¿Los protones son más grandes que los electrones?

En todos los libros de texto/física que he leído, los protones se mencionan como partículas que son más grandes, mucho más grandes 2000 veces para ser precisos, que los electrones... Lo creía hasta hace unos minutos cuando busqué en Google "¿cuál es el radio?" de un electrón" y luego leí en alguna parte que era 2,5 veces más grande que el radio de un PROTÓN... el radio de un ELECTRÓN es más grande que el de un PROTÓN. Lo cual va completamente en contra de todos los libros de texto de física que he leído... Se valorará cualquier ayuda para explicar por qué los protones son 2000 veces más grandes mientras que su radio es 2,5 veces más pequeño que el de un electrón... gracias de antemano

tienes que dar un enlace a la reclamación. El contexto es importante particularmente en declaraciones controvertidas.
Los electrones, como todas las partículas fundamentales (es decir, no compuestas), son partículas puntuales en el modelo estándar. No son pequeñas esferas con un radio.
Los protones tienen mucha más masa , no volumen . Las dos son propiedades muy diferentes; de hecho, para partículas pequeñas como protones y electrones, mayor masa significa ocupar menos espacio (o más exactamente, menos incertidumbre en su posición: ni los electrones ni los protones son pequeñas bolas).
¿Responde esto a tu pregunta? ¿Los electrones tienen forma?
¿No podría ser que leíste algo sobre el radio de la órbita del electrón?
Siempre lo he visto expresado muy específicamente que los protones son más "masivos" que los electrones. Nunca que sean más grandes. Aunque nunca le he dado mucho volumen, para ser honesto.
Sospecho que esta pregunta no se basa en un corpus muy grande de libros de física. Una revisión rápida de algunos libros de texto de física revela "más masivo", "la masa es... más grande", "la masa es... más grande", "más pesado", "pesa... veces más", etc. Solo encontré dos libros que hicieron esto: Radiografía en la era digital hablaba de "tamaño" y "más grande". Inmediatamente después se contradijo hablando de carga eléctrica y masa. El otro fue una discusión sobre teoría atómica dirigida a pilotos de helicópteros.

Respuestas (5)

Las partículas mecánicas cuánticas tienen masas bien definidas, pero no tienen tamaños bien definidos (radio, volumen, etc.) en el sentido clásico. Hay varias formas de asignar una escala de longitud a una partícula, pero si piensa en ellas como pequeñas bolas con un tamaño y forma bien definidos, entonces está cometiendo un error.

Longitud de onda de de Broglie: Las partículas que pasan a través de pequeñas aberturas exhiben un comportamiento ondulatorio, con una longitud de onda característica dada por

λ d B = h metro v
dónde h es la constante de Planck, metro es la masa de la partícula, y v es la velocidad de la partícula. Esto establece la escala de longitud en la que los efectos cuánticos como la difracción y la interferencia se vuelven importantes. También resulta que si el espacio promedio entre partículas en un gas ideal es del orden de λ d B o menor, la mecánica estadística clásica se rompe (por ejemplo, la entropía diverge a − ∞ ).

Longitud de onda de Compton: una forma de medir la posición de una partícula es hacer brillar un láser en la región donde cree que estará la partícula. Si un fotón se dispersa fuera de la partícula , puede detectar el fotón y rastrear su trayectoria para determinar dónde estaba la partícula. La resolución de una medición como esta se limita a la longitud de onda del fotón utilizado, por lo que los fotones de menor longitud de onda producen mediciones más precisas.

Sin embargo, en cierto punto la energía del fotón sería igual a la energía de la masa de la partícula. La longitud de onda de tal fotón está dada por

λ C = h C metro C 2 = h metro C
Más allá de esta escala, la medida de la posición deja de ser más precisa porque las colisiones fotón-partícula empiezan a producir pares partícula-antipartícula.

