Есть несколько причин, по которым протоны тяжелее электронов. 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, так как я буду объяснять контекст экспериментов и теорий.

Эмпирическая масса электрона

Измерение массы электрона исторически представляет собой многоэтапный процесс. Сначала измеряется заряд с помощью эксперимента Милликена с каплей масла, затем измеряется отношение заряда к массе с помощью одного из вариантов эксперимента Дж. Дж. Томсона.

Капля масла Милликена

В 1909 году Роберт А. Милликен и Харви Флетчер измерили массу электрона, взвесив заряженные капельки масла в электрическом поле. Подвешивая капли масла таким образом, чтобы электрическое поле компенсировало силу гравитации, 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 единственной величины: заряда 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 возможности отклонения катодных лучей электрическим полем. Катодный луч направлялся в вакуумную трубку Крукса, внутри которой он проходил между двумя пластинами, прежде чем попадал на электрический экран. Когда пластины были заряжены, луч отклонялся и попадал на электрический экран, тем самым доказывая, что катодные лучи содержат заряд.

Позже он проделал аналогичный эксперимент, но заменил электрическое поле магнитным полем. Однако на этот раз магнитное поле вызовет центростремительное ускорение катодного луча и создаст круги. Измеряя радиус круга и силу создаваемого магнитного поля, отношение заряда к массе ($e/m_e$) катодного луча.

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

Эмпирическая масса протона

Эрнесту Резерфорду приписывают открытие протона в 1917 году (сообщено в 1919 году). В этом эксперименте он обнаружил присутствие ядра водорода в других ядрах. Позже он назвал это ядро ​​водорода протоном, полагая, что оно является фундаментальным строительным блоком для других элементов. Поскольку ионизированный водород состоял только из протона, он правильно сделал вывод, что протоны являются основными строительными блоками ядер элементов; однако до открытия нейтрона ионизированный водород и протон оставались взаимозаменяемыми. Как же тогда измерялась масса протона? Путем измерения массы ионизированного водорода.

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

Вариант Джей Джей Томсона

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

Другие варианты

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

Эмпирическое отношение массы протона к массе электрона

Итак, теперь мы определили:

Используя два значения и арифметику:

$\frac{m_p}{m_e} = \frac{1.6726219 \times 10^{-27} \, \mathrm{kg}}{9.10938575 \times 10^{-31} \, \mathrm{kg}} = 1836$, или же$1800$если округлить в меньшую сторону.

Теоретическое отношение массы протона к массе электрона

Теоретически вам сначала нужно понять основной принцип физики элементарных частиц. Масса и энергия имеют очень похожие значения в физике элементарных частиц. Для упрощения расчетов и использования общего набора единиц в вариациях физики элементарных частиц$\mathrm{eV}$используются. Исторически это произошло из-за использования ускорителей частиц, в которых энергия заряженной частицы$\mathrm{qV}$. Для электронов или групп электронов$\mathrm{eV}$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$\mathrm{eV}$таким образом устраняет необходимость в сложных преобразованиях. Этими «фундаментальными» единицами, называемыми планковскими единицами, являются:

Итак, каковы энергии покоя протона и электрона?

Как и в случае с экспериментально определенными массами,

что соответствует ранее определенному значению.

Почему?

В предисловии к этому разделу я укажу, что «почему» — спорный вопрос, который можно задавать в любой науке, не будучи более конкретным . В этом случае вам может быть интересно, почему масса протона в 1800 раз больше массы электрона. Я попытаюсь ответить здесь:

Электроны - элементарные частицы. Они не могут (или, по крайней мере, никогда не наблюдалось) распадаться на «составные» частицы. Протоны, с другой стороны, представляют собой составные частицы, состоящие из 2 верхних кварков, 1 нижнего кварка и виртуальных глюонов. Кварки и глюоны, в свою очередь, тоже являются элементарными частицами. Вот их соответствующие энергии:

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

ты найдешь:

но

Напрашивается вопрос: что случилось, почему масса протона в 100 раз больше массы составляющих его элементарных частиц? Ну, ответ лежит в квантовой хромодинамике, «в настоящее время» доминирующей теории ядерных сил. В частности, в этом вычислении, выполненном выше, упущена очень важная деталь: поле глюонной частицы, окружающее кварк, которое связывает протон вместе . Если вы знакомы с теорией атома, здесь можно использовать подобную аналогию. Как и атомы, протоны являются составными частицами. Подобно атомам, эти частицы должны удерживаться вместе «силой».

Для атомов Электромагнитная сила связывает электроны с атомным ядром с фотонами (которые опосредуют электромагнитную силу). Для протонов Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки вместе с глюонами (которые, в свою очередь, опосредуют СН-силу). Разница между ними заключается в том, что фотоны могут существовать независимо от электрона и ядра. Таким образом, мы можем обнаружить его и выполнить множество измерений с их помощью. Что касается глюонов, то 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, чем электромагнитные взаимодействия.

Ограничение цвета глюона

Это идет дальше. Глюоны обладают свойством, называемым цветом. Когда два кварка имеют общую пару глюонов, взаимодействие глюонов ограничено по цвету. Это означает, что по мере того, как кварки расходятся, «цветовое поле» между ними линейно увеличивается. В результате им требуется все большее количество энергии, чтобы отделиться друг от друга. Сравните это с электромагнитной силой. Когда вы пытаетесь вырвать электрон из его атома, ему требуется достаточно энергии, чтобы вырваться из его оболочки в вакуум. Если вы этого не сделаете, он подпрыгнет на один или несколько энергетических уровней, затем вернется в свою первоначальную оболочку и выпустит фотон, несущий разницу.

