Hay múltiples razones por las que los protones son más pesados ​​que los electrones. Como usted sugirió, hay evidencia empírica y teórica detrás de esto. Comenzaré con lo empírico, ya que tienen un contexto histórico importante asociado con ellos. Como prefacio, esta será una publicación bastante larga, ya que explicaré el contexto detrás de los experimentos y las teorías.

Masa electrónica empírica

Históricamente, medir la masa de un electrón es un proceso de varios pasos. Primero, la carga se mide con el experimento de la gota de aceite de Millikan, luego la relación carga-masa se mide con una variación del experimento de JJ Thomson.

Gota de aceite de Millikan

En 1909, Robert A. Millikan y Harvey Fletcher midieron la masa de un electrón suspendiendo gotas de aceite cargadas en un campo eléctrico. Al suspender las gotitas de aceite de manera que el campo eléctrico anule la fuerza gravitatoria, se puede determinar la carga de la gotita de aceite. Repita el experimento muchas veces para gotitas de aceite cada vez más pequeñas y se puede determinar que las cargas medidas son múltiplos enteros de un valor singular: la carga de un electrón.

Experimentos de JJ Thomson

En 1897, JJ Thomson demostró que los rayos catódicos (un haz de electrones) estaban compuestos de partículas cargadas negativamente con una enorme relación carga-masa (en comparación con los elementos ionizados). El experimento comenzó determinando primero si los rayos catódicos podían ser desviados por un campo eléctrico. El rayo catódico se disparó en un tubo Crookes aspirado, dentro del cual pasaría entre dos placas antes de impactar en una pantalla eléctrica. Cuando las placas estaban cargadas, el haz se desviaba y golpeaba la pantalla eléctrica, demostrando así que los rayos catódicos contenían una carga.

Posteriormente realizaría un experimento similar, pero cambiando el campo eléctrico por un campo magnético. Esta vez, sin embargo, el campo magnético induciría una aceleración centrípeta sobre el rayo catódico y produciría círculos. Al medir el radio del círculo y la fuerza del campo magnético producido, la relación carga-masa ($e/m_e$) del rayo catódico se obtendría.

Multiplique esto por la carga elemental obtenida en el experimento del aceite de Millikan y tenga en cuenta la incertidumbre, y se obtiene la masa de los electrones en el rayo catódico.

Masa protónica empírica

A Ernest Rutherford se le atribuye el descubrimiento del protón en 1917 (reportado en 1919). En ese experimento detectó la presencia del núcleo de hidrógeno en otros núcleos. Más tarde llamó a ese núcleo de hidrógeno el protón, creyendo que era el bloque de construcción fundamental para otros elementos. Dado que el hidrógeno ionizado constaba únicamente de un protón, dedujo correctamente que los protones son bloques de construcción fundamentales para los núcleos de los elementos; sin embargo, hasta el descubrimiento del neutrón, el hidrógeno ionizado y el protón seguirían siendo intercambiables. Entonces, ¿cómo se midió la masa del protón? Midiendo la masa de hidrógeno ionizado.

Esto se hace de varias formas, de las cuales solo citaré aquí.

Variación de JJ Thomson

Repita el experimento de JJ Thomson con la desviación magnética; pero, cambie el rayo catódico por hidrógeno ionizado. Entonces puede medir la relación carga/masa ($e/m$) de los iones. Como la carga de un protón es equivalente a la carga de un electrón:

Otras variaciones

Otras variaciones pueden incluir los diversos métodos utilizados en química nuclear para medir el hidrógeno o el núcleo. Como no estoy familiarizado con estos experimentos, los estoy omitiendo.

Relación empírica de masa de protón a electrón

Así que ahora hemos determinado:

Usando los dos valores y la aritmética:

$\frac{m_p}{m_e} = \frac{1.6726219 \times 10^{-27} \, \mathrm{kg}}{9.10938575 \times 10^{-31} \, \mathrm{kg}} = 1836$, o$1800$si redondeas hacia abajo.

Relación de masa teórica de protón a electrón

En teoría, primero debe comprender un principio básico de la física de partículas. Masa y energía adquieren significados muy similares en la física de partículas. Para simplificar los cálculos y utilizar un conjunto común de unidades en la física de partículas, las variaciones de$\mathrm{eV}$son usados. Históricamente, esto se desarrolló a partir del uso de aceleradores de partículas en los que la energía de una partícula cargada era$\mathrm{qV}$. Para electrones o grupos de electrones,$\mathrm{eV}$era conveniente de usar. A medida que esto se extiende a la física de partículas como un campo, la conveniencia permanece, porque cualquier cosa que se desarrolle teóricamente necesita producir valores experimentales. Usando variaciones de$\mathrm{eV}$elimina así la necesidad de conversiones complejas. Estas unidades "fundamentales", llamadas unidades de Planck, son:

Ahora bien, ¿cuál es el resto de energías de un protón y un electrón?

