Wenn sich gleiche Ladungen abstoßen, warum bricht eine Ladung dann nicht auseinander?

Zusammengesetzte Teilchen wie Protonen brechen aufgrund der starken Wechselwirkung , die ihre Bestandteile (die Quarks) zusammenhält, nicht auseinander. Elementarteilchen wie Elektronen zerfallen nicht, weil sie punktförmige Teilchen sind, also nicht aus „Teilen“ bestehen (wenn das Standardmodell stimmt).

Das war eine dieser großen Fragen im 19. Jahrhundert. Es sorgt immer noch für einige Bestürzung. Wenn Sie ein zusammengesetztes System haben, wie z. B. den Kern eines Atoms, ist eine andere Kraft erforderlich. Diese Kraft ist natürlich die nukleare Wechselwirkung. Dies verhindert, dass die Protonen auseinanderfliegen, obwohl es bei einigen instabilen Kernen Übergänge gibt, die aufgrund schwacher Wechselwirkungen geladene Teilchen, Elektronen oder Positronen ausstoßen. Im Falle des Protons besteht es aus drei Quarks und diese sind durch die QCD-Wechselwirkung (Quantenchromodynamik) aneinander gebunden. Die Eichbosonen, Gluonen genannt, interagieren am stärksten bei niedriger Energie und diese halten die Quarks mit Ladungen$2/3,2/3,-1/3$in gebundenem Zustand.

Etwas mysteriöser ist es bei punktförmigen Teilchen wie dem Elektron und anderen Leptonen und Quarks. Wir betrachten solche Teilchen im Allgemeinen nicht als zusammengesetzt, obwohl dies die Leute nicht davon abgehalten hat, Bestandteile vorzuschlagen, die Preons oder Rishons genannt werden, aus denen sie bestehen.

Es gibt ein Problem mit der Definition der Masse des Elektrons oder eines punktförmigen elektrisch geladenen Teilchens. Die Masse des elektrischen Feldes ist

Ein üblicherer Ansatz hierfür ist die Renormierung. Ein Screenshot davon ist dieses Integral mit den Variablen zu betrachten$p~=~1/r$so in diesem Integral oben$\mathrm dr/r~\rightarrow~-\mathrm dp/p$. Hier denken wir an Impuls und Wellenlänge oder Position als wechselseitig zusammenhängend. Dieses Integral wird dann endlich ausgewertet$r$als äquivalent zu einer Auswertung für eine endliche Impulsunterbrechung$\Lambda$

Wir haben eine andere Möglichkeit, dies zu betrachten. Dies läuft auf die Frage hinaus, was wir unter „zusammengesetzt“ verstehen. Es zwingt uns auch, darüber nachzudenken, was wir mit der Lokalität von Feldbetreibern meinen. Der magnetische Monopol von Dirac ist ein Solenoid mit einer Öffnung zu einer unendlichen Spule. Die Bedingung für den Dirac-Monopol ist, dass die Aharonov-Bohm-Phase eines Quantensystems Null ist, wenn es die "Röhre" des Solenoids passiert$\psi~\rightarrow~\exp\left(ie/\hbar\displaystyle\oint{\vec A}\cdot ~\mathrm d{\vec r}\right)\psi$. Dies könnte mit dem "Abschneiden des Schwanzes" bei der magnetischen Monopolladung verglichen werden. Das Verschwinden davon ist gleichbedeutend mit dem Sagen

Das bedeutet, dass wir, wenn wir eine elektrische Ladung haben, die Renormierungsmaschine verwenden können, um zu veranschaulichen, wie das Vakuum um sie herum mit virtuellen Teilchen entsprechend polarisiert ist$\alpha~=~\frac{e^2}{4\pi\epsilon\hbar c}$. Die elektrische Ladung ist vergleichsweise schwach in der Stärke mit einer bescheidenen Polarisation des Vakuums, die sich in Größenordnungen ausdehnt$\alpha$zum$N$interne Linien oder Schleifen. Diese S-duale Beziehung sagt uns, dass der magnetische Monopol sehr stark ist und das Vakuum ein „Bienennest“ aus vielen Teilchen ist, obwohl dies bescheiden ist. Das bedeutet dann, dass das Dual des elektrischen Feldes ein magnetisches Monopolfeld ist, das in gewisser Weise zusammengesetzt erscheint.

