¿Por qué un electrón nunca golpea (y se pega) a un protón?

Question

Imagina que hay un protón confinado en una caja y ponemos un electrón a 10 cm de distancia:

Obtiene una aceleración de miles de metros/segundo^2 a lo largo de una línea recta que une los dos CM.

Uno esperaría que el electrón chocara con la partícula positiva en una fracción de segundo, y se quedara allí pegado por una fuerza enorme, pero esto no sucede, incluso si disparamos el electrón proporcionando KE y velocidad/momento extra.

¿Hay alguna explicación plausible para ello? ¿Por qué el electrón no sigue la línea de fuerza recta que lleva al protón?

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mi pregunta ha sido malinterpretada: no es sobre orbitales o colisiones. Si tiene una respuesta/explicación es irrelevante si se refiere a la física clásica o QM. No se ha presentado ninguna explicación.

• Sabemos que a) dos protones pueden pegarse aunque se repelan mediante la fuerza de Coulomb, es legítimo entonces, a fortiori , para suponer que b) dos partículas que no se repelen pueden estar cómodamente una al lado de la otra, casi tocándose:

2a) protón protón

2b) protón electrón

• También sabemos que en un tubo de TV los electrones salen de los cañones y golpean la pantalla siguiendo trayectorias increíblemente precisas produciendo imágenes a pesar de la HUP y del hecho de que son un

"... una partícula puntual que no tiene tamaño ni posición"

Ahora bien, la situación que he previsto es muy sencilla, y probablemente pueda responderse adecuadamente paso a paso con sí/no o con cifras (aproximadas):

• 0) Cuando el electrón está en la pistola/caja, ¿es un punto-masa/carga o es una onda de probabilidad extendida sobre una región?
• 1) ¿se aplican aquí la electrostática y la ley de Coulomb? ¿sabemos con una precisión tolerable qué aceleración obtendrá el electrón cuando se libere y qué KE y velocidad adquirirá cuando gire cerca del protón?
• 2) si repetimos el experimento mil millones de veces, ¿pueden cambiar esas cifras?
• 3) según la electrostática el electrón debería seguir la línea de fuerza del campo eléctrico que lleva al CM del protón y, cuando llega allí, permanecer lo más cerca posible pegado por una fuerza de Coulomb increíblemente enorme (imagen 2 b). Esto no ocurre,....nunca, ni siquiera por una remota posibilidad de probabilidad. ¿Qué ocurre, qué impide que esto ocurra? La física dice que sólo una fuerza muy fuerte puede alterar el resultado de otras leyes.Una respuesta afirma que la QM ha resuelto este viejo misterio pero no da la solución.

Answer 1

El electrón y el protón no son como las bolas de billar. Normalmente se considera que el electrón es puntual, es decir, que no tiene tamaño, pero lo que realmente significa es que cualquier tamaño aparente que midamos es una función de la energía de nuestra sonda y, a medida que llevamos la energía de la sonda al infinito, el tamaño medido cae sin límite. El protón tiene un tamaño (alrededor de 1fm) pero sólo porque está formado por tres quarks puntuales - el tamaño es en realidad sólo el tamaño de las órbitas de los quarks y el protón no es sólido.

Clásicamente dos partículas puntuales, un electrón y un quark, nunca pueden colisionar porque si son puntuales su área frontal es cero y no se puede acertar en un objetivo que tiene un área cero.

Lo que ocurre en realidad es que el electrón y el quark son objetos cuánticos que no tienen una posición ni un tamaño. Ambos están descritos por alguna distribución de probabilidad. La mecánica cuántica nos dice que puede producirse una reacción entre el electrón y el quark, y de hecho esto es lo que ocurre cuando se colisionan partículas en un acelerador como el LHC. Sin embargo, en su experimento, el electrón y el protón que colisionan no tienen suficiente energía para crear nuevas partículas, por lo que están condenados a oscilar indefinidamente uno alrededor del otro.

Si se acelera el electrón se le puede dar suficiente energía para que se produzca una reacción. Este proceso se conoce como dispersión inelástica profunda e históricamente este experimento ha sido una forma importante de aprender sobre la estructura de los protones.

Answer 2

Esto era un gran misterio antes de que se descubriera la mecánica cuántica. Los electrones no sólo son atraídos por los protones, sino que además irradian energía cuando son acelerados. Un electrón clásico en órbita alrededor de un protón debería entrar en espiral en el núcleo en una pequeña fracción de segundo.

La "explicación" es que la física clásica no funciona a pequeña escala. La mecánica cuántica es un modelo mejor. No es una razón para ello. Es sólo una descripción de cómo es el mundo. No siempre es intuitiva o plausible.

En la mecánica cuántica, un electrón no tiene una posición ni un momento definidos. Tiene una función de onda a partir de la cual se puede calcular la probabilidad de encontrarlo en una posición o un momento determinados. Un electrón unido a un protón estará probablemente muy cerca del protón.

El Principio de Incertidumbre dice que si la incertidumbre de la posición de un electrón se reduce al confinarlo cerca de un protón, entonces la incertidumbre de su momento aumenta. Un electrón que puede tener un momento alto no es probable que permanezca cerca de un protón mucho tiempo.

Hay un tamaño en el que estas dos incertidumbres opuestas se equilibran. Esto determina el tamaño de los átomos.

Esta fue una descripción muy floja, de mano. Si quieres la historia real, hay mucho en la web. Volumen III de las Conferencias Feynman es una buena introducción.

