Warum trifft (und bleibt) ein Elektron niemals ein Proton?

Das Elektron und das Proton sind nicht wie Billardkugeln. Das Elektron wird normalerweise als punktförmig angesehen, dh es hat keine Größe, aber was das wirklich bedeutet, ist, dass jede scheinbare Größe, die wir messen, eine Funktion unserer Sondenenergie ist, und wenn wir die Sondenenergie ins Unendliche bringen, nimmt die gemessene Größe ohne Begrenzung ab. Das Proton hat eine Größe (etwa 1 fm), aber nur, weil es aus drei punktförmigen Quarks besteht - die Größe ist eigentlich nur die Größe der Quarkbahnen und das Proton ist nicht fest.

Klassischerweise können zwei punktförmige Teilchen, ein Elektron und ein Quark, niemals kollidieren, denn wenn sie punktförmig sind, ist ihre Frontfläche Null und Sie können kein Ziel treffen, das eine Nullfläche hat.

Was tatsächlich passiert, ist, dass das Elektron und das Quark Quantenobjekte sind, die weder eine Position noch eine Größe haben. Sie werden beide durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben. Die Quantenmechanik sagt uns, dass eine Reaktion zwischen dem Elektron und dem Quark stattfinden kann, und genau das passiert, wenn man Teilchen in einem Beschleuniger wie dem LHC kollidieren lässt. In Ihrem Experiment haben das kollidierende Elektron und Proton jedoch nicht genug Energie, um neue Teilchen zu erzeugen, sodass sie dazu verdammt sind, auf unbestimmte Zeit einfach umeinander zu oszillieren.

Wenn Sie das Elektron beschleunigen, können Sie ihm genug Energie für eine Reaktion geben. Dieser Prozess ist als tiefe inelastische Streuung bekannt und historisch gesehen war dieses Experiment ein wichtiger Weg, um etwas über die Struktur von Protonen zu lernen.

Dies war ein großes Rätsel, bevor die Quantenmechanik entdeckt wurde. Elektronen werden nicht nur von Protonen angezogen, Elektronen strahlen auch Energie ab, wenn sie beschleunigt werden. Ein klassisches Elektron, das ein Proton umkreist, sollte sich in einem Bruchteil einer Sekunde in den Kern schrauben.

Die "Erklärung" ist, dass die klassische Physik im Kleinen nicht funktioniert. Die Quantenmechanik ist ein besseres Modell. Es ist kein Grund, warum. Es ist nur eine Beschreibung dessen, wie die Welt ist. Es ist nicht immer intuitiv oder plausibel.

In der Quantenmechanik hat ein Elektron keinen bestimmten Ort oder Impuls. Es hat eine Wellenfunktion, aus der die Wahrscheinlichkeit, es an einem bestimmten Ort oder Impuls zu finden, berechnet werden kann. Ein an ein Proton gebundenes Elektron wird sich wahrscheinlich sehr nahe am Proton befinden.

Das Unsicherheitsprinzip besagt, dass, wenn die Unsicherheit der Position eines Elektrons verringert wird, indem es in der Nähe eines Protons eingeschlossen wird, die Unsicherheit seines Impulses zunimmt. Ein Elektron, das einen hohen Impuls haben kann, wird wahrscheinlich nicht sehr lange in der Nähe eines Protons bleiben.

Es gibt eine Größe, in der sich diese beiden gegensätzlichen Unsicherheiten die Waage halten. Dadurch wird die Größe der Atome bestimmt.

Dies war eine sehr lockere, mit der Hand winkende Beschreibung. Wenn Sie die wahre Geschichte wollen, gibt es eine Menge im Internet. Band III der Feynman Lectures ist eine gute Einführung.

Diese Art von Modell, ein klassisches Modell, führte zum Bohr-Modell und zur Quantenmechanik für das Atom, da es eine experimentelle Tatsache ist, dass das Wasserstoffatom existiert und sich nicht in ein Neutron verwandelt.

