Протоны больше электронов?

В каждом тексте/книге по физике, которые я читал, протоны упоминаются как частицы, которые больше, если быть точным, намного больше в 2000 раз, чем электроны... электрона», а потом я где-то прочитал, что он в 2,5 раза больше, чем радиус ПРОТОНА... радиус ЭЛЕКТРОНА больше, чем у ПРОТОНА. Что полностью противоречит всем учебникам по физике, которые я читал... Любая помощь в объяснении того, почему протоны в 2000 раз больше, а их радиус в 2,5 раза меньше, чем у электрона, будет оценена... заранее спасибо

надо дать ссылку на претензию. Контекст важен, особенно в спорных заявлениях.
Электроны, как и все фундаментальные (т.е. несоставные) частицы, в Стандартной модели являются точечными частицами. Это не маленькие сферы с радиусом.
Протоны имеют гораздо большую массу , а не объем . Это два очень разных свойства — на самом деле, для маленьких частиц, таких как протоны и электроны, большая масса означает, что они занимают меньше места (или, точнее, меньше неопределенности в их положении — ни электроны, ни протоны не маленькие шарики).
Отвечает ли это на ваш вопрос? Имеют ли электроны форму?
Может быть, вместо этого вы прочитали что-то о радиусе орбиты электрона?
Я всегда видел очень конкретную формулировку, что протоны более «массивны», чем электроны. Никогда, что они больше. Хотя, если честно, я никогда особо не придавал громкости.
Я подозреваю, что этот вопрос не основан на очень большом корпусе книг по физике. Беглый просмотр некоторых учебников физики показывает, что «массивнее», «масса… больше», «масса… больше», «тяжелее», «весит в… раз больше» и так далее. Я нашел только две книги, в которых говорилось об этом: « Рентгенография в эпоху цифровых технологий» говорила о «размере» и «больше». Тогда он тут же противоречил себе, говоря об электрическом заряде и массе. Другой был обсуждением теории атома, предназначенным для пилотов вертолетов.

Ответы (5)

Квантово-механические частицы имеют четко определенные массы, но не имеют четко определенных размеров (радиус, объем и т. д.) в классическом смысле. Есть несколько способов присвоить частице масштаб длины, но если вы думаете о них как о маленьких шариках с четко определенным размером и формой, то вы совершаете ошибку.

Длина волны де Бройля: частицы, которые проходят через небольшие отверстия, проявляют волнообразное поведение с характерной длиной волны, определяемой выражением

λ д Б "=" час м в
где час постоянная Планка, м - масса частицы, а в - скорость частицы. Это устанавливает масштаб длины, при котором квантовые эффекты, такие как дифракция и интерференция, становятся важными. Оказывается также, что если среднее расстояние между частицами в идеальном газе порядка λ д Б или меньше, классическая статистическая механика не работает (например, энтропия расходится до − ∞ ).

Длина волны Комптона. Один из способов измерить положение частицы — посветить лазером на область, где, по вашему мнению, будет находиться частица. Если фотон рассеивается от частицы , вы можете обнаружить фотон и проследить его траекторию, чтобы определить, где была частица. Разрешение такого измерения ограничено длиной волны используемого фотона, поэтому фотоны с меньшей длиной волны обеспечивают более точные измерения.

Однако в определенный момент энергия фотона сравняется с массовой энергией частицы. Длина волны такого фотона определяется выражением

λ с "=" час с м с 2 "=" час м с
За пределами этого масштаба измерение положения перестает быть более точным, потому что столкновения фотонов и частиц начинают создавать пары частица-античастица.

«Классический» радиус: если вы хотите сжать общее количество электрического заряда д в сферу радиуса р , требуется энергия, примерно равная U "=" д 2 4 π ϵ 0 р (это не в 3/5 раза, но неважно - мы просто смотрим на порядки). Если мы установим это равным энергии покоя м с 2 (заряженной) частицы, находим

р 0 "=" д 2 4 π ϵ 0 м с 2
Иногда его называют классическим радиусом частицы с зарядом д и масса м . Оказывается, это имеет тот же порядок величины, что и сечение рассеяния Томпсона , и поэтому этот масштаб длины имеет значение при рассмотрении рассеяния низкоэнергетических электромагнитных волн на частицах.

