Почему протоны тяжелее электронов?

Наш учитель сказал нам, что протоны почти в 1800 раз тяжелее электронов. Есть ли какая-нибудь известная причина, почему это так? Или это просто эмпирическое значение, причина которого нам неизвестна?

Митчелл Портер

Это просто эмпирическое значение. Согласно нашим текущим знаниям, массы на самом деле происходят от некоторых более фундаментальных величин - взаимодействия электронов Юкавы и поля Хиггса vev в случае массы электрона; и масштаб удержания КХД (который, в свою очередь, происходит из константы сильной связи) в случае массы протона. Но откуда берутся эти цифры, мы не знаем.

Как уже отмечалось, «почему» - сложный вопрос, но мы можем спросить, какова наиболее фундаментальная известная точка зрения по этому вопросу.

Электроны и протоны - очень разные звери. Электроны, насколько мы можем судить, элементарны, они участвуют в электромагнитных и так называемых слабых взаимодействиях. С другой стороны, протоны, как известно, состоят из кварков. Кварки очень похожи по многим свойствам на электроны, но, в отличие от последних, они также участвуют в так называемом сильном взаимодействии, описываемом теорией, называемой квантовой хромодинамикой (КХД).

По причинам, которые я не буду здесь разъяснять, сильное взаимодействие работает как резиновая полоса между кварками, позволяя им вести себя так, как если бы они были свободны на очень коротких расстояниях (что мы можем видеть в экспериментах на коллайдерах, из которых мы знаем об их существовании), но становится все сильнее. и сильнее с расстоянием, поэтому кварки никогда не летают как свободные частицы, только в форме составных частиц, известных как адроны : протоны, нейтроны, пионы и т. д.

В дополнение к массам кварков (которые на самом деле довольно малы) протон получает свою массу из их энергии взаимодействия. Поскольку сильное взаимодействие (неожиданно) очень сильное, эта энергия огромна, составляя почти 99% его массы. Можем ли мы рассчитать это с помощью КХД? Это чрезвычайно сложная проблема - КХД легко выполняется в режиме, когда кварки почти свободны, а сильное взаимодействие можно рассматривать как возмущение. Но чтобы вычислить массу протонов, нам нужно работать в совершенно другом режиме, для которого большинство вычислительных методов бесполезны. Однако это было успешно выполнено с использованием решеточной КХД с погрешностью менее 2%.

0тирания

Вы сравниваете 2 разных предмета. Пока заряд протона равен заряду электрона и противоположен ему, на этом любое сравнение заканчивается. Электрон - это фундаментальная частица, которая не может быть разбита дальше, тогда как протон может быть разбит на более фундаментальные частицы. Двойник электрона из антивещества - это позитрон, равный по массе, но противоположный (положительный) заряд.

Level River St

В дополнение к другим отличным ответам, обратите внимание, что с антивеществом вполне возможно иметь позитрон или антипротон (отрицательно заряженный эквивалент протона). Их просто не найти на Земле, потому что они эффектно аннигилируют с материей.

Как объясняется в Википедии , причина, по которой наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи и очень небольшого количества антивещества, не совсем понятна.

Далекие галактики могут состоять из антивещества и, по прогнозам, будут иметь атомы, состоящие из позитронов и антипротонов, с химическими свойствами, идентичными известным нам материалам. Но при контакте с «нормальной» материей они аннигилировали друг друга, высвобождая огромное количество энергии в форме гамма-лучей.

КаримЭлашмави

Протоны тяжелее электронов по нескольким причинам. Как вы предположили, за этим стоят эмпирические и теоретические доказательства. Я начну с эмпирических, поскольку с ними связан важный исторический контекст. В качестве предисловия это будет довольно длинный пост, поскольку я буду объяснять контекст экспериментов и теорий.

Эмпирическая масса электрона

Исторически измерение массы электрона представляет собой многоступенчатый процесс. Сначала заряд измеряется с помощью эксперимента с каплей масла Милликена, затем измеряется отношение заряда к массе с помощью вариации эксперимента Дж. Дж. Томсона.

