¿Es posible tener una partícula con carga positiva y negativa?

Comprender las partículas al nivel de distancias muy pequeñas requiere al menos un poco de mecánica cuántica.

Considere el positronio . Este es un estado ligado de un electrón (carga -1) y un positrón (carga +1). Tiene una vida útil muy corta, 0,1244 ns. Las dos partículas se aniquilan y liberan fotones. Esto puede suceder porque los números cuánticos de las dos partículas son exactamente opuestos. Son un par partícula-antipartícula. Entonces, todas las leyes de conservación se pueden mantener si se convierten en fotones.

Comparar con un átomo de hidrógeno . Este es un estado ligado de un electrón (carga -1) y un protón (carga +1). Pero en este caso, el protón no es la antipartícula del electrón. No todos los números cuánticos son opuestos. Entonces no pueden aniquilar, el sistema es estable.

Pero, ¿qué pasa con los infinitos cuando la carga del electrón y la carga del protón se superponen? La mecánica cuántica nos dice que una partícula realmente no tiene tamaño cero, incluso cuando es una partícula puntual. "Partícula puntual" significa que no tiene subestructura. Por lo que sabemos, un electrón no tiene partes componentes. Pero un protón está formado por tres subcomponentes llamados quarks, por lo que no es una partícula puntual. Así como el átomo de hidrógeno no es una partícula puntual porque está formado por un electrón y un protón.

Como las partículas no tienen tamaño cero, evitan el infinito. Este en particular de todos modos. En lugar de que el potencial tenga este pozo infinitamente profundo en el origen, tiene una pequeña bola de carga distribuida. Entonces, durante la pequeña fracción de tiempo que el electrón pasa superponiéndose al protón, ve un valor de potencial constante finito.

Hay mucho más en la situación que eso. Si está interesado, debería profundizar en algunos textos de mecánica cuántica. Si quieres seguir ese camino, también debes prestar atención en la clase de matemáticas. Hay una gran cantidad de cálculo esperándolo en QM.

Uno tiene que definir el término "partícula". Después de más de un siglo de observaciones y mediciones, la corriente principal de la física utiliza modelos teóricos para responder a tales preguntas, pero estos modelos dependen de los marcos utilizados para describir las partículas.

Existe el marco clásico que usa en su pregunta, pero ese marco está limitado a dimensiones mayores que nanómetros y energías medidas en julios. Cuando las dimensiones se vuelven muy pequeñas, como en su hipótesis de la superposición de dos partículas, una está en el marco de la mecánica cuántica y tiene que usar las teorías de la mecánica cuántica para modelar los datos y predecir lo que sucede.

En la física de partículas a nivel cuántico, las partículas elementales son partículas puntuales , y su (x,y,z) sigue ecuaciones probabilísticas mecánicas cuánticas y una superposición, por ejemplo de un electrón con un positrón, conduce a la aniquilación, desaparición de carga, y solo rayos gamma, si las energías son bajas.

Todas las demás partículas son compuestos de partículas elementales nuevamente gobernados por ecuaciones probabilísticas mecánicas cuánticas, y como compuestos cuánticos no tiene sentido hablar de que la carga está en un (x, y, z) específico. Cuando un protón se encuentra con un antiprotón, ocurren complicadas interacciones de quarks, dependiendo de las energías, y la carga desaparece.

Entonces, el infinito clásico de la ley de Coulomb nunca se alcanza en el nivel cuántico subyacente.

Si la partícula es compuesta, entonces sí. Por ejemplo un dipolo.

Si la partícula es elemental, entonces no. Sin embargo, si los cargos son de diferentes tipos, entonces es posible. Por ejemplo, el hipotético dyon tiene cargas tanto magnéticas como eléctricas.

Otros han mencionado puntos importantes de la mecánica cuántica sobre el asunto de las cargas opuestas que se acercan entre sí. Hay un asunto clásico que ayuda a aproximar los dipolos eléctricos.

Suponga que tiene una carga q en$(0,0,z_0/2)$y -q en$(0,0,-z_0/2)$. Tiene un momento dipolar de$qz_0\hat{k}=p_0\hat{k}=\vec{p}.$

Si toma el límite del campo eléctrico resultante como$z_0\to 0$mientras$p_0$permanece constante (ajustando la carga apropiadamente), se obtiene el campo de un dipolo eléctrico ideal:

Fíjese, hay un campo a pesar de que no hay cargo neto. Esta es una aproximación decente para el campo eléctrico de las moléculas polares. Entonces, clásicamente, se podría decir que las cargas opuestas cercanas entre sí dan lugar a un momento dipolar con un campo eléctrico característico que sigue una ley del inverso del cubo, en oposición a la ley del inverso del cuadrado de una carga eléctrica independiente. La carga es cero, pero el momento dipolar, el momento cuadripolar, etc., no son necesariamente$0$y dar lugar a campos eléctricos.

La carga eléctrica es una propiedad de la materia. La materia tiene masa y ocupa volumen. No es posible que diferentes materias ocupen el mismo espacio al mismo tiempo. Dos partículas de carga opuesta pueden acercarse mucho, pero nunca pueden ocupar la misma posición simultáneamente. En pocas palabras, "el escenario donde las dos partículas de carga opuesta estaban en la misma posición" no puede ocurrir. Tratar de razonar sobre tal situación requeriría materia con volumen cero, desafiando las propiedades fundamentales de lo que es la materia.