Радиус заряда: если вы моделируете частицу как сферическое «облако» электрического заряда, то вы можете проводить очень высокоточные эксперименты по рассеянию (среди прочего), чтобы определить, какой эффективный размер имеет это облако заряда. Результат называется зарядовым радиусом частицы и представляет собой очень уместную шкалу длины, которую следует учитывать, если вы думаете о мелких деталях электромагнитного взаимодействия частицы. По существу, радиус заряда возникает в составных частицах, потому что их заряженные составляющие занимают ненулевую область пространства. Радиус заряда протона обусловлен кварками, из которых он состоит, и, как было измерено, составляет примерно 0,8 фемтометры; с другой стороны, неизвестно, что электрон является составной частицей, поэтому его зарядовый радиус будет равен нулю (что согласуется с измерениями).

Энергия возбуждения: Еще одна шкала длины определяется длиной волны фотона, энергии которого достаточно, чтобы возбудить внутренние составляющие частицы в более высокое энергетическое состояние (например, вибрацию или вращение). Электрон (насколько нам известно) элементарный, а это означает, что у него нет компонентов для возбуждения; в результате размер электрона равен нулю и по этой мере. С другой стороны, протон может быть возбужден в дельта-барион фотоном с энергией Е ≈ 300 МэВ, что соответствует размеру

λ "=" час с Е ≈ 4  фемтометры

Обратите внимание, что в первых трех примерах в знаменателе стоит масса частицы; это означает, что при прочих равных более массивные частицы будут соответствовать меньшим масштабам длины (по крайней мере, по этим меркам). Масса протона однозначно больше массы электрона примерно в 1836 раз . В результате длина волны де Бройля, длина волны Комптона и классический радиус протона во столько же раз меньше , чем у электрона. Это поднимает вопрос о том, откуда взялось скудное заявление в 2,5 раза.

Быстрый поиск в Google показывает, что это утверждение появляется на сайте AlternativePhysics.org. Дело в том, что упомянутый выше классический радиус электрона в 2,5 раза больше «измеренного» радиуса протона, под которым они подразумевают измеренный радиус заряда протона . Это верно, но не имеет особого смысла — будучи объектами квантовой механики, ни электрон, ни протон не имеют радиуса в том смысле, в каком он есть у классического мрамора. Сравнивать две частицы, используя две совершенно разные меры размера, — это сравнивать яблоки с апельсинами.

В заключение хочу предостеречь вас от слишком серьезного отношения к утверждениям, которые вы найдете на сайте AlternativePhysics.org. Позаимствовав высказывание из медицинского сообщества, есть название для подмножества «альтернативной физики», которое на самом деле имеет смысл. Это называется физика .