Für die großen Entfernungen, die Sie veranschaulichen, müsste die klassische Flugbahn sonst genau zentriert sein, selbst klassisch wird es eine laterale Bewegung geben, die eine hyperbolische Umlaufbahn erzeugt existieren, Ort und Energie durch die Heisenbergsche Unschärferelation begrenzt sind und das Elektron und das Proton im quantenmechanischen Regime sind, so ist die Wahrscheinlichkeit einer lateralen Bewegung sehr hoch.

Im Schwerpunktsystem werden Elektronen und Protonen so angezogen, wie Sie es in der Abbildung beschreiben. Die Elektronen-Protonen-Streuung, die Sie beschreiben, wurde untersucht, und wenn die Energie des Elektrons hoch genug ist, wird es vom Feld des Protons gestreut. Wenn es niedriger als die Wasserstofflinien ist, wird es von den Feldern in ein Wasserstoffatom eingefangen, das die entsprechende Energie als Photon abgibt.

Die Quantenmechanik lässt keine "Verschmelzungen" zu, wie Sie sie sich vorstellen. Es gibt Elektroneneinfang in Kernen, ein Proton fängt ein Elektron ein und wird zu einem Neutron, aber auch dies ist eine spezifische quantenmechanische Lösung innerhalb des Kerns.

Die Antwort auf Ihre überarbeitete Frage lautet, dass Ihr Objekt 2b existiert , korrekt als ein Elektron beschrieben wird , das durch Coulomb-Anziehung an einem Proton haftet, und was Sie (meistens) erhalten, wenn Sie ein einzelnes Elektron und ein einzelnes Proton nehmen und Platzieren Sie sie in einem ansonsten leeren Universum, zunächst in Ruhe im Rahmen des Massenmittelpunkts. Der anfängliche Abstand beeinflusst nur, wie lange es dauert, bis das Elektron stecken bleibt, und wie viel Energie dabei freigesetzt wird. Das Objekt ist allgemein als Wasserstoffatom bekannt.

Dieser Satz ist zutreffend:

(3) laut Elektrostatik sollte das Elektron der Kraftlinie des elektrischen Feldes folgen, die zum CM des Protons führt, und wenn es dort ankommt, so nah wie möglich durch eine unglaublich große Coulomb-Kraft haften bleiben (Bild 2 b).

Genau das passiert. (Die überschüssige Energie wird als Photonen freigesetzt.) Sie denken, dass es nicht passiert, und ich bin mir nicht sicher, warum. Meine beste Vermutung ist, dass Sie an dem ungenauen „Bohr-Modell“ eines Wasserstoffatoms festhalten, bei dem das Elektron das Proton in einem Abstand „umkreist“. Dieses Modell wurde verworfen, weil es keinen plausiblen Grund gab, warum das Elektron vom Proton entfernt bleiben sollte.

Nun, es gibt ein wichtiges Detail, nämlich dass sich das Elektron in einem Wasserstoffatom immer noch bewegt , obwohl es am Proton haftet, und es entfernt sich von Zeit zu Zeit etwas vom Proton (aber es ist höchstwahrscheinlich sehr nahe oder sogar innerhalb des Protons zu sein, es sei denn, Sie treffen das Atom mit einem oder zwei Photonen und "regen" das Elektron an). Dies ist der Punkt, an dem Sie nur ein wenig Quantentheorie einbringen müssen (tatsächlich ist dies eines der ersten Phänomene, zu dessen Erklärung die Quantentheorie erfunden wurde). Die Quantentheorie geht davon aus, dass nichts jemals vollständig aufhören kann, sich zu bewegen . Dies ist eine Möglichkeit, die berühmte Unschärferelation auszudrücken , und ich denke, es ist die klarste Art, sie in den Kontext dieses speziellen Phänomens zu stellen.

Okay, warum kann nichts jemals vollständig aufhören sich zu bewegen? Denn alles ist eine Welle, und Wellen gibt es nur, wenn sie sich bewegen. Ich könnte diese Aussage näher erläutern, aber nur, indem ich Sie mit einem Haufen Mathematik bewerfe, und ich glaube nicht, dass das helfen wird. (Der verlinkte Artikel zur Unschärferelation geht in die Mathematik ein.)

Die Diagramme in der Frage sollten nicht wörtlich genommen werden. Wie Matt Strassler erklärt , ist es falsch, sich vorzustellen, dass das Proton nur 3 Quarks hat. Stattdessen gibt es eine Unmenge von Quarks und Antiquarks, ohne real von virtuell unterscheiden zu können.

