Tauschen Protonen Photonen mit Elektronen aus?

ELEKTRONEN-PROTONEN-ANZIEHUNG: eine einfache, halbklassische Analyse zur Vermeidung von QFT im vollen Maßstab.

Der Austausch des Photons zwischen dem Proton und dem Elektron führt nur deshalb zur Anziehung, weil die Gesamtenergie des Elektrons negativ ist.

Betrachten wir der Einfachheit halber das Wasserstoffatom und stellen uns die trichterförmige Form der Elektronenenergie vor. Die Gesamtenergie des Elektrons im entfernten Wasserstoffatom$r_0$aus dem Proton ist

$E(r_0)=-\frac{e^2}{8\pi\epsilon_0 r_0}$.

Wenn die Entfernung$r_0$ausreichend kurz ist, dann sendet das Elektron ein Photon aus, das vom Proton absorbiert wird, und die Energiemenge des ausgetauschten Photons wird durch die Unschärferelation bestimmt:

$\Delta E\Delta t=\hbar.$

Aber$\Delta t=\frac{r_0}{c}$so dass

$\Delta E r_0=\hbar c\rightarrow \Delta E= \frac{\hbar c}{r_0}$

So wird die neue Energie des Elektrons sein

$E_1=-\frac{e^2}{8\pi\epsilon_0 r_0}-\frac{\hbar c}{r_0}=-\frac{e^2+8\pi\epsilon_0\hbar c}{8\pi\epsilon_0r_0}$

oder die äquivalente Energiemenge, die einer neuen Position entspricht$r_1$

$-\frac{e^2}{8\pi\epsilon_0 r_1}=-\frac{e^2+8\pi\epsilon_0\hbar c}{8\pi\epsilon_0 r_0}$

aus denen wir kommen$r_1$bezüglich$r_0$

$r_1=r_0\frac{e^2}{e^2+8\pi\epsilon_0\hbar c}<r_0$

Daher bewegt sich das Elektron eher näher zum Proton als weiter davon weg (eine Anziehungskraft).

Für alle Leute, die mehr über Partikelinteraktionen wissen möchten, können Sie sich das hervorragende Video von Matt O'Dowd von PBS Space Time über virtuelle Partikel ansehen:

https://www.youtube.com/watch?v=ztFovwCaOik

Photonen sind nicht wie Billardkugeln. Ein Photon ist kein Teilchen im Sinne eines harten, massiven Stücks, es ist eine "Klumpigkeit" der elektrischen und magnetischen Felder. Wenn wir sagen, dass Protonen und Elektronen attraktiv sind, weil sie Photonen austauschen, meinen wir damit, dass Protonen EM-Felder erzeugen und Elektronen EM-Felder erzeugen, die die vom Proton erzeugten aufheben.

Die Felder selbst sind genau die gleichen wie die klassischen EM-Felder, die einzige Ausnahme ist, dass sie nur in Blöcken gemacht und ausgelöscht werden können. Der Grund, warum Photonenaustausch attraktiv sein kann, ist genau derselbe, warum klassische elektrische Felder attraktiv sein können.