Elektron i proton nie są jak kule bilardowe. Elektron jest zwykle uważany za punktowy, tj. Nie ma rozmiaru, ale to naprawdę oznacza, że ​​każdy pozorny rozmiar, który mierzymy, jest funkcją energii naszej sondy, a gdy zwiększamy energię sondy do nieskończoności, zmierzony rozmiar spada bez ograniczeń. Proton ma rozmiar (około 1 fm), ale tylko dlatego, że składa się z kwarków podobnych do trzech punktów - w rzeczywistości rozmiar jest równy rozmiarowi kwarków, które orbitują, a proton nie jest stały.

Klasycznie dwa punkty podobne do cząstek , elektron i kwark, nigdy nie mogą się zderzyć, ponieważ jeśli są punktowe, ich powierzchnia czołowa wynosi zero i nie można trafić w cel, który ma pole zerowe.

W rzeczywistości dzieje się tak, że elektron i kwark to obiekty kwantowe, które nie mają położenia ani rozmiaru. Oba są opisane pewnym rozkładem prawdopodobieństwa. Mechanika kwantowa mówi nam, że może zajść reakcja między elektronem a kwarkiem i rzeczywiście tak się dzieje, gdy zderzasz cząstki w akceleratorze takim jak LHC. Jednak w twoim eksperymencie zderzający się elektron i proton nie mają wystarczającej energii, aby stworzyć nowe cząstki, więc są skazane na oscylowanie wokół siebie w nieskończoność.

Jeśli przyspieszysz elektron, możesz dać mu wystarczającą energię aby wystąpiła reakcja. Ten proces jest znany jako głębokie nieelastyczne rozpraszanie i historycznie ten eksperyment był ważnym sposobem, w jaki poznawaliśmy strukturę protonów.

To była wielka tajemnica, zanim odkryto mechanikę kwantową. Nie tylko elektrony są przyciągane przez protony, elektrony podczas przyspieszania wypromieniowują energię. Klasyczny elektron na orbicie wokół protonu powinien wejść spiralnie do jądra w ułamku sekundy.

„Wyjaśnienie” jest takie, że fizyka klasyczna nie działa na małą skalę. Mechanika kwantowa to lepszy model. To nie jest powód. To tylko opis tego, jaki jest świat. Nie zawsze jest to intuicyjne lub prawdopodobne.

W mechanice kwantowej elektron nie ma określonego położenia ani pędu. Posiada funkcję falową, na podstawie której można obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia jej w określonej pozycji lub momencie. Elektron związany z protonem będzie prawdopodobnie bardzo blisko protonu.

Zasada nieoznaczoności mówi, że jeśli niepewność pozycji elektronu jest zmniejszona przez zamknięcie w pobliżu protonu, to niepewność jego pędu wzrasta. Elektron, który może mieć duży pęd, prawdopodobnie nie pozostanie w pobliżu protonu zbyt długo.

W pewnym stopniu te dwie przeciwstawne niepewności równoważą się. To określa wielkość atomów.

To był bardzo luźny, wymachujący ręką opis. Jeśli chcesz poznać prawdziwą historię, w sieci jest dużo. Tom III wykładów Feynmana jest dobrym wprowadzeniem.

Ten typ modelu, model klasyczny, doprowadził do modelu Bohra i mechaniki kwantowej atomu, ponieważ jest faktem doświadczalnym, że atom wodoru istnieje i nie przekształca się w neutron.

W przypadku dużych odległości, które zilustrujesz, klasyczna trajektoria musiałaby być dokładnie wyśrodkowana, w przeciwnym razie nawet klasycznie wystąpi ruch boczny, który utworzy orbitę hiperboliczną. cząstki elementarne, dokładne linie nie istnieją, położenie i energia są ograniczone zasadą nieoznaczoności Heisenberga, a elektron i proton są w reżimie mechaniki kwantowej, więc prawdopodobieństwo ruchu poprzecznego jest bardzo wysokie.

W środku układu mas elektrony i protony przyciągane są w sposób opisany na rysunku. Rozpraszanie protonów elektronów, które właśnie opisujesz, zostało zbadane i jeśli energia elektronu jest wystarczająco wysoka, rozproszy się on poza polem protonu. Jeśli jest niższy niż linie wodoru, zostanie przechwycony przez pola do atomu wodoru, emitując odpowiednią energię jako foton.

Mechanika kwantowa nie pozwala na „łączenie się” „w sposób, w jaki je sobie wyobrażasz. Istnieje wychwyt elektronu w jądrach, proton wychwytujący elektron i zmieniający się w neutron, ale znowu jest to specyficzny kwantowo-mechaniczny roztwór w jądrze.

