Парадокс протона
Начнем с того, что все то, что нас окружает, состоит из протонов. Но мало кто изучал бы одну интересную особенность, присущую им. Оказывается, протон, находящийся в ядре атома водорода имеет большую массу, чем протон в отдельности. Поэтому основная задача исследования — объяснить данное явление.
Чем же отличается протон в ядре атома от отдельного протона? Очевидно, наличием электрона на орбите. Сосредоточим своё внимание на атоме водорода.
Модель атома водорода состоит из ядра — протона и вращающегося по орбите электрона. Мы знаем, что ядро атома водорода имеет следующее значение массы:
m H =1.6726* 10^-27 кг = 1.00759а.е.м. (1.1)
А отдельно взятый протон, в свою очередь, имеет следующую массу:
mp= 1.6721* 10^-27 кг = 1,00728 а.е.м. (1.2)
Откуда вытекает следующий парадокс: протон в ядре атома водорода имеет большую массу, чем отдельный протон. Попытаемся понять, почему возникает такое противоречие в атомной физике. Дефект массы атома водорода отрицателен. Если можно так сказать, потому что дефект массы здесь не совсем уместен, это просто разница в массе.
Предположение заключается в том, что при рассмотрении протона в ядре атома, увеличение массы (энергии) возникает за счет взаимодействия с электроном. То есть если отрицательный дефект массы ядра водорода умножить на скорость света в квадрате, то это и будет та энергия, которую затрачивает ядро на взаимодействие с электроном.
Масса атома водорода имеет следующее значение:
m H* = 1.6730 * 10^-27 кг = 1,00782 а.е.м. (1.3)
А масса электрона равна:
m e = 5.5 * 10^-4 а.е.м. (1.4)
Тогда, составляя вполне логичное выражение (из (1.3), (1.4) и (1.1)): масса атома должна быть равна сумме масс ядра (протона) и электрона — имеем:
m H*< mp + me (1.5)
Подставляя численные значения получаем:
1.00782 а.е.м. < 1.00783 а.е.м. (1.6)
Откуда становится понятно, что масса атома меньше, чем сумма масс его составляющих. („масса атома водорода меньше суммы масс протона и электрона примерно на 2.4 * 10-35 кг, что составляет около 10-6% от полной массы.“ — цитата из трудов А.И.Наумова „Физика атомного ядра и элементарных частиц“). А это значит, что разность этих значений затрачивается на взаимодействие ядра (протона) с электроном. Она имеет следующее значение:
Δm = 10^-5 а.е.м. (1.7)
Это означает, что мы можем рассчитать теоретическое значение энергии, затрачиваемой ядром атома водорода на взаимодействие с электроном. Для этого нам необходимо выполнить следующие расчеты:
E = Δm*c2 (1.8)
Подставляя численные значения, получаем:
E = 1.4774* 10^-15 Дж (1.9)
Точно также как при слиянии нуклонов для образования ядра, так и при слиянии протона и электрона для образовании атома. Ядро имеет меньшую массу, чем частицы, составляющие это ядро по отдельности. Потому что когда нуклоны сливаются в ядро, часть энергии идет на связь. Так и в атоме водорода: разница идет на связь ядра (протона) и электрона.
Разница в массе обусловлена взаимодействием ядра атома (протона) и электрона, но мы не говорим об электромагнитном характере, потому что кулоновские силы не дадут такую энергию. Значит взаимодействие между протоном в ядре атома и электроном обусловлено не кулоновскими силами. Кулоновские силы мы рассматриваем в рамках классической электродинамики, а там не может быть деффекта масс и разниц в энергиях. Кулоновские силы не влияют на массу. Поэтому следует рассматривать данное явление в рамках квантовой механики. Класическая электродинамика здесь не очень применима.
Таким образом, объяснением данного явления служит взаимодействие протона с электроном на орбите, но пока мы не можем установаить физическую природу данного взаимодействия, так как в квантовой механике, на сегодняшний день, мы знаем слишком мало об атомном ядре.
P.S.
Если кто-то найдет статью на эту тему или у Вас есть какие-то мысли об этом, пишите в комментарии.
Комментарий модератора.
Тема перемещена в раздел «Простые разговоры.
Причина: в стартовом сообщении недопустимо много для тематического раздела факчтиеских ошибок, очень похожих на враньё.
отредактировал(а) zam: 2024-08-07 20:34 GMT
Личное сообщение
#65883 Петров Доброслав :Начнем с того, что все то, что нас окружает, состоит из протонов.
Нет. Мы сами и всё, что нас окружает, состоит из кварков, лептонов и фундаментальных бозонов.
А протон состоит из кварков и глюонов.
Оказывается, протон, находящийся в ядре атома водорода имеет большую массу, чем протон в отдельности.
Нет. Масса протонов всегда и везде одна и та же.
Чем же отличается протон в ядре атома от отдельного протона?
Тем, что в ядре протон интенсивно взаимодействует с другими протонами и нейтронами.
Модель атома водорода состоит из ядра — протона и вращающегося по орбите электрона.
