Proton-Elektronen-Fusion

Kann jemand erklären, was passieren würde, wenn ein Elektron und ein Proton, die sehr nahe beieinander liegen, in einer geraden Linie aufeinander "fallen" würden?

Antworten (5)

Sie würden ein Wasserstoffatom bilden.

Sie würden nicht verschmelzen, weil die Verschmelzung zu einem Neutron führen würde, das schwerer ist als ein Proton und ein Elektron zusammen. Wenn sie jedoch ausreichend gewaltsam ineinander "geknallt" werden, können sie ein Neutron (und ein Elektron-Neutrino, das eine vernachlässigbare Masse hat) bilden. Das Neutron würde später in Proton, Elektron und Elektron-Antineutrino zerfallen (es hat eine Halbwertszeit von etwa 10 Minuten).

Ich würde etwas hinzufügen wie: "Ja, sie werden durch elektrische Ladung voneinander angezogen, aber wenn sie sich sehr nahe kommen, werden die Kernkräfte signifikant (und abstoßend).
Können Sie Ihre Aussage zur "abstoßenden Kernkraft" ein wenig erläutern, was sind die Kriterien für eine abstoßende Kernkraft und auch welche Art, stark oder schwach? Im Allgemeinen wird über starke Kernkraft gesagt, dass sie attraktiv und von kurzer Reichweite sind
Warum sie "zugeschlagen" werden müssen, um ein Neutron zu erzeugen. Welche abstoßende Kraft wirkt gegen die anziehende elektrische Kraft zwischen Proton & Elektron?
@rim liegt daran, dass Neutronen schwerer sind als Protonen und Elektronen zusammen, daher benötigen sie zusätzliche Energie, um ein Neutron zu bilden. Hier geht es nicht um abstoßende und anziehende Kräfte, es geht um Massen. Wenn Neutronen weniger massereich wären, würde diese zusätzliche Energie nicht benötigt, aber dann wären Wasserstoffatome nicht stabil – sie würden in Neutronen zerfallen.
In den meisten Fällen prallen Proton und Elektron einfach voneinander ab (Streuung). Die Bildung eines Wasserstoffatoms hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit (weder 0 noch 1), der Prozess erfordert auch die Bestrahlung mit einem oder mehreren Photonen.
@fraxinus sie würden sicherlich ein Wasserstoffatom bilden, wenn ihnen nicht genügend kinetische Energie fehlt, um sich gegenseitig zu entkommen, was die Frage zu implizieren schien. In diesem Fall sind sie jedoch bereits von Anfang an ein Wasserstoffatom, das möglicherweise ein hochangeregtes Rydberg-Atom ist , aber schließlich in den Grundzustand zerfallen wird.
Welche Kernkraft, stark oder schwach, wird bei der besagten Elektron-Proton-Wechselwirkung als abstoßende Kraft wirken? Kann jemand den Ausdruck für eine solche Kraft beschreiben oder darauf hinweisen?
@rim Es gibt keine relevante Abstoßungskraft . Elektron und Proton interagieren gravitativ, elektromagnetisch und mit schwacher nuklearer Wechselwirkung (Elektronen interagieren nicht mit der starken). Eine schwache nukleare Wechselwirkung kann sie in ein Neutron verwandeln (wenn genügend Energie vorhanden ist) und später dazu führen, dass dieses Neutron zerfällt. Aber sein abstoßendes/anziehendes Verhalten ist hier irrelevant. Das einzig Relevante in dieser Geschichte ist die "Umwandlung" von Partikeln (mit einer Wahrscheinlichkeit ungleich Null, wenn dies nach den Erhaltungsgesetzen zulässig ist).
"Sie würden ein Wasserstoffatom bilden." Nicht unbedingt.
„Sie würden nicht fusionieren“ Dies kann nicht ausgeschlossen werden.
'wenn sie mit ausreichender Kraft ineinander "geknallt" werden' Es gibt nichts, was Elektron und Proton getrennt hält. Tatsächlich gibt es in Atomen immer eine beträchtliche Elektronendichte am Kern.
@my2cts nichts hält sie getrennt, aber die Tatsache, dass ein Neutron massiver ist, verhindert, dass sie zu einem Neutron werden (sie brauchen zusätzliche Energie, um dies zu tun, und kinetische Energie könnte den Trick machen). Am selben Ort zu sein ist nicht dasselbe wie ein anderes Teilchen zu sein.
@Danijel Lies aber meine Antwort. Sie können Neutron plus Neutrino werden.
@my2cts genug Energie gegeben, ja. Aber nicht ohne. Und ja, eine ausreichende Lokalisierung kann auch funktionieren, was auch unter ausreichende kinetische Energie fällt.
Aus dem obigen Beitrag können Sie nicht schließen, dass es nicht genug Energie gibt. Daher kann sich ein Neutron bilden.

Kann jemand erklären, was passieren würde, wenn ein Elektron und ein Proton, die sehr nahe beieinander liegen, in einer geraden Linie aufeinander "fallen" würden?

Einer der drei soliden Beweise dafür, dass die klassische Elektrodynamik und Mechanik Elektronen, Protonen und Atome nicht beschreiben konnte, war genau die Tatsache, dass in der klassischen Elektrodynamik das von der Protonenladung angezogene Elektron durch Beschleunigung auf das Proton fallen würde, das es neutralisiert, mit einer kontinuierlichen elektromagnetischen Strahlung.

Stattdessen existierten diskrete Frequenzen, die Atomspektren. Die Quantenmechanik wurde erfunden, was dazu führte, dass die Wasserstoffspektren mit quantisierten Energielösungen angepasst wurden.

Die beiden anderen experimentellen No-Gos der klassischen Physik, die die Quantenmechanik damals mathematisch erklärte, waren der Photoeffekt und die Schwarzkörperstrahlung.

