literalmente. Como explica Matt Strassler , es incorrecto pensar que el protón solo tiene 3 quarks. En cambio, hay una gran multitud de quarks y antiquarks, sin poder distinguir lo real de lo virtual.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sabemos que a) dos protones pueden permanecer juntos

Eso sería un diprotón que no es estable. Entonces, no, dos protones no pueden permanecer juntos sin al menos un neutrón. Además, los protones pueden interactuar entre sí a través de la fuerza fuerte residual, mientras que un protón y un electrón no pueden.

Según la estructura de protones de la medición de las frecuencias de transición 2S-2P de Muonic Hydrogen Science vol. 339, págs. 417-420:

...la comparación entre la teoría y el experimento se ha visto obstaculizada por la falta de un conocimiento preciso de las distribuciones de magnetización y carga de protones. La estructura del protón es importante porque un electrón en un estado S tiene una probabilidad distinta de cero de estar dentro del protón. La fuerza de atracción entre el protón y el electrón se reduce porque el campo eléctrico dentro de la distribución de carga es más pequeño que el campo correspondiente producido por una carga puntual.

El electrón puede estar dentro del protón. Esta es la interacción de contacto de Fermi . La interacción de contacto de Fermi es observable a través de RMN, EPR y captura de electrones. El electrón no queda atrapado dentro del protón, porque el protón no constituye un pozo infinito. Dentro del protón es la ubicación más probable (para un volumen pequeño dado) para que el electrón esté en el estado fundamental de hidrógeno, pero no es la única ubicación porque el protón no es un pozo de energía potencial infinitamente profundo.

Para obtener un modelo cuantitativo de la distribución de carga real en el protón, consulte Dependencia del factor de forma de protón de la corrección de tamaño finito al cambio de Lamb en hidrógeno muónico

•1) ¿Se aplican aquí la ley de Coulomb y la electrostática?

La ley de Coulomb no se aplica exactamente. Necesita ser reemplazada por la electrodinámica cuántica .

Dos protones pueden permanecer juntos ( en un núcleo ) porque la fuerza fuerte (residual) es más fuerte que la de Coulomb. Eso es innecesario con un electrón porque la misma fuerza de Coloumb es ahora la fuerza de atracción. Por lo tanto, debe tener en cuenta otra fuerza más fuerte que esa, que en este caso debe ser repulsiva, justo al revés de lo que llama fuerza fuerte residual .
@ user104 No tiene que ser una fuerza repulsiva. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg limita cuán confinado puede estar un objeto para un momento dado. La masa del electrón es mucho menor que la del protón, por lo que es más difícil confinarlo en un espacio pequeño que un protón.
Actualice su publicación con las respuestas, paso a paso. HUP es solo una descripción de los límites del conocimiento experimental, no es una ley de la naturaleza o de la física, no puede influir en la realidad, no más que las matemáticas, la ley de Occam o el teorema de Noether, etc. Debe haber un bien definido, verificable y fuerza verificada/medible. Solo te pido que describas lo que realmente sucede cuando se suelta de la caja: la cantidad de energía y el impulso que adquiere es enorme, de todos modos, ¿no?
@ user104, ¿acepta la ecuación de Schrödinger?
Dave, no es cuestión de aceptar. Seguramente aceptas el de Pitágoras, pero ¿lo tomarías como una explicación si dijera que Pitágoras hace que una manzana caiga al suelo o levante un balde cuando lo agitas? Schroedinger te da una descripción matemática bastante adecuada de la probabilidad de encontrar un electrón alrededor de un núcleo. No se puede decir que mantiene un electrón alrededor de un núcleo. Del mismo modo, es una falacia grosera e ingenua afirmar que se viola el culombio debido a HUP: ¿es eso lo suficientemente claro? El resultado del experimento debe estar de acuerdo con HUP, si no es así, modifique HUP. eso es ciencia
@ user104 Se ha demostrado experimentalmente que la ley de Coulomb es violada por Lamb Shift, el efecto Casmir, la fuerza de dispersión de London, etc. Agregué para responder.
@ user104, "el principio de incertidumbre en realidad establece una propiedad fundamental de los sistemas cuánticos y no es una declaración sobre el éxito observacional de la tecnología actual". en.wikipedia.org/wiki/Incertidumbre_principio
@user104 consulte la sección 4.1 Dispersión elástica de electrones y nucleones aquí physics.umd.edu/courses/Phys741/xji/chapter4.pdf

Si bien esto es una mentira que les decimos a los niños, una forma de entender lo que está pasando es la Incertidumbre de Heisenberg.

El producto de la certeza de ubicación y la certeza de velocidad está acotado a continuación.

Esto significa que a medida que crece el volumen de donde algo está confinado, su velocidad tiene que crecer.

Puedes calcular qué tan fuerte es la atracción entre un protón y un electrón. Si el electrón tiene más energía cinética que esta, la atracción entre el protón y el electrón no será lo suficientemente fuerte como para mantenerlo confinado.

Entonces, la atracción entre el protón y el electrón determina qué tan pequeña es la región en la que se puede confinar el electrón.

Una "colisión" requiere que el electrón y el protón estén en la "misma" ubicación pequeña. ¿Qué pasa entonces? Bueno, si no tienen suficiente energía para generar nuevas partículas, simplemente se deshacen. Si tienen suficiente energía para generar nuevas partículas, a veces lo hacen y dejan de ser un protón y un electrón. Bang, se golpean entre ellos.

Pero sin suficiente energía para formar nuevas partículas, el electrón forma una "nube" de estados alrededor del protón, donde el radio de la nube está determinado por la energía de enlace entre el protón y el electrón.