Милликен Нефть Капля

В 1909 году Роберт А. Милликен и Харви Флетчер измерили массу электрона, подвесив заряженные капли масла в электрическом поле. Путем подвешивания капель масла таким образом, чтобы электрическое поле нейтрализовало силу тяжести, можно определить заряд капли масла. Повторите эксперимент много раз для все меньших и меньших капель масла, и можно будет определить, что измеренные заряды являются целыми кратными единственному значению: заряду электрона.

Эксперименты Дж. Дж. Томсона

В 1897 году Дж. Дж. Томсон доказал, что катодные лучи (пучок электронов) состоят из отрицательно заряженных частиц с большим отношением заряда к массе (по сравнению с ионизированными элементами). Эксперимент начался с определения того, могут ли катодные лучи отклоняться электрическим полем. Электронный луч был выпущен в вакуумную трубку Крукса, внутри которой он проходил между двумя пластинами, прежде чем попасть в электрический экран. Когда пластины заряжались, луч отклонялся и попадал в электрический экран, тем самым доказывая, что катодные лучи содержат заряд.

Позже он проведет аналогичный эксперимент, но заменит электрическое поле на магнитное. Однако на этот раз магнитное поле вызовет центростремительное ускорение катодного луча и образует круги. Измеряя радиус круга и силу создаваемого магнитного поля, отношение заряда к массе ( е / м е ) катодного луча.

Умножьте это на элементарный заряд, полученный в эксперименте с маслом Милликена, и учесть неопределенность, и получите массу электронов в катодном луче.

Эмпирическая масса протона

Эрнесту Резерфорду приписывают открытие протона в 1917 году (сообщается в 1919 году). В этом эксперименте он обнаружил присутствие ядра водорода в других ядрах. Позже он назвал это ядро ​​водорода протоном, полагая, что это фундаментальный строительный блок для других элементов. Поскольку ионизированный водород состоит только из протона, он правильно сделал вывод, что протоны являются фундаментальными строительными блоками ядер элементов; однако до открытия нейтрона ионизированный водород и протон останутся взаимозаменяемыми. Как же тогда измерялась масса протона? Измеряя массу ионизированного водорода.

Это делается одним из нескольких способов, только один из которых я приведу здесь.

Дж. Дж. Томсон Вариация

Повторите эксперимент Дж. Дж. Томсона с магнитным отклонением; но замените катодный луч на ионизированный водород. Затем вы можете измерить отношение заряда к массе ( е / м ) ионов. Поскольку заряд протона эквивалентен заряду электрона:

Другие варианты

Другие варианты могут включать в себя различные методы, используемые в ядерной химии для измерения водорода или ядра. Поскольку я не знаком с этими экспериментами, я их опускаю.

Эмпирическое отношение масс протона к электрону

Итак, мы определили:

Используя два значения и арифметику:

м п м е знак равно 1,6726219 × 10 - 27 k г 9.10938575 × 10 - 31 год k г знак равно 1836 г. , или 1800 если округлить в меньшую сторону.

Теоретическое отношение масс протона к электрону

Теоретически вам сначала нужно понять основные принципы физики элементарных частиц. Масса и энергия имеют очень похожие значения в физике элементарных частиц. Чтобы упростить вычисления и использовать общий набор единиц в вариациях физики элементарных частиц е V используются. Исторически это было развито из использования ускорителей частиц, в которых энергия заряженной частицы была q V . Для электронов или групп электронов е V было удобно пользоваться. Поскольку это распространяется на физику элементарных частиц как область, удобство остается, потому что все, что развивается теоретически, должно давать экспериментальные значения. Использование вариаций е V таким образом устраняется необходимость в сложных преобразованиях. Эти «основные» единицы, называемые планковыми единицами, это:

Итак, каковы остальные энергии протона и электрона?

Как и в случае с экспериментально определенными массами,

что соответствует ранее определенному значению.

Почему?

