Es gibt mehrere Gründe, warum Protonen schwerer als Elektronen sind. Wie Sie angedeutet haben, gibt es dafür empirische und theoretische Beweise. Ich werde mit den empirischen beginnen, da sie einen wichtigen historischen Kontext haben. Als Vorwort wird dies ein ziemlich langer Beitrag, da ich den Kontext hinter den Experimenten und den Theorien erläutern werde.

Empirische Elektronenmasse

Die Messung der Masse eines Elektrons ist historisch gesehen ein mehrstufiger Prozess. Zuerst wird die Ladung mit dem Öltropfen-Experiment von Millikan gemessen, dann wird das Verhältnis von Ladung zu Masse mit einer Variation des Experiments von JJ Thomson gemessen.

Millikan Öltropfen

1909 maßen Robert A. Millikan und Harvey Fletcher die Masse eines Elektrons, indem sie geladene Öltröpfchen in einem elektrischen Feld suspendierten. Indem die Öltröpfchen so suspendiert werden, dass das elektrische Feld die Gravitationskraft aufhebt, kann die Ladung des Öltröpfchens bestimmt werden. Wiederholen Sie das Experiment viele Male für immer kleinere Öltröpfchen, und es kann festgestellt werden, dass die gemessenen Ladungen ganzzahlige Vielfache eines singulären Werts sind: der Ladung eines Elektrons.

JJ Thomsons Experimente

1897 bewies JJ Thomson, dass Kathodenstrahlen (ein Elektronenstrahl) aus negativ geladenen Teilchen mit einem massiven Ladungs-Masse-Verhältnis (im Vergleich zu ionisierten Elementen) bestehen. Das Experiment begann mit der Feststellung, ob Kathodenstrahlen durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden können. Der Kathodenstrahl wurde in eine unter Vakuum stehende Crookes-Röhre geschossen, in der er zwischen zwei Platten hindurchging, bevor er auf einen elektrischen Bildschirm traf. Wenn die Platten geladen waren, wurde der Strahl abgelenkt und traf auf den elektrischen Schirm, wodurch bewiesen wurde, dass Kathodenstrahlen eine Ladung enthielten.

Später würde er ein ähnliches Experiment durchführen, aber das elektrische Feld gegen ein magnetisches Feld austauschen. Diesmal würde das Magnetfeld jedoch eine Zentripetalbeschleunigung auf den Kathodenstrahl induzieren und Kreise erzeugen. Durch Messen des Radius des Kreises und der Stärke des erzeugten Magnetfelds wird das Ladungs-Masse-Verhältnis ($e/m_e$) des Kathodenstrahls erhalten würde.

Multiplizieren Sie dies mit der im Millikan-Öl-Experiment erhaltenen Elementarladung und berücksichtigen Sie die Unsicherheit, und Sie erhalten die Masse der Elektronen im Kathodenstrahl.

Empirische Protonenmasse

Ernest Rutherford wird die Entdeckung des Protons im Jahr 1917 zugeschrieben (überliefert 1919). In diesem Experiment entdeckte er das Vorhandensein des Wasserstoffkerns in anderen Kernen. Später nannte er diesen Wasserstoffkern das Proton, weil er glaubte, dass es der grundlegende Baustein für andere Elemente sei. Da ionisierter Wasserstoff nur aus einem Proton bestand, folgerte er richtigerweise, dass Protonen grundlegende Bausteine ​​für die Kerne von Elementen sind; Bis zur Entdeckung des Neutrons würden ionisierter Wasserstoff und das Proton jedoch austauschbar bleiben. Wie wurde dann die Protonenmasse gemessen? Durch Messen der Masse von ionisiertem Wasserstoff.

Dies geschieht auf eine von mehreren Arten, von denen ich hier nur eine nennen werde.

JJ Thomson-Variation

Wiederholen Sie das Experiment von JJ Thomson mit magnetischer Ablenkung; aber tauschen Sie den Kathodenstrahl gegen ionisierten Wasserstoff aus. Dann können Sie das Verhältnis von Ladung zu Masse messen ($e/m$) der Ionen. Da die Ladung eines Protons der Ladung eines Elektrons entspricht:

Andere Variationen

Andere Variationen können die verschiedenen Methoden umfassen, die in der Kernchemie verwendet werden, um Wasserstoff oder den Kern zu messen. Da ich diese Experimente nicht kenne, lasse ich sie weg.

Empirisches Massenverhältnis von Proton zu Elektron

Nun haben wir also festgestellt:

Mit den beiden Werten und Arithmetik:

$\frac{m_p}{m_e} = \frac{1.6726219 \times 10^{-27} \, \mathrm{kg}}{9.10938575 \times 10^{-31} \, \mathrm{kg}} = 1836$, oder$1800$wenn man abrundet.