Es de interés lo que sucede cuando agrega más electrones y protones (suponiendo que logre mantener los protones juntos): el principio de exclusión de Pauli se activa y los nuevos electrones tienen que "apilarse" encima de los antiguos en el "más cercano". " afirma.

Ahora, ¿cómo se unen los protones? Con la ayuda de los neutrones, las fuerzas nucleares proporcionan una energía de enlace mucho más fuerte. Esto da como resultado que estén confinados a un radio más pequeño (el núcleo) que los orbitales electrónicos.

Si no tienen suficiente energía, simplemente se deshacen. ¿Por qué se separarían?

Hay dos aspectos importantes de un electrón que deben tenerse en cuenta: 1) a velocidades "bajas", actúa como una partícula (se aplica la física clásica). 2) a "escala atómica", actúa como una onda (se aplica QM).

Respuestas a sus preguntas:

0) Dado que se trata de una baja velocidad, el electrón actúa como una partícula puntual. Cuando llega a la pantalla, tiene un tamaño y una posición definidos .

1) Sí, se aplican la electrostática y la ley de Coulomb, pero debido a que el electrón está en movimiento , también se aplican otras leyes (Amperio, Faraday, etc.).

2) Repetir el experimento miles de millones de veces sería equivalente a usar muchos electrones al mismo tiempo (una corriente), que es exactamente lo que se usa en un "cañón de electrones". Dado que se utiliza un gran grupo de electrones, los resultados se vuelven más precisos/predecibles, lo que permite el uso de la física "clásica".

3) Como se mencionó en 1), la electrostática y la ley de Coulomb no son suficientes para explicar el movimiento del electrón. Debido a la autoinducción, a medida que el electrón se mueve hacia el protón , se genera/induce una fuerza perpendicular tanto al vector de velocidad como a la línea que conecta el electrón y el protón (tangencial al protón) . A medida que se reduce la separación, la fuerza tangencial inducida aumenta provocando una velocidad tangencial cada vez mayor. Al mismo tiempo, la aceleración normal debida a la ley de Coulomb también aumenta. En algún punto, tanto la aceleración centrífuga (debido a la velocidad tangencial) como la aceleración normal serán iguales y opuestas entre sí, por lo que el electrón "rodeará" al protón (en el radio de Bohr) y así,

Para un electrón con energías más altas, ya se han proporcionado las respuestas adecuadas.

Gracias, ¿puede ampliar el punto 3, la fuerza autoinducida perpendicular que desvía la trayectoria?
Me opondría firmemente a la noción de que un electrón alguna vez tenga "tamaño y posición definidos". La escala de un píxel en la pantalla CRT puede ser demasiado grande para notar el hecho, pero siempre es solo una onda de probabilidad.
También tengo problemas con la fuerza perpendicular a través de la autoinducción. Los campos electromagnéticos creados por cargas aceleradas siempre "tratan de anular su causa"; en el caso de una aceleración lineal, simplemente deberían "frenar" al electrón, lo que se puede expresar como una mayor inductividad o inercia.
¿Puede decir dónde puedo leer más sobre cómo se crea esta autoinducción y cómo llegó a dar una fuerza perpendicular?
@PeterA.Schneider: Lo que usted describe, sucedería si el electrón estuviera en una trayectoria de "punto muerto". Sin embargo, la probabilidad de eso es muy pequeña. La mayor parte del tiempo, el electrón seguirá una trayectoria en espiral, que es causada por la fuerza perpendicular mencionada.
@AnubhavGoel: cada vez que se mueve un electrón (partícula cargada), se crea un campo magnético perpendicular a su vector de velocidad. La fórmula es F = qv X B. Dado que es un producto vectorial, la fuerza es perpendicular tanto al vector de velocidad v como al campo magnético (autoinducido) B.
@Guill El campo generado es perpendicular a la dirección de movimiento del electrón. El protón está delante de él, en la dirección de su velocidad. Entonces, este campo nunca interactúa con el protón, hasta que e– está dentro del protón. Entonces ninguna ecuación que mencionas prueba la desviación perpendicular. Lo siento, pero no puedo apoyar esta respuesta.

Tienes muchas explicaciones y quiero añadir una más.

Interacción de campos por estructuras unidimensionales en el espacio

Hace años trabajé sobre estructuras unidimensionales del espacio y de alguna manera apliqué los resultados a campos eléctricos, campos magnéticos y radiación EM y resultó que solo se necesitan dos tipos de cuantos para describirlos a todos. Entonces, la descripción de campos a través de líneas de campo obtiene una base materialista, con estos dos cuantos y grupos de ellos es posible describir tanto el campo eléctrico como el magnético y también los fotones.

Carácter cuantificado de la interacción.

Durante el acercamiento de un electrón y un protón, las líneas de campo se acortan, pero debido a una suposición en mi elaboración, los cúmulos deben seguir una función continua y el número de cuantos en ellos debe aumentar con un número constante. Entonces, algunos de los cuantos se emiten como fotones y algunos de ellos en los extremos de la "cadena" pasan al protón y al electrón. A cierta distancia entre ellos ya no es posible acortar las líneas de campo, la emisión de fotones se detiene y la transición de cuantos hacia el interior del protón y el electrón también se detiene.

Mi artículo está escrito muy seco y la traducción al idioma inglés no lo hace mejor, pero tiene ideas realmente nuevas y hasta ahora ninguna inconsistencia.

¿Por qué un electrón nunca golpea (y se adhiere) a un protón?
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