Я предваряю этот раздел, указывая на то, что «почему» - это спорный вопрос, который можно задать в любой науке, не вдаваясь в подробности . В этом случае вам может быть интересно, почему масса протона в 1800 раз больше массы электрона. Я попытаюсь ответить здесь:

Электроны - это элементарные частицы. Они не могут (или, по крайней мере, никогда не наблюдались) распадаться на «составляющие» частицы. Протоны, с другой стороны, представляют собой составные частицы, состоящие из двух верхних кварков, одного нижнего кварка и виртуальных глюонов. Кварки и глюоны, в свою очередь, также являются элементарными частицами. Вот их соответствующие энергии:

Если вы чувствуете, что что-то не так, вы правы. Если вы предполагаете

Возникает вопрос: что случилось, почему масса протона в 100 раз больше массы составляющих его элементарных частиц? Что ж, ответ кроется в квантовой хромодинамике, «нынешней» теории ядерных взаимодействий. В частности, это вычисление, выполненное выше, упустило очень важную деталь: поле глюонных частиц, окружающее кварк, которое связывает протон вместе . Если вы знакомы с теорией атома, здесь можно использовать аналогичную аналогию. Как и атомы, протоны - составные частицы. Как и атомы, эти частицы должны удерживаться вместе с помощью «силы».

Что касается атомов, электромагнитная сила связывает электроны с атомным ядром с помощью фотонов (которые передают электромагнитную силу). Что касается протонов, сильная ядерная сила связывает кварки вместе с глюонами (которые, в свою очередь, опосредуют силу сверхновой). Однако разница между ними в том, что фотоны могут существовать независимо от электрона и ядра. Таким образом, мы можем обнаружить его и провести с ними множество измерений. Однако для глюонов они не только опосредуют сильное взаимодействие между кварками, но также могут взаимодействовать друг с другом через сильное ядерное взаимодействие. В результате сильные ядерные взаимодействия намного сложнее электромагнитных взаимодействий.

Ограничение цвета глюонов

Это идет дальше. Глюоны обладают свойством, называемым цветом. Когда два кварка разделяют пару глюонов, взаимодействие глюонов ограничено по цвету. Это означает, что по мере того, как кварки разделяются, «цветовое поле» между ними линейно увеличивается в силе. В результате для их отделения друг от друга требуется постоянно увеличивающееся количество энергии. Сравните это с силой ЭМ. Когда вы пытаетесь выдернуть электрон из его атома, ему требуется достаточно энергии, чтобы вырвать его из своей оболочки в вакуум. Если вы этого не сделаете, он подпрыгнет на один или несколько энергетических уровней, затем вернется в свою исходную оболочку и выпустит фотон, который несет разницу.

Точно так же, если вы хотите сорвать объект с планеты, вам нужно обеспечить его достаточной энергией, чтобы бесконечно избежать гравитации планеты (энергия, необходимая для достижения космической скорости). В отличие от гравитационной силы и электромагнитной силы, сила, связывающая глюоны друг с другом, становится сильнее по мере их разлета. В результате наступает неизбежный момент, когда создание кварк-антикварковой пары становится все более энергетически выгодным, чем дальнейшее притяжение глюонов. Когда это происходит, кварк и антикварк связываются с двумя кварками, которые были разделены, и глюоны, которые связывали их, теперь связывают новую пару кварков.

Но ждать! Откуда взялись эти два кварка? Вспомните, как для разрыва кварков требуется энергия? Что ж, эта энергия в масштабе г е V . В этих масштабах энергия может преобразовываться в частицы с кинетической энергией. Фактически, в ускорителях частиц мы обычно видим струи цветных нейтральных частиц (мезонов и барионов), сгруппированных вместе, а не отдельных кварков. Этот процесс называется адронизацией, но также называется фрагментацией или разрывом строки в зависимости от контекста или года. Наконец, я должен указать, что это один из наименее изученных процессов в физике элементарных частиц, потому что мы не можем изучать или наблюдать только глюоны.

Протонная масса

Итак, теперь вернемся к исходному вопросу. Ранее мы заметили, что эмпирическая масса протона равна 938,272 M е V c 2 ; но теоретически его масса должна быть 9,6 M е V c 2 . В 928 672 M е V c 2 разница возникает из-за цветовых ограничений, которые связывают три кварка вместе. Проще говоря: ядерная энергия связи протона.