Электрон может быть (и всегда) переходит в состояние «электрон + излучаемые фотоны».
@VladimirKalitvianski Я имел в виду именно внутреннее возбуждение, а не просто состояние с большей кинетической энергией, но я отредактирую, чтобы сделать этот момент более ясным.
Ионизация атома не есть внутреннее возбуждение, но она показывает, что атом не является точечным. Есть процессы упругого и неупругого рассеяния, есть инклюзивная картина; каждый дает разные «размеры».
Радиус протона можно определить из эксперимента. Три приведенных выше определения размера частиц неверны. Наилучшей является длина волны Комптона (1,5 фм), которая почти вдвое превышает экспериментальное значение.
@my2cts У протона нет радиуса, потому что это не крошечная сфера. Вы имеете в виду радиус заряда — еще один способ присвоить размер квантовому объекту. Это наиболее подходящая мера для многих экспериментов, но, конечно, не единственная возможная.
@ J.Murray Я использую терминологию экспертов в этой области. Они работают над загадкой радиуса протона, где подразумевается заряд. Вы правы, что распределение энергии и заряда может быть разным.
@ my2cts Я уверен, что некоторые эксперты работают в области, где полезен радиус заряда ... а другие работают в области, где полезна длина волны Комптона.
@user253751 user253751 Google дает первый результат для «радиуса протона»: en.wikipedia.org/wiki/Proton_radius_puzzle . Там нет упоминания о комптоновском радиусе. Вы также можете посетить сайт nature.com/articles/d41586-019-03364-z . Там также нет упоминания о связи с комптоновской длиной волны. Пожалуйста, пришлите ссылку, если вы считаете, что такая связь уместна.
@ my2cts это странный аргумент. Конечно, люди, работающие над радиусом заряда протона, говорят о радиусе заряда протона, а не о какой-либо другой мере размера протона, и поскольку это относительно известная проблема, Google по умолчанию использует ее. Это не означает, что другие измерения размера протона «неверны». Я работаю в лаборатории, где, кстати, было проведено одно из этих измерений (правда, в другом эксперименте).
@Ilama Я не выступаю против другого определения. Вы тот, кто приводит аргументы в его пользу. Мне просто интересно увидеть ссылку на основные исследования, подтверждающие это.
@my2cts - вы скептически относитесь к неправильным вещам. В статье Википедии, на которую вы ссылаетесь, на самом деле говорится, что речь идет о радиусе заряда (подразумевая, что есть и другие виды радиусов, о которых вы можете говорить). И на самом деле, прямо здесь есть ссылка на статью в Википедии о зарядовом радиусе, в которой четко сказано, что «ни атомы, ни их ядра не имеют определенных границ» (обратите внимание, что это включает в себя ядро ​​​​водорода, которое является просто протоном). Это означает, что вы должны определить, каким будет радиус. В этом нет ничего спорного.
@my2cts Подумайте об этом: атмосфера Земли также не имеет определенной границы, она просто растворяется в космосе. Фактически, его самая внешняя часть, возможно, простирается за пределы Луны . Итак, как определить его толщину? Если принять за отсечку 99% массы, то толщина составит около 31 км. Если вы выберете отметку 99,9%, это 42 км. Если вы возьмете 99,99997%, это 100 км, начало космоса по международной конвенции . Но помимо этого есть еще атмосфера. Если представить, что он имеет однородную плотность, так что имеет определенную границу, то это всего около 8,5 км. Аналогичная вещь с частицами
возможно, вы думаете о поперечном сечении, которое, как это ни парадоксально, не переводится напрямую в меру размера.
Представление о квантовых частицах как о «маленьких шариках четко определенного размера и формы» вводит в заблуждение, но оператор положения Ньютона-Вигнера имеет собственные состояния, локализованные в масштабе комптоновской длины. Обратите внимание, что собственное состояние | Икс ⟩ оператора канонического положения не нормализуется, поэтому нефизичен. Хотя взаимодействия в стандартной модели являются точечными, полностью локализованных состояний не существует (Гейзенберг этого не допускает). См. обширная литература по преобразованию Фолди-Вутхайзена.
Только один из них претендует на то, чтобы называться размером с протон, и это радиус заряда. Вы должны начать с этого. У других есть единицы длины, но они никак не могут быть размером с протон, если только вы не думаете, что радиус Земли полностью отличается от 6400 км. Кстати, в той категории длин, которые не являются размерами, вы упустили радиус Шварцшильда.
@benrg Спасибо, но я доволен своим ответом в его нынешнем виде. Я хотел подчеркнуть, что «насколько велик протон?» является нечетко определенным вопросом, если вы не уточните, что вы подразумеваете под большим , и что существует ряд различных величин с измерениями длины, которые в правильном контексте могут быть интерпретированы как мера размера квантово-механической частицы. Конечно, вы можете написать ответ с подробным описанием того, как вы считаете, что этот ответ ошибочен.

Протон представляет собой составную частицу с радиусом примерно 0,8-0,9 фемтометра. Это значение получено из данных рассеяния и спектроскопии, которые чувствительны к деталям кулоновского потенциала в очень малых масштабах.

Насколько нам известно, электрон — это точечная частица . Никаких внутренних степеней свободы, кроме спина, обнаружено не было, и данные рассеяния согласуются с верхним пределом для радиуса 10 − 18 m (из Википедии, но с неработающей ссылкой в ​​качестве ссылки). Нерешенный вопрос состоит в том, что собственная энергия ЭМ расходится для точечной частицы. Для радиуса 2,8 фемтометра эта собственная энергия уже равна массе электрона, поэтому это значение известно как (томсоновский) радиус электрона. Именно этот номер и вызвал ваше замешательство.

Читая хороший последний ответ Роджера, также важно отметить, что атом не имеет четко определенного объема. Рассматривать электрон и протон как идеальные сферы с одинаковой плотностью массы неверно. Сказав это, обратите внимание, что, хотя классические измерения могут определить диаметр электрона примерно в 2,5 раза больше диаметра протона, как вы заявили (и это тоже было бы неплохо процитировать - вы имеете в виду классический радиус электрона?), масса протона в 2000 раз больше, чем у электрона.

Масса электрона равна ≈ 9.1 × 10 − 31 к г в то время как у протона ≈ 1,67 × 10 − 27 к г . «Размер» и масса — не одно и то же.