Wir wissen, dass a) zwei Protonen aneinander haften können

Das wäre ein Diproton, das nicht stabil ist. Also, nein, zwei Protonen können nicht ohne mindestens ein Neutron zusammenhalten. Außerdem können die Protonen durch die starke Restkraft miteinander wechselwirken, während ein Proton und ein Elektron dies nicht können.

Gemäß der Protonenstruktur aus der Messung von 2S-2P-Übergangsfrequenzen von Myonic Hydrogen Science Vol. No. 339, S. 417-420:

...der Vergleich zwischen Theorie und Experiment wurde durch den Mangel an genauer Kenntnis der Protonenladung und Magnetisierungsverteilung behindert. Die Protonenstruktur ist wichtig, weil ein Elektron in einem S-Zustand eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null hat, sich innerhalb des Protons zu befinden. Dadurch wird die Anziehungskraft zwischen dem Proton und dem Elektron verringert, weil das elektrische Feld innerhalb der Ladungsverteilung kleiner ist als das entsprechende Feld, das von einer Punktladung erzeugt wird.

Das Elektron kann innerhalb des Protons sein. Dies ist die Fermi-Kontakt-Wechselwirkung . Die Fermi-Kontaktwechselwirkung ist durch NMR, EPR und Elektroneneinfang beobachtbar. Das Elektron wird nicht im Proton gefangen, weil das Proton keinen unendlichen Brunnen darstellt. Innerhalb des Protons ist der wahrscheinlichste Ort (für ein gegebenes kleines Volumen) für das Elektron im Wasserstoffgrundzustand, aber es ist nicht der einzige Ort, weil das Proton kein unendlich tiefer potentieller Energiebrunnen ist.

Für ein quantitatives Modell der tatsächlichen Ladungsverteilung im Proton siehe Proton-Formfaktor-Abhängigkeit der Finite-Size-Korrektur zur Lamb-Verschiebung in myonischem Wasserstoff

•1) gilt hier die Elektrostatik und das Coulomb-Gesetz?

Das Coulombsche Gesetz gilt nicht genau. Sie muss durch die Quantenelektrodynamik ersetzt werden .

Dies ist zwar eine Lüge, die wir Kindern erzählen, aber eine Möglichkeit, zu verstehen, was vor sich geht, ist die Heisenberg-Unsicherheit.

Das Produkt aus Orts- und Geschwindigkeitssicherheit ist nach unten beschränkt.

Das bedeutet, dass mit zunehmendem Volumen, auf das etwas beschränkt ist, seine Geschwindigkeit zunehmen muss.

Sie können ausrechnen, wie stark die Anziehungskraft zwischen einem Proton und einem Elektron ist. Wenn das Elektron mehr kinetische Energie hat, ist die Anziehungskraft zwischen dem Proton und dem Elektron nicht stark genug, um es einzuschließen.

Die Anziehungskraft zwischen Proton und Elektron bestimmt also, wie klein der Bereich ist, in dem das Elektron eingeschlossen werden kann.

Eine "Kollision" erfordert, dass sich das Elektron und das Proton beide am "gleichen" kleinen Ort befinden. Was passiert dann? Nun, wenn sie nicht genug Energie haben, um neue Teilchen hervorzubringen, fliegen sie einfach auseinander. Wenn sie genug Energie haben, um neue Teilchen hervorzubringen, tun sie es manchmal, und sie hören auf, ein Proton und ein Elektron zu sein. Bang, sie haben sich geschlagen.

Aber ohne genügend Energie, um neue Teilchen zu bilden, bildet das Elektron stattdessen eine "Wolke" von Zuständen um das Proton herum, wobei der Radius der Wolke durch die Bindungsenergie zwischen Proton und Elektron bestimmt wird.

Interessant ist, was passiert, wenn Sie mehr Elektronen und Protonen hinzufügen (vorausgesetzt, Sie schaffen es, die Protonen zusammenzuhalten): Das Pauli-Ausschlussprinzip tritt in Kraft, und die neuen Elektronen müssen sich auf den alten in der "näheren " Zustände.

