Apreciaré la explicación de un profano, si existe, a esta pregunta que surgió al leer un artículo de divulgación científica sobre Einstein y el ecuación.
Lo que quiero decir es que, ¿por qué el producto de la reacción no es un doblete de masa eléctricamente neutro? (= 1,022 MeV) y cuáles son las cargas opuestas que mantienen a las dos partículas atraídas entre sí?
Una explicación para un profano.
Un átomo de hidrógeno existe debido a la mecánica cuántica, y no a la mecánica clásica. En mecánica cuántica existen niveles de energía donde el electrón del átomo de hidrógeno, que tiene una masa minúscula con respecto al protón, sólo puede ocupar niveles de energía fijos alrededor del protón. El más bajo es el estado fundamental y no es cero, lo que permite la existencia del átomo de hidrógeno. De lo contrario, si solo tuviéramos la teoría clásica, el electrón caería sobre el protón y no sería posible ningún átomo de hidrógeno. En el estado fundamental cuántico, el electrón no tiene suficiente energía para convertir un protón en un neutrón, la conservación de la energía evita la desaparición.
Aún así, en la mecánica cuántica, que es una teoría probabilística, puede existir una pequeña probabilidad de que la función de onda del electrón se encuentre con un quark dentro del núcleo del protón e interactúe, con el efecto de destruir el átomo de hidrógeno. La probabilidad es tan pequeña que puede ignorarse.
En contraste, el "átomo" de positronio tiene niveles de energía como el hidrógeno, y es por eso que lo observamos, pero las probabilidades de que el electrón y el positrón en el estado fundamental se superpongan son enormes, porque tienen masas iguales e interactúan principalmente con el electromagnético. campo, y una vez que el positrón alcanza el estado fundamental (que corresponde matemáticamente al estado fundamental del electrón de hidrógeno) se superpone con el electrón y se aniquila porque ese es el resultado más probable.
Todo es cuestión de tamaños de constantes que describen las interacciones y leyes de conservación, cuyos detalles necesita estudiar para comprender.
Ya que pediste una explicación sencilla, intentaré darte una que se ciña a lo básico (por ejemplo, sobre lo que aprendí en la escuela secundaria) y espero que no sea demasiado básica. También voy a antropomorfizar las partículas subatómicas ya que hace que la explicación sea más rápida :)
La idea básica es que las dos partículas se aniquilan porque pueden, y cada vez que algo puede decaer, eso probablemente sucederá. Esto se debe en gran parte a la combinación de dos conceptos físicos: estados de energía mínima y conservación de estados cuánticos.
La primera parte dice, en esencia, que las partículas "prefieren" estar en el estado de masa y energía más bajo posible. Siempre que tienen "demasiada" masa o energía, intentan arreglarla decayendo. Esta es la razón por la que las partículas de gran masa, como las que se crean en los enormes colisionadores de partículas, se descomponen tan rápidamente. Aunque la masa y la energía son equivalentes, por varias razones, la energía es "preferida" a la masa cuando una partícula decide qué forma tomar.
La partícula de masa más baja que conocemos es el fotón: tiene masa cero y está hecha completamente de energía. Entonces, otras partículas son bastante rápidas para emitir y/o convertirse en fotones si pueden. Esta es la razón por la que las bombillas brillan: los electrones emiten parte de su propia energía en forma de fotones para que puedan estar en el estado de energía más bajo posible.
La segunda idea, sin embargo, dice que ciertas cantidades sobre un sistema nunca pueden cambiar. Probablemente haya oído hablar de la "conservación de la energía" o la "conservación del impulso", pero se conservan muchas cantidades físicas, incluida la carga. Para que un electrón se desintegre en algo, ese objeto debe tener todas las mismas cantidades conservadas, pero menos masa, y simplemente no existe tal partícula. Un fotón es menos masivo, pero no tiene carga, por lo que no es una opción.
Ahora, introducimos un positrón. El positrón por sí solo tiene el mismo problema que el electrón: está cargado, por lo que no puede desintegrarse en un fotón. Pero tiene una carga positiva , que es exactamente el valor opuesto a la carga negativa del electrón. Me estoy saltando muchos detalles aquí, incluidas otras cantidades conservadas, pero deberías hacerte una idea. La clave es que, además de la masa, un positrón tiene exactamente el valor opuesto para cada una de esas cantidades conservadas como un electrón.
Cuando los dos chocan, todas esas otras cantidades conservadas se cancelan y se vuelven cero. Nos quedamos con solo un objeto con la masa combinada de las dos partículas originales. Ahora no hay razón para no decaer en fotones, así que eso es lo que sucede.
sería para un par de partículas muy distantes donde la contribución de la energía potencial negativa a la masa total es insignificante. El positronio tiene una masa más pequeña y un positronio aniquilado tiene masa cero, por así decirlo.
El producto de la reacción es un doblete eléctricamente neutro de masa 2M (hasta correcciones de energía potencial insignificantes) en el que las cargas opuestas mantienen a las dos partículas atraídas entre sí. Este sistema electrón-positrón se llama "positronio". El positronio luego se descompone en fotones, porque el electrón y el positrón pueden aniquilarse en un volumen de longitud de onda Compton relativista cuando se acercan lo suficiente. El proceso de aniquilación es una interacción elemental, no sé cómo describirlo en términos más simples.
jerry schirmer