Не модель атома водорода, а атом водорода состоит из протона и электрона. Электрон в атоме не вращается. Он там покоится. Никаких орбит у него нет.
Мы знаем, что ядро атома водорода имеет следующее значение массы:
m H =1.6726* 10^-27 кг = 1.00759а.е.м. (1.1)
Нет. Это масса атома водорода (в основном энергетическом состоянии), а не ядра атома водорода. А масса ядра атома водорода равна массе протона mp.
Откуда вытекает следующий парадокс
Из ошибочных утверждений не вытекает ничего.
Дефект массы атома водорода отрицателен.
Тут есть тонкость.
В русскоязычной литературе принято, что дефект масс равен \( \Delta m_{rus}=\sum_{}^{} m_i — M \) .
Здесь \(\sum_{}^{} m_i \) — сумма масс компонентов системы, \(M \) — масса системы.
В англоязычной литературе наоборот \( \Delta m_{engl}=M-\sum_{}^{} m_i \) .
Масса атома водорода меньше, чем сумма масс протона и электрона. Поэтому дефект масс отрицателен (в англоязычной традиции).
Е сли можно так сказать, потому что дефект массы здесь не совсем уместен, это просто разница в массе.
Уместен. Дефект масс — это и есть разница в массах.
Предположение заключается в том, что при рассмотрении протона в ядре атома, увеличение массы (энергии) возникает за счет взаимодействия с электроном.
Никакого увеличения массы протона нет.
То есть если отрицательный дефект массы ядра водорода умножить на скорость света в квадрате, то это и будет та энергия, которую затрачивает ядро на взаимодействие с электроном.
Если дефект массы атома (не ядра!!!) водорода умножить на квадрат скорости света, то получится энергия связи протона с электроном. Она отрицательна (протон и электрон притягиваются). Это как раз та энергия (энергия ионизации), которую нужно затратить на превращение атома водорода в ион водорода.
Тогда, составляя вполне логичное выражение (из (1.3), (1.4) и (1.1)): масса атома должна быть равна сумме масс ядра (протона) и электрона
С чего вы взяли? Масса системы не равна сумме масс компонентов системы. Масса — величина не аддитивная.
Откуда становится понятно, что масса атома меньше, чем сумма масс его составляющих.
Конечно. И это для любого атома, не только атома водорода.
(„масса атома водорода меньше суммы масс протона и электрона примерно на 2.4 * 10-35 кг, что составляет около 10-6% от полной массы.“ — цитата из трудов А.И.Наумова „Физика атомного ядра и элементарных частиц“).
Всё верно.
А это значит, что разность этих значений затрачивается на взаимодействие ядра (протона) с электроном. Она имеет следующее значение:
Δm = 10^-5 а.е.м. (1.7)
Никакая масса на взаимодействие не затрачивается.
Это означает, что мы можем рассчитать теоретическое значение энергии, затрачиваемой ядром атома водорода на взаимодействие с электроном.
Никакая энергия на взаимодействие никем не затрачивается.
Ядро имеет меньшую массу, чем частицы, составляющие это ядро по отдельности.
Да. И сумма масс осколков чашки больше, чем масса целой чашки.
Потому что когда нуклоны сливаются в ядро, часть энергии идет на связь.
Когда нуклоны сливаются в ядро энергия поля, которое их склеивает (поле сильного ядерного взаимодействия) уменьшается.
Так и в атоме водорода: разница идет на связь ядра (протона) и электрона.
Эта разница представляет собой разность энергий элекрческого поля протона и электрона в состоянии, когда протон и электрон далеки друг от друга и в состоянии, когда они рядышком.
Разница в массе обусловлена взаимодействием ядра атома (протона) и электрона,
Правильно.
но мы не говорим об электромагнитном характере, потому что кулоновские силы не дадут такую энергию.
Именно такую энергию они и дают. Она невелика. Всего-то 13.7 эВ.
Значит взаимодействие между протоном в ядре атома и электроном обусловлено не кулоновскими силами.
Именно кулоновскими.
Кулоновские силы мы рассматриваем в рамках классической электродинамики,
Можем и в рамках квантовой элекродинамики. Тогда результаты получатся точнее, ближе к эксперименту. Фокус в том, что с точки зрения классической физики существование атомов неаозможно.
а там не может быть деффекта масс и разниц в энергиях.
Дефект масс — это не элекродинамика. Это специальная теория относительности, раздел классической физики.
Кулоновские силы не влияют на массу.
Любые взаимодействия влияют на массу.
Таким образом, объяснением данного явления служит взаимодействие протона с электроном на орбите,
Элекрон не на орбите.
но пока мы не можем установаить физическую природу данного взаимодействия,
Что вы называете «природой»? Квантовая элекродинамика (КЭД) чрезвычайно точно описывает все стороны данного взаимодействия.
так как в квантовой механике, на сегодняшний день, мы знаем слишком мало об атомном ядре.
Знаем весьма много. Даже сумели соорудить ядерные реакторы и ядерные бомбы.