Kann es ein Teilchen mit positiver und negativer Ladung geben?

Um Teilchen auf der Ebene sehr kleiner Entfernungen zu verstehen, bedarf es zumindest ein wenig Quantenmechanik.

Denken Sie an Positronium . Dies ist ein gebundener Zustand eines Elektrons (Ladung -1) und eines Positrons (Ladung +1). Es hat eine sehr kurze Lebensdauer von 0,1244 ns. Die beiden Teilchen vernichten und setzen Photonen frei. Dies kann passieren, weil die Quantenzahlen der beiden Teilchen genau entgegengesetzt sind. Sie sind ein Teilchen-Antiteilchen-Paar. Alle Erhaltungssätze können also eingehalten werden, wenn sie in Photonen umgewandelt werden.

Vergleichen Sie mit einem Wasserstoffatom . Dies ist ein gebundener Zustand eines Elektrons (Ladung -1) und eines Protons (Ladung +1). Aber in diesem Fall ist das Proton nicht das Antiteilchen zum Elektron. Nicht alle Quantenzahlen sind entgegengesetzt. Sie können also nicht vernichten, das System ist stabil.

Aber was ist mit den Unendlichkeiten, wenn sich die Elektronenladung und die Protonenladung überschneiden? Die Quantenmechanik sagt uns, dass ein Teilchen nicht wirklich die Größe Null hat, selbst wenn es sich um ein Punktteilchen handelt. "Punktpartikel" bedeutet, dass es keine Unterstruktur hat. Soweit wir das beurteilen können, hat ein Elektron keine Bestandteile. Aber ein Proton besteht aus drei Unterkomponenten, die Quarks genannt werden, also ist es kein Punktteilchen. So wie das Wasserstoffatom kein Punktteilchen ist, weil es aus einem Elektron und einem Proton besteht.

Da Partikel keine Nullgröße haben, vermeiden sie die Unendlichkeit. Diese besondere sowieso. Anstatt dass das Potential diesen unendlich tiefen Brunnen am Ursprung hat, hat es eine kleine Kugel aus verteilter Ladung. Für den sehr kleinen Bruchteil der Zeit, den das Elektron damit verbringt, das Proton zu überlappen, sieht es einen endlichen konstanten Potentialwert.

Die Situation hat noch viel mehr zu bieten. Wenn Sie interessiert sind, sollten Sie sich in einige Texte zur Quantenmechanik vertiefen. Wenn Sie diesen Weg gehen wollen, sollten Sie auch im Matheunterricht aufpassen. In QM erwartet Sie eine sehr große Menge an Kalkül.

Man muss den Begriff "Teilchen" definieren. Nach mehr als einem Jahrhundert an Beobachtungen und Messungen verwendet die Mainstream-Physik theoretische Modelle, um solche Fragen zu beantworten, aber diese Modelle hängen von den Rahmenbedingungen ab, die zur Beschreibung der Teilchen verwendet werden.

Es gibt den klassischen Rahmen, den Sie in Ihrer Frage verwenden, aber dieser Rahmen ist auf Dimensionen beschränkt, die größer als Nanometer und Energien sind, die in Joule gemessen werden. Wenn die Dimensionen sehr klein werden, wie in Ihrer Hypothese der Überlappung zweier Teilchen, befindet man sich im quantenmechanischen Rahmen und muss die quantenmechanischen Theorien verwenden, um die Daten zu modellieren und vorherzusagen, was passiert.

In der Teilchenphysik auf der Quantenebene sind die Elementarteilchen Punktteilchen , und ihre (x,y,z) folgt quantenmechanischen Wahrscheinlichkeitsgleichungen und eine Überlagerung, beispielsweise eines Elektrons mit einem Positron, führt zu Vernichtung, Ladungsverlust, und nur Gammastrahlen, wenn die Energien niedrig sind.

Alle anderen Teilchen sind Zusammensetzungen von Elementarteilchen, die wiederum durch quantenmechanische Wahrscheinlichkeitsgleichungen bestimmt werden, und als Quantenzusammensetzungen hat es keine Bedeutung, dass die Ladung in einem bestimmten (x,y,z) liegt. Wenn ein Proton auf ein Antiproton trifft, kommt es je nach Energie zu komplizierten Quark-Wechselwirkungen, und die Ladung verschwindet.

Die klassische Unendlichkeit des Coulombschen Gesetzes wird also auf der zugrunde liegenden Quantenebene nie erreicht.

Wenn das Partikel zusammengesetzt ist, dann ja. Zum Beispiel ein Dipol.

Wenn das Teilchen elementar ist, dann nein. Wenn die Gebühren jedoch unterschiedlicher Art sind, ist dies möglich. Zum Beispiel hat das hypothetische Dyon sowohl magnetische als auch elektrische Ladungen.

Andere haben wichtige quantenmechanische Punkte in Bezug auf die Annäherung entgegengesetzter Ladungen erwähnt. Es gibt eine klassische Sache, die hilft, elektrische Dipole anzunähern.

Angenommen, Sie haben eine Ladung q at$(0,0,z_0/2)$und -q bei$(0,0,-z_0/2)$. Es hat ein Dipolmoment von$qz_0\hat{k}=p_0\hat{k}=\vec{p}.$

Nimmt man die Grenze des resultierenden elektrischen Feldes als$z_0\to 0$während$p_0$konstant bleibt (durch entsprechende Anpassung der Ladung), erhält man das Feld eines idealen elektrischen Dipols:

Beachten Sie, dass es ein Feld gibt, obwohl keine Nettogebühr anfällt. Dies ist eine anständige Annäherung an das elektrische Feld polarer Moleküle. Klassisch könnte man also sagen, dass entgegengesetzte Ladungen nahe beieinander ein Dipolmoment mit einem charakteristischen elektrischen Feld erzeugen, das einem umgekehrten Würfelgesetz folgt, im Gegensatz zum umgekehrten Quadratgesetz einer eigenständigen elektrischen Ladung. Die Ladung ist Null, aber Dipolmoment, Quadrapolmoment und so weiter sind es nicht unbedingt$0$und erzeugen elektrische Felder.

Elektrische Ladung ist eine Eigenschaft von Materie. Materie hat Masse und nimmt Volumen ein. Es ist nicht möglich, dass unterschiedliche Materie gleichzeitig denselben Raum einnimmt. Zwei Teilchen mit entgegengesetzter Ladung können einander sehr nahe kommen, aber sie können nie gleichzeitig dieselbe Position einnehmen. Einfach ausgedrückt, "das Szenario, in dem sich die beiden Teilchen mit entgegengesetzter Ladung an derselben Position befanden", kann nicht auftreten. Der Versuch, über eine solche Situation nachzudenken, würde eine Materie ohne Volumen erfordern, was den grundlegenden Eigenschaften dessen, was Materie ist, widerspricht.