Возможна ли частица с положительным и отрицательным зарядом?

Чтобы понять частицы на уровне очень малых расстояний, требуется хотя бы немного квантовой механики.

Рассмотрим позитроний . Это связанное состояние электрона (заряд -1) и позитрона (заряд +1). У него очень короткое время жизни, 0,1244 нс. Две частицы аннигилируют и испускают фотоны. Это может произойти из-за того, что квантовые числа двух частиц прямо противоположны. Это пара частица-античастица. Таким образом, все законы сохранения могут быть соблюдены, если они преобразуются в фотоны.

Сравните с атомом водорода . Это связанное состояние электрона (заряд -1) и протона (заряд +1). Но в этом случае протон не является античастицей электрона. Не все квантовые числа противоположны. Поэтому они не могут аннигилировать, система стабильна.

Но как быть с бесконечностями, когда заряд электрона и заряд протона перекрываются? Квантовая механика говорит нам, что частица на самом деле не имеет нулевого размера, даже если это точечная частица. «Точечная частица» означает, что она не имеет субструктуры. Насколько мы можем судить, электрон не имеет составных частей. Но протон состоит из трех субкомпонентов, называемых кварками, поэтому он не является точечной частицей. Точно так же атом водорода не является точечной частицей, поскольку состоит из электрона и протона.

Поскольку частицы не нулевого размера, они избегают бесконечности. Во всяком случае, этот конкретный. Вместо того, чтобы потенциал имел этот бесконечно глубокий колодец в начале координат, он имеет маленький шар с распределенным зарядом. Таким образом, за очень малую долю времени, которое электрон проводит, перекрывая протон, он видит конечное постоянное значение потенциала.

В этой ситуации есть нечто большее. Если вам интересно, вам следует покопаться в некоторых текстах по квантовой механике. Если вы хотите пойти по этому пути, вы должны быть внимательны и на уроках математики. В QM вас ждет очень большое количество вычислений.

Нужно дать определение термину «частица». После более чем века наблюдений и измерений основная физика использует теоретические модели, чтобы ответить на такие вопросы, но эти модели зависят от структур, используемых для описания частиц.

Существует классическая структура, которую вы используете в своем вопросе, но эта структура ограничена размерами, превышающими нанометры, и энергиями, измеряемыми в джоулях. Когда размеры становятся очень маленькими, как в вашей гипотезе о перекрытии двух частиц, одна из них находится в квантово-механической системе координат и должна использовать квантово-механические теории для моделирования данных и предсказания того, что произойдет.

В физике элементарных частиц на квантовом уровне элементарные частицы являются точечными частицами , и их (x, y, z) подчиняются квантово-механическим вероятностным уравнениям, а перекрытие, например электрона с позитроном, приводит к аннигиляции, исчезновению заряда, и только гамма-лучи, если энергии низкие.

Все другие частицы представляют собой составные части элементарных частиц, опять-таки управляемые квантово-механическими вероятностными уравнениями, и поскольку квантовые составные части не имеют смысла говорить о заряде, находящемся в определенном (x, y, z). Когда протон встречается с антипротоном, происходят сложные взаимодействия кварков, зависящие от энергий, и заряд исчезает.

Таким образом, классическая бесконечность закона Кулона никогда не достигается на базовом квантовом уровне.

Если частица составная, то да. Например диполь.

Если частица элементарная, то нет. Однако, если заряды разного рода, то это возможно. Например, гипотетический дион имеет как магнитный, так и электрический заряд.

Другие упомянули важные квантово-механические моменты, касающиеся материи сближения противоположных зарядов друг с другом. Есть классическая материя, которая помогает аппроксимировать электрические диполи.

Предположим, у вас есть заряд q в$(0,0,z_0/2)$и -q в$(0,0,-z_0/2)$. имеет дипольный момент$qz_0\hat{k}=p_0\hat{k}=\vec{p}.$

Если принять предел результирующего электрического поля как$z_0\to 0$пока$p_0$остается постоянным (правильно регулируя заряд), вы получаете поле идеального электрического диполя:

Обратите внимание, что есть поле, хотя нет чистого заряда. Это хорошее приближение для электрического поля полярных молекул. Таким образом, классически вы могли бы сказать, что противоположные заряды рядом друг с другом создают дипольный момент с характерным электрическим полем, подчиняющимся закону обратного куба, в отличие от закона обратных квадратов отдельного электрического заряда. Заряд равен нулю, но дипольный момент, квадрапольный момент и т. д. не обязательно$0$и порождают электрические поля.

Электрический заряд есть свойство материи. Материя имеет массу и занимает объем. Разные материи не могут одновременно занимать одно и то же пространство. Две частицы с противоположным зарядом могут подойти очень близко друг к другу, но они никогда не смогут одновременно занимать одно и то же положение. Проще говоря, «сценарий, в котором две частицы с противоположным зарядом находились в одном и том же положении», невозможен. Попытка рассуждать о такой ситуации потребовала бы материи с нулевым объемом, бросая вызов фундаментальным свойствам материи.