Radio "clásico": si desea comprimir una cantidad total de carga eléctrica q en una esfera de radio r , se necesita energía aproximadamente igual a tu = q 2 4 π ϵ 0 r (esto está apagado por un factor de 3/5, pero no importa, solo estamos viendo órdenes de magnitud). Si lo igualamos al resto de la energía metro C 2 de una partícula (cargada), encontramos

r 0 = q 2 4 π ϵ 0 metro C 2
Esto a veces se llama el radio clásico de una partícula con carga q y masa metro . Resulta que esto es del mismo orden de magnitud que la sección transversal de dispersión de Thompson , por lo que esta escala de longitud es relevante cuando se considera la dispersión de ondas electromagnéticas de baja energía fuera de las partículas.

Radio de carga: si modela una partícula como una "nube" esférica de carga eléctrica, puede realizar experimentos de dispersión de muy alta precisión (entre otras cosas) para determinar qué tamaño efectivo tiene esta nube de carga. El resultado se llama el radio de carga de la partícula, y es una escala de longitud muy relevante para considerar si está pensando en los detalles finos de cómo la partícula interactúa electromagnéticamente. Fundamentalmente, el radio de carga surge en las partículas compuestas porque sus constituyentes cargados ocupan una región del espacio distinta de cero. El radio de carga del protón se debe a los quarks que lo componen y se ha medido en aproximadamente 0.8 femtómetros; por otro lado, no se sabe que el electrón sea una partícula compuesta, por lo que su radio de carga sería cero (lo cual es consistente con las mediciones).

Energía de excitación: La longitud de onda del fotón, cuya energía es suficiente para excitar los constituyentes internos de la partícula a un estado de energía superior (p. ej., de vibración o rotación), proporciona otra escala de longitud. El electrón es (hasta donde sabemos) elemental, lo que significa que no tiene componentes para excitar; como resultado, el tamaño del electrón también es cero según esta medida. Por otro lado, el protón puede ser excitado en un barión Delta por un fotón con energía mi ≈ 300 MeV, correspondiente a un tamaño

λ = h C mi ≈ 4  femtometros

En los primeros tres ejemplos, observe que la masa de la partícula aparece en el denominador; esto implica que, en igualdad de condiciones, las partículas más masivas corresponderán a escalas de longitud más pequeñas (al menos según estas medidas). La masa de un protón es inequívocamente mayor que la de un electrón por un factor de aproximadamente 1.836 . Como resultado, la longitud de onda de De Broglie, la longitud de onda de Compton y el radio clásico del protón son más pequeños que los del electrón por el mismo factor. Esto plantea la pregunta de dónde provino el magro reclamo de 2.5x.

Una búsqueda rápida en Google muestra que este reclamo aparece en el sitio AlternativePhysics.org. El punto que se está haciendo es que el radio del electrón clásico mencionado anteriormente es 2,5 veces el radio del protón "medido", por lo que se refieren al radio de carga del protón medido . Esto es cierto, pero no particularmente significativo: al ser objetos mecánicos cuánticos, ni el electrón ni el protón tienen un radio en el sentido que lo tiene una canica clásica. Comparar dos partículas usando dos medidas de tamaño completamente diferentes es comparar manzanas con naranjas.

Como nota final, le advierto que no se tome demasiado en serio ninguna de las afirmaciones que encuentre en AlternativePhysics.org. Tomando prestado un dicho de la comunidad médica, hay un nombre para el subconjunto de "física alternativa" que en realidad tiene sentido. Se llama física .