Ich möchte darauf hinweisen, dass Elektronen LEPTONEN und Protonen HADRONEN sind (verzeihen Sie das SCHREIEN). Alle Protonen bestehen aus 3 Quarks (uud). Neutronen haben (udd) Quarks. Leptonen haben 0-Quarks und nehmen nicht an starken Kraftwechselwirkungen teil, die durch Gluon-Austausch zwischen den Komponenten-Quarks des Hadrons vermittelt werden. Ein Lepton kann nur Energie beitragen (aus seiner kinetischen Bewegung). Während zwischen dem Proton und dem ankommenden Elektron eine Coulomb-Anziehung besteht, benötigen Sie viel Energie, um ein Proton-u-Quark zum Übergang zu d zu bringen (eine naive Wahrscheinlichkeit von ⅔, vorausgesetzt, Sie nähern sich nach innen 10 − 17 Meter), aber um die ganze Quantenbuchhaltung auszugleichen, braucht man auch noch ein Elektron-Anti-Neutrino! Ein Feynman-Diagramm würde dies zeigen (siehe http://hst-archive.web.cern.ch/archiv/HST2002/feynman/examples.htm ). Als solches würde das Elektron eher seine Energie als Bremsstralung-Emissionen verlieren.

Warum SCHREIEN Sie über den Unterschied zwischen LEPTONS und HADRONS?

Wenn sie einfach direkt aufeinander fallen, können sie sich nicht verbinden. Um sich zu verbinden, müssten sie ein Neutron bilden, aber ein Neutron hat etwas mehr Masse. Die zusätzliche Masse müsste von einem anderen Teilchen oder einer anderen Energiequelle stammen – zum Beispiel, wenn man sie kräftig genug zusammenschmettert.

Da sie sich nicht verbinden können, würden sie als Proton und Elektron verbleiben. Sie würden sich anziehen, weil sie eine entgegengesetzte Ladung hätten, aber wenn sie "zu nahe" kamen, würden die nuklearen Wechselwirkungen dominant (stärker) werden und dazu führen, dass sie sich gegenseitig abstoßen.

Eine andere Sichtweise auf die Energie, die zum Verschmelzen benötigt wird, ist die Energie, die benötigt wird, um diese Abstoßung zu überwinden, wenn sie sich sehr nahe kommen.

Sie würden also nah dran sein, aber nicht zu nah. Elektrisch angezogen, aber nicht in der Lage, näher zu kommen oder zu verschmelzen.

Es würde also ein Wasserstoffatom bleiben – ein Proton mit einem einzigen gebundenen Elektron.

Das Elektron wird nicht durch nukleare Wechselwirkungen vom Proton abgestoßen. Sie bleibt aufgrund der Heisenbergschen Unschärfe nur mit endlichem mittleren Abstand (Bohr-Radius) um das Proton herum.
„Wenn sie einfach direkt aufeinander zufallen.“ Sie sind es nicht. Die Elektronenwellenfunktion breitet sich schnell aus.
Ich verwende hier einfache, nichttechnische Begriffe, weil die Frage eindeutig so formuliert ist, dass eine etwas weniger technische, aber intuitivere Beschreibung nützlich sein könnte.

Es besteht die Wahrscheinlichkeit, dass sie ein Neutron, ein Wasserstoffatom in einem bestimmten Zustand oder ein ungebundenes Elektron-Proton-System bilden. Jede dieser Möglichkeiten kann je nach Ausgangszustand mit einer relativen Wahrscheinlichkeit eintreten. Es ist also nicht richtig zu sagen, dass ein Wasserstoffatom entstehen muss, auch ohne Angabe in welchem ​​Zustand.

Die Quantenmechanik sagt uns, dass ein sehr lokalisiertes Elektron, das an einem Proton zentriert ist, einer Überlagerung von wasserstoffgebundenen und ionisierten Zuständen entspricht. Ein sehr lokalisiertes Elektron hat eine sehr hohe kinetische Energie, die die potentielle Energie überschreiten kann. Der schnellste Weg, dies zu sehen, ist die Anwendung der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation für Ort und Impuls. HUP sagt Ihnen, dass eine stark lokalisierte Elektronenwellenfunktion eine Überlagerung von Wellen mit sehr hohem Impuls erfordert. Sehr hoher Impuls bedeutet auch sehr hohe kinetische Energie.

Beachten Sie, dass, wenn Komponenten mit ausreichend hoher kinetischer Energie vorhanden sind, um den Massenunterschied von Neutron und Proton zu überwinden und ein Elektron-Neutrino mit ausreichender Energie und Impuls zu erzeugen, auch ein Neutron plus Neutrino gebildet werden kann.

Können Sie bitte erläutern, wie ein lokalisiertes Elektron eine hohe kinetische Energie haben wird, die erforderlich ist, um die überwältigende anziehende elektrische Kraft zu überwinden.
Ich habe einen Absatz über die Heisenberg-Unsicherheit hinzugefügt.
@rim Elektronen sind keine kleinen Bälle. Sie sind Quanten - Wellen mit einigen sehr spezifischen Eigenschaften. So wie eine Schallwelle nicht lokalisiert ist, sind Elektronen es auch nicht. An Atome gebundene Elektronen füllen etwas, das Orbital genannt wird – im Wesentlichen eine komplizierte stehende Welle. Das bedeutet letztendlich, dass Elektronen diskrete Zustände haben, die sie einnehmen können, mit diskreten Energieniveaus. Die Sache ist die, je lokalisierter ein Quant ist (je weniger Unsicherheit es in seiner Position gibt), desto mehr Impuls (und Geschwindigkeit) muss es haben - wenn Sie noch einmal an Schall denken, sind hochfrequente Schallwellen "kleiner".
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