Answer 3

Este tipo de modelo, un modelo clásico, condujo al modelo de Bohr y a la mecánica cuántica para el átomo, ya que es un hecho experimental que el átomo de hidrógeno existe y no se convierte en un neutrón.

Para las grandes distancias que ilustras la trayectoria clásica tendría que estar exactamente centrada, de lo contrario, incluso clásicamente habrá un movimiento lateral que creará una órbita hiperbólica.En el marco de la mecánica cuántica que es el correcto cuando se habla de partículas elementales, las líneas exactas no existen, la posición y la energía están limitadas por el principio de incertidumbre de Heisenberg , y el electrón y el protón están en el régimen de la mecánica cuántica, por lo que la probabilidad de un movimiento lateral es muy alta.

En el sistema de centro de masa, los electrones y protones se atraen de la forma que describes en la figura. Se ha estudiado la dispersión electrón-protón, que es lo que describes, y si la energía del electrón es lo suficientemente alta se dispersará en el campo del protón. Si es inferior a las líneas de hidrógeno, será atrapado por los campos en un átomo de hidrógeno, emitiendo la energía adecuada en forma de fotón.

La mecánica cuántica no permite las "fusiones" en la forma en que usted las concibe. Existe captura de electrones en los núcleos, un protón captura un electrón y se convierte en un neutrón, pero de nuevo se trata de una solución mecánica cuántica específica dentro del núcleo.

Answer 4

La respuesta a su pregunta revisada es que su objeto 2b existe , es descrito correctamente como un electrón pegado a un protón mediante la atracción de Coulomb, y es lo que se obtiene (la mayor parte del tiempo) si se toma un solo electrón y un solo protón y se los coloca en un universo por lo demás vacío, inicialmente en reposo en el marco del centro de masa. La distancia de separación inicial sólo afecta al tiempo que tarda el electrón en atascarse y a la cantidad de energía que se libera en el proceso. El objeto se conoce generalmente como átomo de hidrógeno.

Esta frase es exacta:

(3) según la electrostática el electrón debe seguir la línea de fuerza del campo eléctrico que lleva al CM del protón y, cuando llega allí, permanecer lo más cerca posible pegado por una fuerza de Coulomb increíblemente enorme (imagen 2 b).

Eso es exactamente lo que ocurre. (El exceso de energía se liberará en forma de fotones.) Usted cree que esto no ocurre, y no estoy seguro de por qué. Mi mejor hipótesis es que se aferra al inexacto "modelo de Bohr" del átomo de hidrógeno, en el que el electrón "orbita" el protón a distancia. Ese modelo fue desechado porque no había ninguna razón plausible para que el electrón permaneciera a distancia del protón.

Ahora bien, hay un detalle importante, y es que el electrón de un átomo de hidrógeno sigue siendo moviendo aunque esté pegado al protón, y se aleja del protón de vez en cuando (pero es lo más probable es que estar muy cerca, o incluso dentro, del protón, a menos que se golpee el átomo con uno o dos fotones y se "excite" el electrón). Este es el punto en el que hay que introducir un poco de teoría cuántica (de hecho, es uno de los primeros fenómenos para los que se inventó la teoría cuántica). La teoría cuántica propone que nada puede dejar de moverse por completo . Esta es una forma de expresar el famoso principio de incertidumbre Y creo que es la forma más clara de decirlo en el contexto de este fenómeno en particular.

De acuerdo, por qué ¿puede algo dejar de moverse por completo? Porque todo es una onda, y las ondas sólo existen cuando están en movimiento. Podría explicar esta afirmación, pero sólo con un montón de matemáticas, y no creo que eso ayude. (El artículo enlazado sobre el principio de incertidumbre entra en las matemáticas).

Answer 5

Los diagramas de la pregunta no deben tomarse literalmente. Como Matt Strassler explica es un error pensar que el protón sólo tiene 3 quarks. Por el contrario, hay una gran multitud de quarks y antiquarks, sin poder distinguir lo real de lo virtual.

Sabemos que a) dos protones pueden pegarse

Eso sería un diprotón que no es estable. Así que no, dos protones no pueden unirse sin al menos un neutrón. Además, los protones pueden interactuar entre sí a través de la fuerza fuerte residual, mientras que un protón y un electrón no pueden.

Según Estructura de los protones a partir de la medición de las frecuencias de transición 2S-2P del hidrógeno muónico Science Vol. 339, pp. 417-420:

...la comparación entre la teoría y el experimento se ha visto obstaculizada por la falta de conocimiento preciso de las distribuciones de carga y magnetización del protón. La estructura del protón es importante porque un electrón en estado S tiene una probabilidad no nula de estar dentro del protón. La fuerza de atracción entre el protón y el electrón se reduce así porque el campo eléctrico dentro de la distribución de carga es menor que el correspondiente campo producido por una carga puntual.

El electrón puede estar dentro del protón. Este es el Interacción de contacto de Fermi . La interacción de contacto de Fermi es observable mediante RMN, EPR y captura de electrones. El electrón no queda atrapado dentro del protón, porque éste no constituye un pozo infinito. El interior del protón es el lugar más probable (para un pequeño volumen dado) para que el electrón se encuentre en el estado básico del hidrógeno, pero no es el único lugar porque el protón no es un pozo de energía potencial infinitamente profundo.

Para un modelo cuantitativo de la distribución real de la carga en el protón, véase Dependencia del factor de forma del protón de la corrección de tamaño finito del desplazamiento Lamb en hidrógeno muónico

-1) ¿se aplican aquí la electrostática y la ley de Coulomb?

La ley de Coulomb no se aplica exactamente. Hay que sustituirla por electrodinámica cuántica .