Точно так же, если вы хотите оторвать объект от планеты, вам нужно обеспечить его достаточным количеством энергии, чтобы избежать гравитации планеты на неопределенный срок (энергия, необходимая для достижения космической скорости). В отличие от силы гравитации и электромагнитной силы, сила, связывающая глюоны друг с другом, становится сильнее по мере их удаления. В результате наступает неизбежный момент, когда рождение кварк-антикварковой пары становится все более энергетически выгодным, чем дальнейшее притягивание глюонов. Когда это происходит, кварк и антикварк связываются с двумя кварками, которые были разделены, а глюоны, которые их связывали, теперь связывают новую пару кварков.

^{Эта анимация взята из Википедии , любезно предоставлена ​​пользователем Manishearth в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported .}

Но ждать! Откуда взялись эти два кварка? Помните, как для разделения кварков требуется энергия? Ну, эта энергия находится в масштабе$\mathrm{GeV}$. В этих масштабах энергия может преобразовываться в частицы с кинетической энергией. На самом деле в ускорителях частиц мы обычно видим струи нейтральных по цвету частиц (мезонов и барионов), сгруппированных вместе, а не отдельных кварков. Этот процесс называется адронизацией, но его также называют фрагментацией или разрывом струны в зависимости от контекста или года. Наконец, я должен отметить, что это один из наименее понятных процессов в физике элементарных частиц, потому что мы не можем изучать или наблюдать только глюоны.

Масса протона

Итак, теперь возвращаясь к первоначальному вопросу. Ранее мы заметили, что эмпирическая масса протона равна$938.272 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$; но теоретически его масса должна быть$9.6 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$. $928.672 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$разница возникает из-за ограничений цвета, которые связывают три кварка вместе. Проще говоря: ядерная энергия связи протона.

Как уже отмечалось, «почему» — сложный вопрос, но мы можем спросить, какова наиболее фундаментальная точка зрения на этот вопрос.

Электроны и протоны — очень разные звери. Электроны, насколько мы можем судить, элементарны, участвуют в электромагнитных и так называемых слабых взаимодействиях. С другой стороны, протоны, как известно, состоят из кварков. Кварки по многим свойствам очень похожи 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 объяснять здесь, сильное взаимодействие работает как резиновая лента 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 сильнее. и сильнее с расстоянием, поэтому кварки никогда не летают как свободные частицы, а 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 от энергии их взаимодействия. Поскольку сильное взаимодействие (сюрприз) очень сильное, эта энергия огромна, составляя почти 99% его массы. Теперь мы можем вычислить его с помощью КХД? Это чрезвычайно трудная задача — КХД легко решается в режиме, когда кварки почти свободны, а сильное взаимодействие можно трактовать как возмущение. Но для вычисления массы протонов нужно работать в совершенно другом режиме, для которого большинство вычислительных методов бесполезны. Однако это было успешно сделано с использованием решеточной КХД с погрешностью менее 2%.

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

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

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

Как поясняется в Википедии , причина, по которой наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи и очень небольшого количества антиматерии, до конца не изучена.

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

The $\Delta^+$частица имеет тот же кварковый состав, что и протон ($uud$), но тем не менее его масса равна 1232$\frac{MeV}{c^2}$. Разница масс между этой частицей и протоном примерно в 575 раз больше массы электрона. Это определенно показывает, что что-то происходит между составляющими кварками (т.$u$-кварк имеет "голую" массу около 4,2$\frac{MeV}{c^2}$, в то время как$d$-кварк имеет "голую" массу около 7,5$\frac{MeV}{c^2}$, что, конечно, не означает, что кварки действительно могут существовать без одежды), что придает большую массу как протону, так и$\Delta ^+$частица.

Примечательно, что$\Delta ^+$распадается примерно$0,6$Икс$10^{-23}$(сек) в нейтрон и положительный пион. Это короткое время является признаком того, что «что-то», что происходит между составляющими кварками, — это сильная цветовая сила, играющая вокруг, чтобы вызвать переход. С другой стороны, время жизни протона бесконечно; нет более низкого энергетического состояния, в которое он может перейти [по крайней мере, в стандартной модели; в ришонской модели, которая предполагает, что кварки и лептоны являются составными структурами, переход от протона к позитрону и пиону, например, легко объясняется, как и разница масс между электроном и мюоном, последний из которых можно увидеть в ришоне. свет как возбужденное состояние электрона; а что касается распределения материи и антиматерии, модель ришона решает эту загадку, утверждая, что материи столько же, сколько антиматерии! Но здесь не место обсуждать эту модель (теорию), и я просто упомяну ее здесь в качестве отступления].

Никто точно не знает причину! Даже принимая во внимание, что протон состоит из кварков, массы электронов и кварков и силы их взаимодействия — это числа, откуда мы не знаем, откуда они взялись.

Когда-нибудь может появиться теория, объясняющая нам, почему эти числа должны быть именно такими. Или может оказаться, что эти числа случайны. Никто не знает..... пока!