Theoretisches Massenverhältnis von Proton zu Elektron

Theoretisch müssen Sie zunächst ein Grundprinzip der Teilchenphysik verstehen. Masse und Energie nehmen in der Teilchenphysik sehr ähnliche Bedeutungen an. Um Berechnungen zu vereinfachen und einen gemeinsamen Satz von Einheiten in der Teilchenphysik zu verwenden, gibt es Variationen von$\mathrm{eV}$werden verwendet. Historisch hat sich dies aus der Nutzung von Teilchenbeschleunigern entwickelt, in denen die Energie eines geladenen Teilchens enthalten war$\mathrm{qV}$. Für Elektronen oder Elektronengruppen gilt:$\mathrm{eV}$war bequem zu bedienen. Da sich dies auf das Gebiet der Teilchenphysik erstreckt, bleibt die Bequemlichkeit bestehen, da alles, was sich theoretisch entwickelt, experimentelle Werte hervorbringen muss. Mit Variationen von$\mathrm{eV}$Dadurch entfallen aufwändige Konvertierungen. Diese "fundamentalen" Einheiten, die Planck-Einheiten genannt werden, sind:

Nun, was sind die Ruheenergien eines Protons und eines Elektrons?

Wie wir es bei den experimentell bestimmten Massen getan haben,

der mit dem zuvor ermittelten Wert übereinstimmt.

Wieso den?

Ich werde diesem Abschnitt voranstellen, indem ich darauf hinweise, dass das „Warum“ eine umstrittene Frage ist, die in jeder Wissenschaft gestellt werden muss, ohne viel genauer zu sein . In diesem Fall fragen Sie sich vielleicht, was bewirkt, dass die Masse des Protons 1800-mal größer ist als die des Elektrons. Ich versuche hier mal eine Antwort:

Elektronen sind Elementarteilchen. Sie können nicht (oder wurde zumindest nie beobachtet) in "Bestandteil"-Teilchen zerfallen. Protonen hingegen sind zusammengesetzte Teilchen, die aus 2 Up-Quarks, 1 Down-Quark und virtuellen Gluonen bestehen. Quarks und Gluonen wiederum sind ebenfalls Elementarteilchen. Hier sind ihre jeweiligen Energien:

Wenn Sie das Gefühl haben, dass etwas nicht stimmt, haben Sie recht. Wenn Sie davon ausgehen

du wirst es finden:

aber

Dies wirft die Frage auf: Was ist passiert, warum ist die Masse des Protons 100-mal größer als die Masse seiner elementaren Teilchen? Nun, die Antwort liegt in der Quantenchromodynamik, der „derzeit“ herrschenden Theorie der Kernkraft. Insbesondere wurde bei dieser oben durchgeführten Berechnung ein sehr wichtiges Detail ausgelassen: das Gluon-Partikelfeld, das das Quark umgibt, das die Protonen zusammenhält . Wenn Sie mit der Theorie des Atoms vertraut sind, kann hier eine ähnliche Analogie verwendet werden. Wie Atome sind Protonen zusammengesetzte Teilchen. Wie Atome müssen diese Teilchen durch eine "Kraft" zusammengehalten werden.

Bei Atomen bindet die elektromagnetische Kraft Elektronen mit Photonen (die die EM-Kraft vermitteln) an den Atomkern. Bei Protonen bindet die starke Kernkraft Quarks an Gluonen (die wiederum die SN-Kraft vermitteln). Der Unterschied zwischen den beiden besteht jedoch darin, dass Photonen unabhängig von Elektron und Kern existieren können. So können wir sie erkennen und eine Vielzahl von Messungen mit ihnen durchführen. Bei Gluonen vermitteln sie jedoch nicht nur die starke Kraft zwischen Quarks, sondern können auch über die starke Kernkraft miteinander interagieren. Infolgedessen sind starke nukleare Wechselwirkungen viel komplexer als elektromagnetische Wechselwirkungen.

Gluon-Farbbeschränkung

Das geht weiter. Gluonen tragen eine Eigenschaft namens Farbe. Wenn zwei Quarks ein Gluonenpaar teilen, ist die Gluonenwechselwirkung farbbeschränkt. Das heißt, wenn die Quarks auseinander gebracht werden, nimmt das „Farbfeld“ zwischen ihnen linear an Stärke zu. Dadurch benötigen sie immer mehr Energie, um auseinandergezogen zu werden. Vergleichen Sie dies mit der EM-Kraft. Wenn Sie versuchen, ein Elektron aus seinem Atom zu ziehen, benötigt es genügend Energie, um aus seiner Hülle ins Vakuum gerissen zu werden. Wenn Sie dies nicht tun, springt es um ein oder mehrere Energieniveaus nach oben, fällt dann in seine ursprüngliche Hülle zurück und setzt ein Photon frei, das die Differenz trägt.

