Fusión de protones y electrones

¿Alguien puede explicar qué pasaría si un electrón y un protón, muy cerca uno del otro, se dejan "caer" uno al otro en línea recta?

Respuestas (5)

Formarían un átomo de hidrógeno.

No se fusionarían, porque la fusión daría como resultado un neutrón, que es más pesado que un protón y un electrón combinados. Sin embargo, si se "golpean" con suficiente fuerza entre sí, podrían formar un neutrón (y un neutrino electrónico, que tiene una masa insignificante). El neutrón se desintegraría más tarde en protón, electrón y antineutrino electrónico (tiene una vida media de unos 10 minutos).

Agregaría algo como "sí, se atraen entre sí a través de la carga eléctrica, pero cuando se acercan mucho, las fuerzas nucleares se vuelven significativas (y repulsivas).
¿Puede explicar un poco su afirmación sobre la "fuerza nuclear repulsiva", cuál es el criterio para una fuerza nuclear repulsiva y también de qué tipo, fuerte o débil? En general, lo que se dice sobre la fuerza nuclear fuerte es que son atractivos y de corto alcance.
Por qué necesitan ser "golpeados" para hacer un neutrón. ¿Qué fuerza de repulsión es responsable de actuar contra la fuerza de atracción eléctrica entre el protón y el electrón?
@rim es porque el neutrón es más pesado que el protón y el electrón combinados, por lo que necesitan algo de energía adicional para formar un neutrón. No se trata de fuerzas repulsivas y atractivas, se trata de masas. Si los neutrones fueran menos masivos, entonces esa energía adicional no sería necesaria, pero los átomos de hidrógeno no serían estables, se descompondrían en neutrones.
En la mayoría de los casos, el protón y el electrón simplemente rebotan entre sí (dispersión). La formación de un átomo de hidrógeno tiene alguna probabilidad (ni 0 ni 1), el proceso también requiere la radiación de uno o más fotones.
@fraxinus ciertamente formarían un átomo de hidrógeno si carecieran de suficiente energía cinética para escaparse entre sí, lo que parecía estar implícito en la pregunta. Sin embargo, en ese caso, ya son un átomo de hidrógeno desde el principio, que puede ser un átomo de Rydberg altamente excitado , pero eventualmente se desintegrará al estado fundamental.
¿Qué fuerza nuclear, fuerte o débil, actuará como fuerza repulsiva en dicha interacción electrón-protón? ¿Alguien puede describir o señalar la expresión de tal fuerza?
@rim no hay fuerza repulsiva relevante . El electrón y el protón interactúan gravitacionalmente, electromagnéticamente y con interacción nuclear débil (los electrones no interactúan con el fuerte). La interacción nuclear débil puede convertirlos en un neutrón (si hay suficiente energía) y luego hace que ese neutrón se desintegre. Pero su comportamiento repulsivo/atractivo es irrelevante aquí. Lo único relevante que hace en esta historia es "transmutar" partículas (con alguna probabilidad distinta de cero cuando lo permitan las leyes de conservación).
Formarían un átomo de hidrógeno. No necesariamente.
'No se fusionarían' Esto no puede excluirse.
'si se "golpean" con suficiente fuerza entre sí' No hay nada que mantenga separados al electrón y al protón. De hecho, en los átomos siempre hay una densidad de electrones sustancial en el núcleo.
@ my2cts nada los mantiene separados, pero el hecho de que un neutrón sea más masivo evita que se conviertan en un neutrón (necesitan energía adicional para hacerlo y la energía cinética podría funcionar). No es lo mismo estar en el mismo lugar que ser una partícula más.
@Danijel Lea mi respuesta, sin embargo. Pueden convertirse en neutrones más neutrinos.
@my2cts con suficiente energía, sí. Pero no sin él. Y sí, también puede funcionar una localización suficiente, que también cae bajo la energía cinética suficiente.
De la publicación anterior no se puede concluir que no hay suficiente energía. Por lo tanto, se puede formar un neutrón.

¿Alguien puede explicar qué pasaría si un electrón y un protón, muy cerca uno del otro, se dejan "caer" uno al otro en línea recta?

Una de las tres evidencias sólidas de que la electrodinámica y la mecánica clásicas no podían describir electrones, protones y átomos era precisamente el hecho de que en la electrodinámica clásica el electrón atraído por la carga del protón caería por aceleración sobre el protón neutralizándolo, con una radiación electromagnética continua.

En cambio, existían frecuencias discretas, los espectros atómicos. Se inventó la mecánica cuántica, lo que llevó a ajustar los espectros de hidrógeno con soluciones de energía cuantificada.

