Обмениваются ли протоны фотонами с электронами?

ЭЛЕКТРОН-ПРОТОННОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ: простой полуклассический анализ, позволяющий избежать полномасштабной КТП.

Обмен фотоном между протоном и электроном приводит к притяжению только потому, что полная энергия электрона отрицательна.

Рассмотрим для простоты атом водорода и представим воронкообразную форму энергии электрона. Полная энергия электрона в атоме водорода на расстоянии$r_0$от протона

$E(r_0)=-\frac{e^2}{8\pi\epsilon_0 r_0}$.

Если расстояние$r_0$достаточно короткий, то электрон испустит фотон, который будет поглощен протоном, а количество энергии обмененного фотона будет определяться принципом неопределенности:

$\Delta E\Delta t=\hbar.$

Но$\Delta t=\frac{r_0}{c}$чтобы

$\Delta E r_0=\hbar c\rightarrow \Delta E= \frac{\hbar c}{r_0}$

Таким образом, новая энергия электрона будет

$E_1=-\frac{e^2}{8\pi\epsilon_0 r_0}-\frac{\hbar c}{r_0}=-\frac{e^2+8\pi\epsilon_0\hbar c}{8\pi\epsilon_0r_0}$

или эквивалентное количество энергии, соответствующее некоторому новому положению$r_1$

$-\frac{e^2}{8\pi\epsilon_0 r_1}=-\frac{e^2+8\pi\epsilon_0\hbar c}{8\pi\epsilon_0 r_0}$

из которого мы получаем$r_1$с точки зрения$r_0$

$r_1=r_0\frac{e^2}{e^2+8\pi\epsilon_0\hbar c}<r_0$

Поэтому электрон приближается к протону, а не удаляется от него (сила притяжения).

Для всех, кто хочет узнать больше о взаимодействии частиц, вы можете проверить Мэтта О'Дауда из отличного видео PBS Space Time о виртуальных частицах:

https://www.youtube.com/watch?v=ztFovwCaOik

Фотоны не похожи на бильярдные шары. Фотон — это не частица в смысле твердого, массивного куска вещества, это «объемность» Электрического и Магнитного полей. Когда мы говорим, что протоны и электроны притягиваются, потому что они обмениваются фотонами, мы имеем в виду, что протоны создают электромагнитные поля, а электроны создают электромагнитные поля, которые компенсируют поля, создаваемые протоном.

Сами поля точно такие же, как и классические электромагнитные поля, за исключением того, что их можно создавать и гасить только порциями. Причина, по которой обмен фотонами может быть привлекательным, точно такая же, по какой могут быть привлекательными классические электрические поля.