Wenn Sie ein Objekt von einem Planeten pflücken möchten, müssen Sie ihm auf ähnliche Weise genügend Energie zuführen, um der Schwerkraft des Planeten auf unbestimmte Zeit zu entkommen (Energie wird benötigt, um die Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen). Anders als die Gravitationskraft und die elektromagnetische Kraft wird die Kraft, die Gluonen aneinander bindet, stärker, wenn sie auseinander wachsen. Dadurch kommt es zwangsläufig zu einem Punkt, an dem es energetisch immer günstiger wird, ein Quark-Antiquark-Paar zu erzeugen, als die Gluonen weiter zu ziehen. Wenn dies geschieht, binden das Quark und das Antiquark an die 2 Quarks, die auseinandergezogen wurden, und die Gluonen, die sie binden, binden nun das neue Quarkpaar.

^{Diese Animation stammt aus Wikipedia , mit freundlicher Genehmigung des Benutzers Manishearth unter der Lizenz Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported .}

Aber warte! Woher kamen diese beiden Quarks? Erinnern Sie sich, dass das Auseinanderziehen der Quarks Energie erfordert? Nun, diese Energie liegt in der Größenordnung von$\mathrm{GeV}$. Auf diesen Skalen kann sich die Energie in Teilchen mit kinetischer Energie umwandeln. Tatsächlich sehen wir in Teilchenbeschleunigern statt einzelner Quarks typischerweise Jets aus farbneutralen Teilchen (Mesonen und Baryonen), die zusammengeballt sind. Dieser Vorgang wird als Hadronisierung bezeichnet, wird aber je nach Kontext oder Jahr auch als Fragmentierung oder Saitenbruch bezeichnet. Abschließend muss ich darauf hinweisen, dass dies einer der am wenigsten verstandenen Prozesse in der Teilchenphysik ist, da wir Gluonen nicht allein untersuchen oder beobachten können.

Protonenmasse

So, jetzt zurück zur Ausgangsfrage. Früher haben wir bemerkt, dass die empirische Protonenmasse war$938.272 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$; aber theoretisch sollte seine Masse sein$9.6 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$. Das$928.672 \, \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$Der Unterschied ergibt sich aus den Farbbeschränkungen, die die drei Quarks aneinander binden. Einfacher ausgedrückt: die Kernbindungsenergie des Protons.

Wie bereits erwähnt, ist das „Warum“ eine knifflige Frage, aber wir können fragen, was die grundlegendste bekannte Ansicht zu dieser Frage ist.

Elektronen und Protonen sind sehr unterschiedliche Tiere. Soweit wir das beurteilen können, sind Elektronen elementare Elemente, die an elektromagnetischen und sogenannten schwachen Wechselwirkungen teilnehmen. Andererseits bestehen Protonen bekanntlich aus Quarks. Quarks sind Elektronen in vielen Eigenschaften sehr ähnlich, aber im Gegensatz zu letzteren nehmen sie auch an der sogenannten starken Wechselwirkung teil, die von der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben wird.

Aus Gründen, die ich hier nicht erläutern werde, funktioniert die starke Wechselwirkung wie ein Gummiband zwischen Quarks, das es ihnen ermöglicht, sich auf sehr kurzen Entfernungen so zu verhalten, als ob sie frei wären (was wir bei Collider-Experimenten sehen können, von denen wir über ihre Existenz wissen), aber stärker wird und stärker mit der Entfernung, so dass Quarks niemals als freie Teilchen herumfliegen, sondern nur in Form der zusammengesetzten Teilchen, die als Hadronen bekannt sind: Protonen, Neutronen, Pionen usw.

Zusätzlich zu den Quarkmassen (die eigentlich recht klein sind) erhält das Proton seine Masse aus deren Wechselwirkungsenergie. Da die starke Wechselwirkung (Überraschung) sehr stark ist, ist diese Energie riesig und macht fast 99 % ihrer Masse aus. Können wir es jetzt mit QCD berechnen? Dies ist ein extrem schwieriges Problem – QCD ist in dem Regime einfach, wenn Quarks fast frei sind und die starke Wechselwirkung als Störung behandelt werden kann. Aber um die Masse von Protonen zu berechnen, müssen wir in einem völlig anderen Regime arbeiten, für das die meisten Berechnungsmethoden nutzlos sind. Es wurde jedoch erfolgreich unter Verwendung von Gitter-QCD mit einem Fehler von weniger als 2% durchgeführt.