Odpowiedzią na poprawione pytanie jest to, że twój obiekt 2b istnieje , jest poprawnie opisany jako elektron przyczepiony do protonu przez przyciąganie Coulomba, a jest co otrzymujesz (przez większość czasu), jeśli weźmiesz pojedynczy elektron i pojedynczy proton i umieścisz je w skądinąd pustym wszechświecie, początkowo w spoczynku w układzie środka masy. Początkowa odległość separacji wpływa tylko na to, jak długo elektron utknie i ile energii jest uwalniane w tym procesie. Obiekt jest ogólnie znany jako atom wodoru.

To zdanie jest trafne:

(3) zgodnie z elektrostatyką elektron powinien podążać wzdłuż linii sił pola elektrycznego prowadzącego do CM protonu, a kiedy tam dotrze, pozostań tak blisko, jak to możliwe, sklejony przez niewiarygodnie dużą siłę Coulomba (zdjęcie 2 b).

Dokładnie tak się dzieje . (Nadmiar energii zostanie uwolniony jako fotony.) Myślisz, że tak się nie dzieje, i nie jestem pewien dlaczego. Domyślam się, że trzymasz się niedokładnego „modelu Bohra” atomu wodoru, w którym elektron „okrąża” proton na odległość. Ten model został odrzucony, ponieważ nie było żadnego wiarygodnego powodu, dla którego elektron miałby pozostawać w pewnej odległości od protonu.

Teraz jest ważny szczegół, a mianowicie, że elektron w atomie wodoru wciąż się porusza , mimo że jest przyczepiony do protonu i oddala się od niego w pewnej odległości od czasu do czasu (ale najprawdopodobniej jest to bardzo blisko lub nawet wewnątrz protonu, chyba że trafisz w atom jednym lub dwoma fotonami i „wzbudzisz” elektron). To jest punkt, w którym trzeba przywołać tylko odrobinę teorii kwantowej (w istocie jest to jedno z pierwszych zjawisk, które teoria kwantowa ma wyjaśnić). Teoria kwantowa sugeruje, że nic nigdy nie może całkowicie przestać się poruszać . To jeden ze sposobów wyrażenia słynnej zasady nieoznaczoności i myślę, że jest to najlepszy sposób, aby umieścić ją w kontekście tego konkretnego zjawiska.

OK, dlaczego czy nic nie może całkowicie przestać się poruszać? Ponieważ wszystko jest falą, a fale istnieją tylko wtedy, gdy są w ruchu. Mógłbym rozwinąć to stwierdzenie, ale tylko rzucając w ciebie trochę matematyki i nie sądzę, żeby to pomogło. (Połączony artykuł dotyczący zasady nieoznaczoności zajmuje się matematyką).

Diagramów w pytaniu nie należy traktować dosłownie. Jak wyjaśnia Matt Strassler, błędne jest myślenie o protonie jako o 3 kwarkach. Zamiast tego istnieje ogromna ilość kwarków i antykwarków, bez możliwości odróżnienia rzeczywistości od wirtualności.

Wiemy, że a) dwa protony mogą się sklejać

To by być diprotonem, który nie jest stabilny. Więc nie, dwa protony nie mogą skleić się ze sobą bez co najmniej jednego neutronu. Ponadto protony mogą oddziaływać ze sobą poprzez szczątkową silną siłę, podczas gdy proton i elektron nie mogą.

Zgodnie z Strukturą protonową z pomiaru częstotliwości przejścia 2S-2P wodoru mionowego Science Vol. 339, pp. 417-420:

... porównanie teorii i eksperymentu było utrudnione z powodu braku dokładnej wiedzy o rozkładzie ładunku protonu i magnetyzacji. Struktura protonu jest ważna, ponieważ elektron w stanie S ma niezerowe prawdopodobieństwo, że znajdzie się wewnątrz protonu. Siła przyciągania między protonem i elektronem jest w ten sposób zmniejszona, ponieważ pole elektryczne wewnątrz rozkładu ładunku jest mniejsze niż odpowiednie pole wytwarzane przez ładunek punktowy.

Elektron może znajdować się w protonie . To jest kontakt z Fermi. Oddziaływanie kontaktowe Fermiego można obserwować za pomocą NMR, EPR i wychwytu elektronów. Elektron nie zostaje uwięziony w protonie, ponieważ proton nie tworzy nieskończonej studni. Wewnątrz protonu jest najbardziej prawdopodobnym miejscem (dla danej małej objętości) elektronu w stanie podstawowym wodoru, ale nie jest to jedyne miejsce, ponieważ proton nie jest studnią o nieskończenie głębokiej energii potencjalnej.

Aby zobaczyć ilościowy model rzeczywistego rozkładu ładunku w protonie, patrz Zależność współczynnika kształtu protonu korekty o skończonej wielkości do przesunięcia Lamb w wodorze immunologicznym

Chociaż jest to kłamstwo, które mówimy dzieciom, jednym ze sposobów zrozumienia tego, co się dzieje, jest niepewność Heisenberga.

Iloczyn pewności położenia i pewności prędkości jest ograniczony poniżej.

Oznacza to, że wraz ze wzrostem objętości miejsca, w którym coś jest ograniczone, jego prędkość musi rosnąć.