El electrón puede salir (y siempre sale) al estado "electrón + fotones emitidos".
@VladimirKalitvianski Me refería específicamente a una excitación interna, no simplemente un estado con más energía cinética, pero editaré para aclarar este punto.
La ionización atómica no es una excitación interna, pero muestra que el átomo no es puntual. Hay procesos de dispersión elásticos e inelásticos, y hay una imagen inclusiva; cada uno da diferentes "tamaños".
El radio del protón se puede determinar a partir del experimento. Las tres definiciones de tamaño de partícula dadas anteriormente son todas incorrectas. La mejor es la longitud de onda Compton (1,5 fm) que es casi el doble del valor experimental.
@ my2cts El protón no tiene radio porque no es una esfera pequeña. Te refieres al radio de carga, otra forma más de asignar un tamaño a un objeto cuántico. Es la medida más relevante para muchos experimentos, pero ciertamente no la única posible.
@J.Murray Estoy usando la terminología de los expertos en el campo. Están trabajando en el rompecabezas del radio del protón, donde la carga está implícita. Tiene razón en que la distribución de energía y carga puede ser diferente.
@ my2cts Estoy seguro de que algunos expertos están trabajando en un área donde el radio de carga es útil... y otros están trabajando en un área donde la longitud de onda de Compton es útil.
@ user253751 Google da como primer resultado para "radio de protones": en.wikipedia.org/wiki/Proton_radius_puzzle . No hay mención de un radio de Compton allí. También puede consultar nature.com/articles/d41586-019-03364-z . Tampoco se menciona allí una conexión con la longitud de onda de Compton. Presente una referencia si cree que dicha conexión es relevante.
@ my2cts este es un argumento extraño. Por supuesto, las personas que trabajan en el radio de carga de protones hablan sobre el radio de carga de protones y no sobre cualquier otra medida del tamaño de protones, y debido a que ese es un problema relativamente famoso, es lo que Google establece por defecto. No significa que otras medidas del tamaño del protón sean "incorrectas". Por cierto, trabajo en el laboratorio donde se realizó una de esas mediciones (aunque en un experimento diferente).
@Ilama No estoy argumentando en contra de otra definición. Usted es el que está haciendo un argumento para ello. Solo estoy interesado en ver una referencia de la investigación principal para respaldar esto.
@ my2cts: estás siendo escéptico sobre las cosas equivocadas. El artículo de Wikipedia al que se vinculó en realidad dice que está hablando del radio de carga (lo que implica que hay otros tipos de radios de los que puede hablar). Y, de hecho, hay un enlace, allí mismo, al artículo de Wikipedia sobre Charge Radius, que establece claramente que "ni los átomos ni sus núcleos tienen límites definidos" (tenga en cuenta que esto incluye el núcleo de hidrógeno, que es solo un protón). Lo que significa que tienes que definir lo que tomarás como el radio. No hay nada controvertido en nada de esto.
@ my2cts Considere esto: la atmósfera de la Tierra tampoco tiene un límite definido, simplemente se desvanece en el espacio. De hecho, su parte más exterior posiblemente llegue más allá de la Luna . Entonces, ¿cómo defines su grosor? Si considera que el límite está en el 99% de la masa, tiene un espesor de aproximadamente 31 km. Si eliges la marca del 99,9%, son 42 km. Si toma 99.99997%, son 100 km, el comienzo del espacio por convención internacional . Pero todavía hay una atmósfera más allá de eso. Si imaginas que tiene una densidad uniforme, por lo que tiene un límite definido, son solo unos 8,5 km. Algo similar con las partículas.
podría estar pensando en la sección transversal que, paradójicamente, no se traduce directamente en una medida de tamaño
Pensar en las partículas cuánticas como "pequeñas bolas con un tamaño y forma bien definidos" es muy engañoso, pero el operador de posición de Newton-Wigner tiene estados propios localizados en la escala de la longitud de Compton. Tenga en cuenta que el estado propio | X ⟩ del operador de posición canónica no es normalizable, por lo que no es físico. Si bien las interacciones en el modelo estándar son puntuales, no existen estados completamente localizados (Heisenberg no lo permite). Cf. la extensa literatura sobre la transformación de Foldy-Wouthuysen.
Solo uno de estos tiene algún reclamo para ser llamado del tamaño de un protón, y ese es el radio de carga. Deberías comenzar con ese. Los otros tienen unidades de longitud, pero de ninguna manera tienen el tamaño de un protón, a menos que también pienses que el radio de la tierra es algo completamente diferente de 6400 km. Por cierto, en esa categoría de longitudes que no son tallas, omitió el radio de Schwarzschild.
@benrg Gracias, pero estoy satisfecho con mi respuesta en su forma actual. El punto que pretendía hacer es que "¿qué tan grande es un protón?" es una pregunta mal definida a menos que especifique lo que quiere decir con grande , y que hay varias cantidades diferentes con dimensiones de longitud que podrían, en el contexto adecuado, interpretarse como una medida del tamaño de una partícula mecánica cuántica. Eres más que bienvenido a escribir una respuesta detallando cómo encuentras que esta está equivocada, por supuesto.