Como hicimos con las masas determinadas experimentalmente,

que coincide con el valor previamente determinado.

¿Por qué?

Prefacio esta sección señalando que "por qué" es una pregunta polémica en cualquier ciencia sin ser mucho más específico . En este caso, es posible que se pregunte qué hace que la masa del protón sea 1800 veces mayor que la del electrón. Voy a intentar una respuesta aquí:

Los electrones son partículas elementales. No pueden (o al menos nunca se ha observado que lo hagan) descomponerse en partículas "constituyentes". Los protones, por otro lado, son partículas compuestas de 2 quarks up, 1 quark down y gluones virtuales. Los quarks y los gluones a su vez también son partículas elementales. Aquí están sus respectivas energías:

Si sientes que algo está mal, estás en lo correcto. si asumes

encontrarás:

pero

Esto plantea la pregunta: ¿qué pasó, por qué la masa del protón es 100 veces mayor que la masa de sus partículas elementales constituyentes? Bueno, la respuesta está en la cromodinámica cuántica, la teoría que rige "actualmente" la fuerza nuclear. Específicamente, este cálculo realizado anteriormente omitió un detalle muy importante: el campo de partículas de gluones que rodea al quark que une al protón . Si está familiarizado con la teoría del átomo, aquí se puede usar una analogía similar. Al igual que los átomos, los protones son partículas compuestas. Al igual que los átomos, esas partículas deben mantenerse unidas por una "fuerza".

Para los átomos, la fuerza electromagnética une los electrones al núcleo atómico con fotones (que median la fuerza EM). Para los protones, la Fuerza Nuclear Fuerte une los quarks con los gluones (quienes a su vez median la fuerza SN). Sin embargo, la diferencia entre los dos es que los fotones pueden existir independientemente del electrón y el núcleo. Así podemos detectarlo y realizar un sinfín de medidas con ellos. Sin embargo, para los gluones, no solo median la fuerza fuerte entre los quarks, sino que también pueden interactuar entre sí a través de la Fuerza Nuclear Fuerte. Como resultado, las interacciones nucleares fuertes son mucho más complejas que las interacciones electromagnéticas.

Confinamiento de color de gluones

Esto va más allá. Los gluones tienen una propiedad llamada color. Cuando dos quarks comparten un par de gluones, la interacción de los gluones está limitada por el color. Esto significa que a medida que los quarks se separan, el "campo de color" entre ellos aumenta linealmente en fuerza. Como resultado, requieren una cantidad cada vez mayor de energía para separarse unos de otros. Compare esto con la fuerza EM. Cuando intentas sacar un electrón de su átomo, requiere suficiente energía para ser arrancado de su capa al vacío. Si no lo hace, subirá uno o más niveles de energía, luego volverá a su capa original y liberará un fotón que lleva la diferencia.

De manera similar, si desea extraer un objeto de un planeta, debe proporcionarle suficiente energía para escapar de la gravedad del planeta indefinidamente (energía necesaria para alcanzar la velocidad de escape). A diferencia de la fuerza gravitatoria y la fuerza electromagnética, la fuerza que une a los gluones entre sí se vuelve más fuerte a medida que se separan. Como resultado, llega un punto inevitable en el que se vuelve cada vez más energéticamente más favorable para que se produzca un par de quarks-antiquarks que para que los gluones se arrastren más. Cuando esto ocurre, el quark y el antiquark se unen a los 2 quarks que se estaban separando, y los gluones que los unían ahora unen al nuevo par de quarks.

^{Esta animación es de Wikipedia , cortesía del usuario Manishearth bajo la licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported .}

¡Pero espera! ¿De dónde vinieron esos dos quarks? ¿Recuerda cómo separar los quarks requiere energía? Bueno, esa energía está en la escala de$\mathrm{GeV}$. A estas escalas, la energía puede convertirse en partículas con energía cinética. De hecho, en los aceleradores de partículas, normalmente vemos chorros de partículas de color neutro (mesones y bariones) agrupados en lugar de quarks individuales. Este proceso se denomina hadronización, pero también se conoce como fragmentación o ruptura de cuerdas según el contexto o el año. Finalmente, debo señalar que este es uno de los procesos menos comprendidos en la física de partículas porque no podemos estudiar u observar los gluones solos.

Masa de protones

Entonces, ahora volviendo a la pregunta original. Anteriormente notamos que la masa empírica del protón era$938.272 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$; pero, en teoría, su masa debería ser$9.6 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$. los$928.672 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$la diferencia surge de las restricciones de color que unen a los tres quarks. En términos más simples: la energía de enlace nuclear del protón.

Como se señaló, "por qué" es una pregunta difícil, pero podemos preguntarnos cuál es la opinión más fundamental que se conoce sobre esta pregunta.

Los electrones y los protones son bestias muy diferentes. Los electrones, por lo que podemos decir, son elementales y participan en las interacciones electromagnéticas y las llamadas interacciones débiles. Por otro lado, se sabe que los protones consisten en quarks. Los quarks son muy similares en muchas propiedades a los electrones pero a diferencia de estos últimos también participan en la llamada interacción fuerte descrita por la teoría llamada cromodinámica cuántica (QCD).

