Para el contexto: soy un ingeniero eléctrico que planea hacer una maestría en fotónica. Así que he estado estudiando el electromagnetismo y tratando de entenderlo con un poco más de profundidad de lo que me enseñaron las clases de electromagnetismo de ingeniería de pregrado. Descargo de responsabilidad: ni siquiera estoy cerca de ser un tipo intermedio de electromagnetismo.
Pregunta: Al hacer algunas búsquedas estándar en Google, encontré 2 "eventos" que pueden ocurrir entre un solo electrón y un solo protón. Una es que se "combinan" para formar un átomo de hidrógeno simple. La otra es una "reacción" relativamente más compleja en la que se combinan para formar un neutrón y un neutrino que creo que se llama "captura de electrones". Así que aquí está mi pregunta de dos partes:
1) Si tenemos un electrón libre hipotético y un protón libre cerca uno del otro pero no cerca de otras cosas, ¿qué es probable que suceda? ¿Combinación de los dos para formar un átomo de hidrógeno o la reacción donde se produce un neutrino? ¿O hay una tercera opción que me perdí?
2) ¿Hay alguna razón sencilla por la que no se acerquen lo suficiente como para "pegarse" entre sí? Si es así, ¿qué es? Si no, ¿cuál es la razón? Y considerando que no estoy familiarizado con la física de partículas, ¿qué debo hacer para comprender estos fenómenos?
Un solo protón y un solo electrón no pueden sufrir captura de electrones porque la masa combinada de las dos partículas es menor que la masa de un neutrón. Un neutrón es aproximadamente 1,29 MeV más pesado que un protón, y un electrón tiene solo 0,511 MeV de masa. Es posible que una colisión a velocidad relativista entre un protón y un electrón produzca un neutrón y un neutrino utilizando la energía cinética añadida para formar la masa requerida a través de . Entonces, la única interacción entre un electrón libre y un protón libre es para formar un átomo de hidrógeno.
En cierto sentido, un átomo de hidrógeno es un protón pegado a un electrón. En otro sentido, las partículas no pueden pegarse entre sí porque no tienen superficies sólidas. Solo pueden unirse entre sí a través de varias fuerzas (fuerzas electromagnéticas en este caso) y confinarse a un volumen limitado. Dentro de este volumen, la posición de una partícula fundamental es fundamentalmente incierta. La existencia de un electrón se extiende por el espacio y puede superponerse con el protón, que es como ocurre la captura de electrones en átomos más grandes.
La captura de electrones no ocurre para un solo protón. Se necesitan ciertos núcleos ricos en protones para lograr esto. Dependiendo de las condiciones iniciales, un protón y un electrón pueden dispersarse o combinarse para finalmente formar un átomo de hidrógeno.
Tu segunda pregunta no me queda clara.
La razón por la que un electrón y un protón no pueden: "pegarse" entre sí es que ambos obedecen a la mecánica cuántica, específicamente al principio de incertidumbre de Heisenberg. Un protón tiene un radio de carga menor que un fm. Un electrón confinado en una región tan pequeña tendría una enorme incertidumbre de momento y, por lo tanto, no podría permanecer en esa ubicación. Para entender estos fenómenos necesitas aprender mecánica cuántica.
Arrozal
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