Un protón es una partícula compuesta con un radio de aproximadamente 0,8-0,9 femtómetros. Este valor se obtiene a partir de datos espectroscópicos y de dispersión que son sensibles a los detalles del potencial de Coulomb a muy pequeña escala.

Por lo que sabemos, un electrón es una partícula puntual . No se encontraron grados de libertad internos además del giro y los datos de dispersión son consistentes con un límite superior para el radio de 10 − 18 m (de wikipedia pero con un enlace roto como referencia). El problema sin resolver es que la energía propia de EM diverge para una partícula puntual. Para un radio de 2,8 femtómetros, esta energía propia ya es igual a la masa del electrón, por lo que este valor se conoce como el radio (de Thomson) del electrón. Es este número el que causó su confusión.

Al leer la buena última respuesta de Roger, también es importante tener en cuenta que un átomo no tiene un volumen bien definido. Tratar al electrón y al protón como esferas perfectas con densidad de masa uniforme no es correcto. Habiendo dicho eso, tenga en cuenta que si bien las mediciones clásicas pueden poner al electrón en aproximadamente 2.5 veces el diámetro de un protón como usted ha dicho (y una cita a eso también sería bueno, ¿se refiere al radio clásico del electrón?), la masa de un protón es 2000 veces mayor que la de un electrón.

La masa de un electrón es ≈ 9.1 × 10 − 31 k gramo mientras que la del protón es ≈ 1.67 × 10 − 27 k gramo . "Tamaño" y masa no son lo mismo.

Los átomos tienen un volumen bien definido, pero depende de la química. Por ejemplo, un átomo de sodio en el metal en condiciones ambientales tiene un volumen de ~0,4 nm 3 .
@my2cts ¿Es así como generalmente se ve? Me parece un poco como decir que un automóvil en un estacionamiento tiene un tamaño de 45 m3, porque un espacio de estacionamiento de 750 m2 de 3 m de altura tiene espacio para 50 automóviles. Sin embargo, no soy un experto, tal vez tenga sentido para los átomos.
@Mark También hay que considerar la fracción de embalaje, te lo doy. Tenga en cuenta que en el ejemplo de su automóvil, la fracción de empaque es demasiado baja para ignorarla, incluso para una estimación aproximada. En cristales está mucho más cerca de la unidad. Consulte en.wikipedia.org/wiki/Atomic_packing_factor .
@ my2cts Los átomos no tienen un volumen bien definido. Según la física cuántica, los orbitales que contribuyen a la "forma" y el "tamaño" de un átomo no tienen un límite definido. Por química, la computadora de "volumen" para un átomo depende del átomo con el que se unió.
@electronpusher El neumático de su automóvil tampoco tiene un volumen bien definido. Depende de la presión, la temperatura, la carga, las condiciones atmosféricas y la rugosidad. Nada tiene un volumen bien definido si eres lo suficientemente crítico. El volumen atómico está lo suficientemente bien definido para ser útil.
@ my2cts ¿es realmente necesaria toda esta pedantería y contrariedad? ¿Cuál es el punto que estás tratando de hacer?
@my2cts Un neumático de automóvil tiene un volumen muy bien definido. Todos los objetos clásicos tienen una forma/límite/bordes bien definidos, etc. Su lógica implicaría que, digamos una pelota de playa, no tiene un volumen bien definido porque podría dejar salir el aire. No. Su volumen es 4 / 3 π r 3 .
@Foo Bar A veces es útil para definir volúmenes atómicos o iónicos. La afirmación de que un átomo no tiene un volumen bien definido no siempre es útil. Argumento en contra de declaraciones demasiado confiadas porque puedo. Sin dogmas. Por cierto, estás rompiendo las reglas del foro con tu último comentario.
@jh Puedes exprimir una pelota de playa, mucho más fácil que un átomo.