Por razones que no aclararé aquí, la interacción fuerte funciona como una banda elástica entre los quarks, lo que les permite comportarse como si estuvieran libres en distancias muy cortas (lo que podemos ver en los experimentos con colisionadores por los que conocemos su existencia), pero cada vez más fuertes. y más fuerte con la distancia, por lo que los quarks nunca vuelan como partículas libres, solo en forma de partículas compuestas conocidas como hadrones : protones, neutrones, piones, etc.

Además de las masas de los quarks (que en realidad son bastante pequeñas), el protón obtiene su masa de su energía de interacción. Debido a que la interacción fuerte es (sorpresa) muy fuerte, esta energía es enorme y constituye casi el 99% de su masa. Ahora, ¿podemos calcularlo usando QCD? Este es un problema extremadamente difícil: QCD es fácil en el régimen cuando los quarks están casi libres y la interacción fuerte puede tratarse como una perturbación. Pero para calcular la masa de los protones necesitamos trabajar en un régimen completamente diferente para el cual la mayoría de los métodos computacionales son inútiles. Sin embargo, se realizó con éxito usando QCD de celosía con un error de menos del 2%.

Es solo un valor empírico. De acuerdo con nuestro conocimiento actual, las masas en realidad provienen de algunas cantidades más fundamentales: el acoplamiento de yukawa del electrón y el campo de Higgs vev, en el caso de la masa del electrón; y la escala de confinamiento QCD (que a su vez proviene de la constante de acoplamiento fuerte), en el caso de la masa del protón. Pero de dónde vienen esos números, no lo sabemos.

Estás comparando 2 artículos diferentes. Si bien la carga de un protón es igual y opuesta a la del electrón, cualquier comparación termina ahí. Un electrón es una partícula fundamental que no puede descomponerse más, mientras que un protón puede descomponerse más en partículas más fundamentales. El gemelo antimateria del electrón es el positrón, que tiene la misma masa pero carga opuesta (positiva).

Además de las otras respuestas excelentes, tenga en cuenta que con la antimateria es perfectamente posible tener un positrón o un antiprotón (equivalente del protón con carga negativa). Simplemente no encuentras muchos en la Tierra, porque se aniquilan espectacularmente con la materia.

Como se explica en wikipedia , no se comprende bien la razón por la cual el universo observable está compuesto casi en su totalidad por materia y muy poca antimateria.

Las galaxias distantes podrían estar compuestas de antimateria y se predice que tienen átomos hechos de positrones y antiprotones con propiedades químicas idénticas a los materiales que conocemos. Pero al entrar en contacto con la materia "normal", se aniquilarían entre sí, liberando enormes cantidades de energía en forma de rayos gamma.

los$\Delta^+$partícula tiene el mismo contenido de quarks que el protón ($uud$), pero sin embargo, su masa es 1232$\frac{MeV}{c^2}$. La diferencia de masa entre esta partícula y el protón es unas 575 veces la masa del electrón. Esto seguramente muestra que algo está pasando entre los quarks constituyentes (el$u$-quark tiene una masa "desnuda" de alrededor de 4,2$\frac{MeV}{c^2}$, mientras que la$d$-quark tiene una masa "desnuda" de alrededor de 7,5$\frac{MeV}{c^2}$, lo que por supuesto no significa que los quarks realmente puedan existir sin ropa) que imparte una gran cantidad de masa tanto al protón como al$\Delta ^+$partícula.

Es notable que el$\Delta ^+$decae en aproximadamente$0,6$X$10^{-23}$(seg) en un neutrón y un pión positivo. Este corto tiempo es una señal de que el "algo" que está pasando entre los quarks constituyentes es la fuerte fuerza de color que juega para causar la transición. La vida útil del protón, por otro lado, es infinita; no hay un estado de menor energía al que pueda cambiar [al menos en el modelo estándar; en el modelo rishon, que conjetura que los quarks y los leptones son estructuras compuestas, el cambio de un protón a un positrón y un pión, por ejemplo, se explica fácilmente, al igual que la diferencia de masa entre un electrón y un muón, el último de los cuales se puede ver en rishon la luz como estado excitado del electrón; y con respecto a la distribución de materia y antimateria, el modelo rishon resuelve este enigma al afirmar que ¡hay tanta materia como antimateria! Pero este no es el lugar para discutir este modelo (teoría) y solo lo menciono aquí como un aparte].

¡Nadie sabe realmente la razón! Incluso teniendo en cuenta que el protón está hecho de quarks, las masas de electrones y quarks y sus fuerzas de interacción son números que no sabemos de dónde vienen.

Un día podría haber una teoría que nos diga por qué estos números deben ser los números que son. O podría resultar que estos números sean aleatorios. Nadie lo sabe... todavía!