Możesz sprawdzić, jak silne jest przyciąganie między protonem a elektronem. Jeśli elektron ma więcej energii kinetycznej niż ta, przyciąganie między protonem i elektronem nie będzie wystarczająco silne, aby utrzymać go w zamknięciu.

Zatem przyciąganie między protonem i elektronem określa, jak mały jest region elektron można zamknąć w is.

„Zderzenie” wymaga, aby elektron i proton znajdowały się w „tym samym” małym miejscu. Co się wtedy stanie? Cóż, jeśli nie mają wystarczającej ilości energii, aby wytworzyć nowe cząstki, po prostu rozpadają się. Jeśli mają wystarczająco dużo energii, aby wytworzyć nowe cząstki, czasami to robią i przestają być protonem i elektronem. Huk, zderzają się ze sobą.

Ale bez energii wystarczającej do utworzenia nowych cząstek, elektron zamiast tego tworzy „chmurę” stanów wokół protonu, gdzie promień chmury jest określony przez energię wiązania między proton i elektron.

Interesujące jest to, co dzieje się, gdy dodajesz więcej elektronów i protonów (zakładając, że uda ci się utrzymać razem protony): działa zasada wykluczenia Pauliego, a nowe elektrony muszą „układać się w stos w górę "na stare w stanach" bliższych ".

W jaki sposób protony sklejają się ze sobą? Za pomocą neutronów siły jądrowe zapewniają znacznie silniejszą energię wiązania. Powoduje to, że są one ograniczone do mniejszego promienia (jądra) niż orbitale elektronów.

Istnieją dwa ważne aspekty elektronu, o których należy pamiętać: 1) przy „małych” prędkościach zachowuje się jak cząstka (obowiązuje fizyka klasyczna). 2) w „skali atomowej” zachowuje się jak fala (stosuje się QM).

Odpowiedzi na twoje pytania:

0) Ponieważ w grę wchodzi mała prędkość, elektron zachowuje się jak cząstka punktowa. Kiedy uderza w ekran, ma określony rozmiar i położenie .

1) Tak, elektrostatyka i prawo Coulomba mają zastosowanie, ale ponieważ elektron jest w ruchu , obowiązują również inne prawa (Ampera, Faradaya itp.).

2) Powtórzenie eksperymentu miliardy razy byłoby równoznaczne z użyciem wielu elektronów w tym samym czasie (prądu), co jest dokładnie tym, czego używa się w „wyrzutni elektronowej”. Ponieważ wykorzystywana jest duża grupa elektronów, wyniki stają się bardziej precyzyjne / przewidywalne, co pozwala na zastosowanie fizyki „klasycznej”.

3) Jak wspomniano w 1), elektrostatyka i prawo Coulomba nie są wystarczające do wyjaśnienia ruchu elektronu. Z powodu samoindukcji, gdy elektron porusza się w kierunku protonu, generowana / indukowana jest siła prostopadła zarówno do wektora prędkości, jak i do linii łączącej elektron i proton (styczna do protonu). . Gdy separacja jest zmniejszona, indukowana siła styczna wzrasta, powodując coraz większą prędkość styczną. W tym samym czasie wzrasta również normalne przyspieszenie wynikające z prawa Coulomba. W pewnym momencie zarówno przyspieszenie odśrodkowe (wynikające z prędkości stycznej), jak i przyspieszenie normalne będą równe i naprzeciw siebie, więc elektron będzie „okrążał” proton (na promieniu Bohra), tworząc w ten sposób atom wodoru .

Odpowiedzi udzielono już w przypadku elektronu o wyższych energiach.

Masz wiele wyjaśnień i chcę dodać jeszcze jedno.

Interakcja pól przez jednowymiarowe struktury w przestrzeni

Lata temu pracowałem nad Jednowymiarowymi strukturami przestrzeni iw jakiś sposób zastosowałem wyniki do pól elektrycznych, magnetycznych i promieniowania EM i okazało się, że do ich opisu potrzebne są tylko dwa rodzaje kwantów wszystko. Tak więc opis pól przez linie pola ma materialistyczną podstawę, dzięki tym dwóm kwantom i ich skupiskom można opisać zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne, a także fotony.

Kwantyfikowany charakter interakcji

Podczas zbliżania się elektronu i protonu linie pola stają się krótsze, ale z uwagi na moje założenie eleboracji klastry muszą spełniać funkcję ciągłą, a liczba w nich kwantów powinna wzrastać ze stałą liczbą. Niektóre kwanty są więc emitowane jako fotony, a niektóre z nich na końcach „łańcucha” przechodzą do protonu i elektronu. W pewnej odległości między nimi nie można bardziej skrócić linii pola, zatrzymuje się emisja fotonów, a przejście kwantów do wnętrza protonu i elektronu również się zatrzymuje.

Mój artykuł jest napisany bardzo sucho, a tłumaczenie na język angielski nie poprawia go, ale ma naprawdę nowe pomysły i do tej pory nie ma żadnej niespójności.