El hecho detrás de esta afirmación es que las masas de protones y neutrones son unas 2000 veces mayores que las de los electrones. La masa es una característica más objetiva y permanente de una partícula que su tamaño (que a menudo se define como la extensión de su función de onda y puede variar significativamente en diversas circunstancias).

gracias por la respuesta... pero piénsalo de esta manera: la masa de una partícula es directamente proporcional a su volumen, que también es directamente proporcional al radio... Así que no veo cómo, bajo ninguna circunstancia, el radio de un electrón puede ser mayor que la de un protón
@alienare4422 volumen que también es directamente proporcional al radio No, no lo es.
@ alienare4422 La masa de una partícula es proporcional a su volumen, solo si asume que las partículas tienen densidades constantes, que estas densidades son las mismas para todas las partículas y que la densidad de la partícula es la misma en todas las circunstancias. Nada de esto es cierto, especialmente en el mundo cuántico.

Déjame darte la loca idea de que el radio de un electrón y un protón es fijo pero complejo, donde la parte real es la media y la parte imaginaria es la desviación estándar. Entonces, el radio clásico de un electrón y un protón determina el valor medio, y el valor de la raíz cuadrada media es variable en su significado. El radio del electrón es puntual a altas energías, cuando se aplican correcciones relativistas, y la sección transversal de dispersión es proporcional al cuadrado del radio clásico del electrón.

La fórmula para la sección transversal de dispersión de un fotón por un electrón no necesita ser regularizada y determina la sección transversal de dispersión

R mi σ = σ ( 0 ) − σ ( ∞ ) = 8 3 π r mi 2 ; σ ( X ) = σ ( ℏ ω metro C 2 )
En este caso, el radio en forma compleja es
R mi = r mi ( 1 ± ( R mi σ − π r mi 2 ) / π i ) = r mi ( 1 ± 1.29 i )
su módulo determina la sección transversal de dispersión
| R mi | = r mi | 1 ± 1.29 i | = 1.63 r mi = 8 3 r mi
Las fórmulas para la sección transversal de la dispersión de un electrón por un electrón y la aniquilación de un electrón y un positrón con la formación de dos fotones requieren regularización. El parámetro de regularización debe elegirse de modo que el tamaño del electrón coincida con el tamaño del electrón cuando un fotón es dispersado por un electrón. Resulta que las tres fórmulas determinan por igual el tamaño del electrón.

No existe un valor inequívoco para el tamaño de las partículas elementales. Las partículas elementales no tienen un tamaño finito y es imposible determinar un tamaño final inequívoco por su carga. Para un electrón, hay secciones transversales de dispersión de varias reacciones, y con su ayuda pude determinar el tamaño complejo de un electrón. El tamaño complejo de un electrón se determina hasta la parte imaginaria. Para un protón, esto no se puede hacer, ya que no hay fórmulas que describan el área de la sección transversal de las reacciones. Las fuerzas nucleares no están descritas por la teoría de la perturbación, por lo tanto, solo se realizan mediciones y no hay fórmulas teóricas. El radio clásico del electrón es mayor que el radio clásico del protón. Pero esto no significa nada, se desconoce el tamaño del protón.

¿Los protones son más grandes que los electrones?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v