Wie halten nun die Protonen zusammen? Mit Hilfe von Neutronen sorgen die Kernkräfte für eine viel stärkere Bindungsenergie. Dies führt dazu, dass sie auf einen kleineren Radius (den Kern) beschränkt sind als die Elektronenorbitale.

Es gibt zwei wichtige Aspekte eines Elektrons, die beachtet werden müssen: 1) Bei "niedrigen" Geschwindigkeiten verhält es sich wie ein Teilchen (es gilt die klassische Physik). 2) auf "atomarer Ebene" wirkt es wie eine Welle (QM gilt).

Antworten auf Ihre Fragen:

0) Da es sich um eine geringe Geschwindigkeit handelt, wirkt das Elektron wie ein Punktteilchen. Wenn es auf den Bildschirm trifft, hat es eine bestimmte Größe und Position .

1) Ja, Elektrostatik und Coulombsches Gesetz gelten, aber da das Elektron in Bewegung ist, gelten auch andere Gesetze (Amperesches, Faradaysches usw.).

2) Das milliardenfache Wiederholen des Experiments würde der gleichzeitigen Verwendung vieler Elektronen (eines Stroms) entsprechen, was genau das ist, was in einer "Elektronenkanone" verwendet wird. Da eine große Gruppe von Elektronen verwendet wird, werden die Ergebnisse präziser/vorhersagbarer, was die Verwendung der "klassischen" Physik ermöglicht.

3) Wie in 1) erwähnt, reichen die Elektrostatik und das Coulombsche Gesetz nicht aus , um die Bewegung des Elektrons zu erklären. Aufgrund der Selbstinduktion wird, wenn sich das Elektron auf das Proton zubewegt, eine Kraft erzeugt/induziert , die sowohl zum Geschwindigkeitsvektor als auch zur Verbindungslinie zwischen Elektron und Proton (tangential zum Proton) senkrecht steht . Wenn der Abstand verringert wird, nimmt die induzierte Tangentialkraft zu, was zu einer immer größeren Tangentialgeschwindigkeit führt. Gleichzeitig nimmt auch die normale Beschleunigung aufgrund des Coulombschen Gesetzes zu. Irgendwann sind sowohl die Zentrifugalbeschleunigung (aufgrund der Tangentialgeschwindigkeit) als auch die Normalbeschleunigung gleich und entgegengesetzt, sodass das Elektron das Proton (auf dem Bohr-Radius) „umkreist“ und somit

Für ein Elektron mit höheren Energien wurden bereits entsprechende Antworten gegeben.

Sie haben viele Erklärungen und ich möchte noch eine hinzufügen.

Wechselwirkung von Feldern durch eindimensionale Strukturen im Raum

Vor Jahren habe ich mich mit eindimensionalen Strukturen des Raums beschäftigt und die Ergebnisse irgendwie auf elektrische Felder, magnetische Felder und EM-Strahlung angewendet, und es kam heraus, dass nur zwei Arten von Quanten benötigt werden, um sie alle zu beschreiben. Damit bekommt die Beschreibung von Feldern durch Feldlinien eine materialistische Grundlage, mit diesen zwei Quanten und Ansammlungen von ihnen ist es möglich, sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld und auch Photonen zu beschreiben.

Quantisierter Charakter der Wechselwirkung

Bei der Annäherung eines Elektrons an ein Proton werden die Feldlinien kürzer, aber aufgrund einer Annahme in meiner Ausführung müssen die Cluster einer kontinuierlichen Funktion folgen und die Anzahl der Quanten in ihnen sollte mit konstanter Anzahl zunehmen. Einige der Quanten werden also als Photonen emittiert und einige von ihnen an den Enden der "Kette" gehen zum Proton und zum Elektron über. In einem gewissen Abstand zwischen ihnen ist es nicht mehr möglich, die Feldlinien zu verkürzen, die Emission von Photonen hört auf und der Übergang von Quanten in das Innere des Protons und des Elektrons hört auch auf.

Meine Arbeit ist sehr trocken geschrieben und die Übersetzung in die englische Sprache macht es nicht besser, aber sie hat wirklich neue Ideen und bis jetzt niemanden Ungereimtheiten.