Los otros dos fracasos experimentales de la física clásica que la mecánica cuántica explicó matemáticamente en ese momento fueron el efecto fotoeléctrico y la radiación del cuerpo negro.

Deseo señalar que los electrones son LEPTONS, y los protones son HADRONS (perdonen los GRITOS). Todos los protones están formados por 3 quarks (uud). Los neutrones tienen quarks (udd). Los leptones tienen 0 quarks y no participan en interacciones de fuerza fuerte que están mediadas por intercambios de gluones entre los quarks componentes del hadrón. Un leptón solo puede aportar energía (a partir de su movimiento cinético). Si bien existe atracción de Coulomb entre el protón y el electrón entrante, se necesita mucha energía para que un protón u quark haga la transición a d (una probabilidad ingenua de ⅔, suponiendo que se acerque dentro de 10 − 17 metros), pero para equilibrar toda la contabilidad cuántica, ¡también se necesita un antineutrino electrónico! Un diagrama de Feynman mostraría esto (ver http://hst-archive.web.cern.ch/archiv/HST2002/feynman/examples.htm ). Como tal, el electrón probablemente perdería su energía como emisiones de Bremsstralung.

¿Por qué GRITAS sobre la diferencia entre LEPTONS y HADRONS?

Si simplemente caen directamente uno hacia el otro, no pueden combinarse. Para combinarse, necesitarían formar un neutrón, pero un neutrón tiene un poco más de masa. La masa adicional tendría que provenir de otra partícula o fuente de energía, por ejemplo, estrellándolas con suficiente fuerza.

Entonces, como no pueden combinarse, permanecerían como un protón y un electrón. Se atraerían entre sí debido a que tienen una carga opuesta, pero cuando se "acerquen demasiado", las interacciones nucleares se volverán dominantes (más poderosas) y harán que se repelan entre sí.

Otra forma de ver la energía necesaria para fusionarse es la energía necesaria para superar esa repulsión cuando se acercan mucho.

Entonces terminarían cerca pero no demasiado cerca. Atraído eléctricamente, pero incapaz de acercarse mucho o fusionarse.

Entonces permanecería como un átomo de hidrógeno, un protón con un solo electrón unido.

El electrón no es repelido del protón por ninguna interacción nuclear. Simplemente permanece alrededor del protón con una distancia media finita (radio de Bohr) debido a la incertidumbre de Heisenberg.
'Si simplemente caen directamente uno hacia el otro' No lo son. La función de onda de electrones se extenderá rápidamente.
Estoy usando términos simples, no técnicos aquí, porque claramente la pregunta está formulada de una manera que sugiere que una descripción un poco menos técnica pero más intuitiva puede ser útil.

Existe la probabilidad de que formen un neutrón, un átomo de hidrógeno en algún estado o un sistema de protones de electrones no ligados. Cada una de estas posibilidades puede ocurrir con una probabilidad relativa dependiendo del estado inicial. Por lo tanto, no es correcto decir que debe resultar un átomo de hidrógeno, incluso sin especificar en qué estado.

La mecánica cuántica nos dice que un electrón muy localizado centrado en un protón corresponde a una superposición de estados unidos e ionizados de hidrógeno. Un electrón muy localizado tiene una energía cinética muy alta que puede exceder la energía potencial. La forma más rápida de ver esto es usar el principio de incertidumbre de Heisenberg para la posición y el momento. HUP le dice que una función de onda de electrones fuertemente localizada requiere una superposición de ondas de momento muy alto. Un momento muy alto significa también una energía cinética muy alta.

Tenga en cuenta que si están presentes componentes con energía cinética lo suficientemente alta como para superar la diferencia de masa del neutrón y el protón y para crear un neutrino electrónico de suficiente energía y cantidad de movimiento, también se puede formar un neutrón más un neutrino.

¿Puede explicar cómo un electrón localizado tendrá la alta energía cinética necesaria para superar la abrumadora fuerza eléctrica atractiva?
Agregué un párrafo sobre la incertidumbre de Heisenberg.
@rim Los electrones no son pequeñas bolas de cosas. Son cuantos, ondas con algunas propiedades muy específicas. Al igual que una onda de sonido no está localizada, los electrones tampoco lo están. Los electrones unidos a los átomos llenan algo llamado orbital, esencialmente, una onda estacionaria complicada. En última instancia, eso significa que los electrones tienen estados discretos que pueden ocupar, con niveles de energía discretos. La cuestión es que cuanto más localizado está un cuanto (menor incertidumbre hay en su posición), mayor impulso (y velocidad) debe tener. Si vuelve a pensar en el sonido, las ondas sonoras de alta frecuencia son "más pequeñas".
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