Атомы имеют четко определенный объем, но это зависит от химии. Например, атом натрия в металле при комнатных условиях имеет объем ~0,4 нм. 3 .
@ my2cts Это то, как это обычно рассматривается? Мне это кажется немного похожим на то, что автомобиль в гараже имеет размер 45 м3, потому что на парковочном месте высотой 3 м и площадью 750 м2 есть место для 50 автомобилей. Хотя я не эксперт, возможно, это имеет смысл для атомов.
@Mark Есть также доля упаковки, которую следует учитывать, я даю вам это. Обратите внимание, что в вашем примере с автомобилем доля упаковки слишком мала, чтобы ее можно было игнорировать даже для приблизительной оценки. В кристаллах оно гораздо ближе к единице. См. en.wikipedia.org/wiki/Atomic_packing_factor .
@my2cts Атомы не имеют четко определенного объема. В квантовой физике орбитали, определяющие «форму» и «размер» атома, не имеют резких границ. В химии компьютер «объема» для атома зависит от атома, с которым он связан.
@electronpusher Ваша автомобильная шина также не имеет четко определенного объема. Это зависит от давления, температуры, нагрузки, атмосферных условий и шероховатости. Ничто не имеет четко определенного объема, если вы достаточно критичны. Атомный объем достаточно хорошо определен, чтобы быть полезным.
@my2cts действительно ли необходима вся эта педантичность и противоречивость? В чем смысл, который вы пытаетесь сделать?
@my2cts Автомобильная шина имеет очень четко определенный объем. Все классические объекты имеют четко определенную форму/границу/ребра и т. д. Ваша логика подразумевала бы, что, скажем, пляжный мяч не имеет четко определенного объема, потому что я мог бы выпустить из него воздух. Нет. Это объем 4 / 3 π р 3 .
@Foo Bar Иногда бывает полезно определить атомные или ионные объемы. Утверждение, что атом не имеет четко определенного объема, не всегда полезно. Я возражаю против чрезмерно уверенных заявлений, потому что могу. Никаких догм. Кстати, своим последним комментарием вы нарушаете правила форума.
@jh Вы можете сжать пляжный мяч, намного проще, чем атом.

Факт, стоящий за этим утверждением, заключается в том, что массы протонов и нейтронов примерно в 2000 раз больше, чем у электронов. Масса является более объективной и постоянной характеристикой частицы, чем ее размер (который часто определяется как степень ее волновой функции и может значительно варьироваться в различных обстоятельствах).

спасибо за ответ ... но подумайте об этом так: масса частицы прямо пропорциональна ее объему, который также прямо пропорционален радиусу ... Так что я не понимаю, как ни при каких обстоятельствах радиус электрона может быть больше, чем у протона
@alienare4422 объем, который также прямо пропорционален радиусу Нет, это не так.
@alienare4422 Масса частицы пропорциональна ее объему, только если вы предполагаете, что частицы имеют постоянную плотность, что эти плотности одинаковы для всех частиц и что плотность частицы одинакова при любых обстоятельствах. Ничто из этого не верно, особенно в квантовом мире.

Позвольте мне дать вам сумасшедшую идею, что радиус электрона и протона фиксирован, но сложен, где действительная часть — это среднее значение, а мнимая часть — это стандартное отклонение. Тогда классический радиус электрона и протона определяет среднее значение, а среднеквадратичное значение является переменным по своему смыслу. Радиус электрона является точечным при высоких энергиях, когда применяются релятивистские поправки, а сечение рассеяния пропорционально квадрату классического радиуса электрона.

Формула сечения рассеяния фотона на электроне не нуждается в регуляризации и определяет сечение рассеяния

р е о "=" о ( 0 ) − о ( ∞ ) "=" 8 3 π р е 2 ; о ( Икс ) "=" о ( ℏ ю м с 2 )
В этом случае радиус в комплексной форме равен
р е "=" р е ( 1 ± ( р е о − π р е 2 ) / π я ) "=" р е ( 1 ± 1,29 я )
его модуль определяет сечение рассеяния
| р е | "=" р е | 1 ± 1,29 я | "=" 1,63 р е "=" 8 3 р е
Формулы сечения рассеяния электрона на электроне и аннигиляции электрона и позитрона с образованием двух фотонов требуют регуляризации. Параметр регуляризации необходимо выбирать таким образом, чтобы размер электрона совпадал с размером электрона при рассеянии фотона на электроне. Получается, что три формулы одинаково определяют размер электрона.

Однозначного значения размера элементарных частиц не существует. Элементарные частицы не имеют конечного размера и по их заряду невозможно определить однозначный конечный размер. Для электрона существуют сечения рассеяния различных реакций, и с их помощью мне удалось определить комплексный размер электрона. Комплексный размер электрона определяется с точностью до мнимой части. Для протона этого сделать нельзя, так как отсутствуют формулы, описывающие площадь поперечного сечения реакций. Ядерные силы не описываются теорией возмущений, поэтому проводятся только измерения и отсутствуют теоретические формулы. Классический радиус электрона больше, чем классический радиус протона. Но это ничего не значит, размер протона неизвестен.

Протоны больше электронов?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v