Es ist nur ein Erfahrungswert. Nach unserem derzeitigen Wissen stammen die Massen tatsächlich aus einigen grundlegenderen Größen - der Elektron-Yukawa-Kopplung und dem Higgs-Feld vev im Fall der Elektronenmasse; und die QCD-Confinement-Skala (die wiederum von der starken Kopplungskonstante stammt) im Fall der Protonenmasse. Aber woher diese Zahlen kommen, wissen wir nicht.

Du vergleichst 2 verschiedene Artikel. Während die Ladung eines Protons gleich und entgegengesetzt der des Elektrons ist, endet jeder Vergleich dort. Ein Elektron ist ein fundamentales Teilchen, das nicht weiter zerlegt werden kann, während ein Proton weiter in fundamentalere Teilchen zerlegt werden kann. Der Antimaterie-Zwilling des Elektrons ist das Positron mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter (positiver) Ladung.

Beachten Sie zusätzlich zu den anderen hervorragenden Antworten, dass es bei Antimaterie durchaus möglich ist, ein Positron oder ein Antiproton (negativ geladenes Äquivalent des Protons) zu haben. Sie finden nur nicht viele auf der Erde, weil sie spektakulär mit Materie vernichten.

Wie in Wikipedia erklärt , ist der Grund, warum das beobachtbare Universum fast ausschließlich aus Materie und sehr wenig Antimaterie besteht, nicht gut verstanden.

Entfernte Galaxien könnten aus Antimaterie bestehen und es würde vorhergesagt, dass sie Atome aus Positronen und Antiprotonen mit identischen chemischen Eigenschaften wie die uns bekannten Materialien enthalten. Aber wenn sie mit "normaler" Materie in Kontakt gebracht würden, würden sie sich gegenseitig vernichten und enorme Energiemengen in Form von Gammastrahlen freisetzen.

Das$\Delta^+$Teilchen hat den gleichen Quarkgehalt wie das Proton ($uud$), aber trotzdem ist seine Masse 1232$\frac{MeV}{c^2}$. Der Massenunterschied zwischen diesem Teilchen und dem Proton beträgt etwa das 575-fache der Masse des Elektrons. Dies zeigt sicherlich, dass zwischen den konstituierenden Quarks (den$u$-Quark hat eine "nackte" Masse von etwa 4,2$\frac{MeV}{c^2}$, während$d$-Quark hat eine "nackte" Masse von etwa 7,5$\frac{MeV}{c^2}$, was natürlich nicht bedeutet, dass Quarks wirklich ohne Kleidung existieren können), was sowohl dem Proton als auch dem viel Masse verleiht$\Delta ^+$Partikel.

Bemerkenswert ist, dass die$\Delta ^+$zerfällt in etwa$0,6$x$10^{-23}$(sec) in ein Neutron und ein positives Pion. Diese kurze Zeit ist ein Zeichen dafür, dass das „Etwas“, das zwischen den konstituierenden Quarks geht, die starke Farbkraft ist, die herumspielt, um den Übergang zu verursachen. Die Lebensdauer des Protons ist dagegen unendlich; es gibt keinen niedrigeren Energiezustand, in den es wechseln kann [zumindest im Standardmodell; im Rishon-Modell, die vermutet, dass Quarks und Leptonen zusammengesetzte Strukturen sind, ist der Wechsel von einem Proton zu einem Positron und einem Pion beispielsweise ebenso leicht zu erklären wie der Massenunterschied zwischen einem Elektron und einem Myon, von dem letzteres in Rishon zu sehen ist Licht als angeregter Zustand des Elektrons; und in Bezug auf die Verteilung von Materie und Antimaterie löst das Rishon-Modell dieses Rätsel, indem es behauptet, dass es so viel Materie wie Antimaterie gibt! Aber dies ist nicht der Ort, um dieses Modell (Theorie) zu diskutieren, und ich erwähne es hier nur als Randbemerkung].

Niemand kennt den Grund! Selbst wenn man bedenkt, dass das Proton aus Quarks besteht, sind die Massen von Elektronen und Quarks und ihre Wechselwirkungsstärken Zahlen, von denen wir nicht wissen, woher sie kommen.

Eines Tages könnte es eine Theorie geben, die uns sagt, warum diese Zahlen die Zahlen sein müssen, die sie sind. Oder es könnte sich herausstellen, dass diese Zahlen zufällig sind. Niemand weiß ... noch!