Dies bedeutet in gewisser Weise, dass wir Fragen über den Standort von Feldoperatoren stellen müssen. Etwas, das lokal, punktartig und "schön" erscheint, kann dual zu etwas sein, das nicht so lokal, eher zusammengesetzt und nicht renormierbar erscheint. Infolgedessen gibt es hierzu noch offene Fragen, und selbst Feynman stimmte Dirac zu, dass die Situation bei QED nicht ganz zufriedenstellend sei.

Wenn Sie ein geladenes Objekt haben, zum Beispiel eine geladene Metallkugel, interferieren natürlich die Ladungen auf der Oberfläche der Kugel miteinander. Durch diesen Effekt wird die Ladung gleichmäßig über die Kugel verteilt.
Diese Effekte sind jedoch nicht groß genug, um die Kugel tatsächlich aufzubrechen oder ähnliches.

Wenn Ihr Objekt hoch genug aufgeladen ist, kann es aufgrund der Potentialdifferenz zu Entladungen zu anderen Objekten (wie der Luft) kommen.

Betrachten wir ein Elektron: Es ist ein subatomares Teilchen und kann nicht in „zwei“ geteilt werden. Es ist nicht wie ein Objekt, das die Ladung trägt. Die Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft des Elektrons selbst.

Protonen enthalten zwei$\frac{2}{3}$-positiv geladene Up-Quarks und eins$\frac{1}{3}$-negativ geladenes Down-Quark. Die Quarks werden durch Gluonen zusammengeklebt. Diese bringen die nötige Kraft auf, um das Proton zusammenzuhalten. Auch Quarks sind nach dem Standardmodell Elementarteilchen

Mit einem Teilchenbeschleuniger können Sie Protonen und andere Teilchen aufeinanderprallen lassen . Dabei können die Bindungen zwischen den Quarks zerstört werden und neue Teilchen entstehen.

Gleiche Ladungen stoßen sich über die elektromagnetische Wechselwirkung ab, die durch Austauschteilchen (Eichbosonen), Photon genannt, vermittelt wird. Da das Photon masselos ist, hat die elektromagnetische Kraft eine unendliche Reichweite, und alle gleichen Ladungen werden versuchen, sich voneinander zu lösen. Diejenigen, die dies nicht tun, werden jedoch von einer Kraft zusammengehalten, die nicht elektromagnetischer Natur ist, Anziehungskräfte wie die starke Kernkraft oder die Schwerkraft.

Ein Proton besteht bekanntlich aus uud-Quarks, und der Grund, warum sich die abstoßenden up-Quarks mit jeweils +2/3 Elementarladung nicht voneinander trennen, liegt an einer noch stärkeren Kraft, die sie aufgrund des Flusses zusammenhält Röhren zwischen ihnen, die das Gluonenfeld löschen und Stabilität verursachen. Dies ist auch der Namensgeber der starken Kernkraft, ohne die es keine Materie gäbe.

Es gibt auch eine Einheit für eine Ladung auf der Skala eines fundamentalen Teilchens. Diese Unteilbarkeit steht im Einklang damit, warum das Elektron nicht in kleinere Ladungen zerfallen kann, es IST die kleinste Ladung. Nach heutigem Verständnis ist das Elektron ein Punktteilchen mit einer Punktladung und ohne räumliche Ausdehnung. Versuche, das Elektron als Nicht-Punktteilchen zu modellieren, gelten als nicht mit der Realität vereinbar.

Ein anderer Gesichtspunkt ist, das Elektron aufgrund seiner permanenten Kopplung an elektromagnetische Feldoszillatoren als quantenmechanisch verschmiert zu betrachten. Eine solche Konstruktion ist eher "weich" und lässt sich leicht anregen - weiche Photonen abstrahlen und absorbieren. In diesem Sinne ist diese Konstruktion nicht elementar und punktuell. Punktähnlichkeit ist dann ein inklusives Bild, nicht das "elastische" .

Ich möchte hinzufügen, dass, wenn wir nicht die Elementarteilchen betrachten, sondern an diese geladenen Kugeln aus Metall denken, sie tatsächlich zerbrechen können. Wenn Sie weiterhin Elektronen aus einem Materialblock entfernen und die Entladung aus der benachbarten Atmosphäre schützen, wird nach einer Phase die Abstoßung zwischen den gleichen Ladungen stärker als ihre Kohäsionskraft chemischer Bindungen und das Material wird explodieren. Dieses Phänomen ist als Coulomb-Explosion bekannt. Es wird hauptsächlich in Nanopartikeln beobachtet und zur Erzeugung energetischer Ionen verwendet.