¿Por qué los protones tienen una masa exactamente 1837 veces mayor que la de un electrón?

Voy a retrasar un poco las otras respuestas aquí. Porque decirle a alguien que está equivocado cuando se aleja un poco no es muy útil. La verdadera pregunta es por qué, sea cual sea el valor, debería ser 1836 y cambiar y no 3000 u otra cosa.

Los electrones son partículas elementales. No se pueden dividir en partes más pequeñas hasta donde se sabe. (Esto podría no ser cierto, pero hasta ahora nadie ha logrado romper los electrones en pedazos más pequeños en un acelerador de partículas).

Entonces podemos decir con bastante confianza que los electrones son elementales. Son lo que se conoce como leptones, lo que significa que tienen 1/2 vuelta entera y no sienten la fuerza nuclear fuerte. (Girar, por cierto, significa que si gira una partícula a su alrededor se ve igual, así que piense en una tarjeta de juego, del tipo con una cara como un rey o una reina. Cuando la gira 180 grados, se ve igual ; esto es lo que se entiende por spin 2. Una spin 1/2 partícula tiene que “girar” 720 grados, dos veces, para verse igual. Las partículas realmente no “giran” en el mismo sentido que las bolitas, pero es una analogía lo suficientemente decente por ahora). Hay otros tipos de leptones, como los neutrinos de varios tipos. Lo que los convierte en leptones (en parte) no es sentir la fuerte fuerza nuclear. Sin embargo, interactúan con el electromagnetismo, la gravedad y la fuerza débil.

Los protones, por otro lado, están hechos de quarks. Las partículas hechas de quarks a menudo se llaman bariones si contienen tres, como lo hacen los protones.

Los Quarks vienen en seis “sabores”: arriba, abajo, arriba, abajo, extraño y encantador. Solo tenemos que preocuparnos por los quarks arriba y abajo en este momento, porque esos son los que producen protones (y neutrones). En un protón hay dos quark up y uno propio. Los Quarks tienen carga, al igual que los electrones, pero sus cargas son 2/3 para los quarks ascendentes y -1/3 para los quarks descendentes, y eso suma +1. También tienen misas. Sin embargo, los quarks arriba y abajo son bastante ligeros. Medido en millones de electronvoltios dividido por el cuadrado de la velocidad de la luz (MeV / c ^ 2), un quark ascendente es de aproximadamente 2.3 unidades y un quark descendente es de 4.8 unidades. Los físicos usan esa forma de medir la masa porque está adaptada de E = mc ^ 2 y es más fácil que convertirla a cosas como kg. A menudo lo escriben solo como la energía. Entonces verías un quark up de 2.3 MeV (con un poco más y menos por incertidumbres).

De todos modos, la masa de un electrón es 0.5 MeV. Eso es menos que los quarks pero no mucho menos, entonces, ¿qué pasa?

Los Quarks se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte. A diferencia de los electrones, lo sienten. La fuerza nuclear fuerte es transmitida por los gluones. Los gluones no tienen masa, como lo son los fotones, pero la energía necesaria para mantener esos quarks juntos es mucha. Entonces, cuando conviertes esa energía (usando esa famosa E = mc ^ 2 nuevamente) obtienes un número que es ~ 1,836 veces más grande que el electrón.

Si haces lo mismo con los neutrones, obtienes un número ligeramente mayor, porque los neutrones están formados por dos quark hacia abajo y uno hacia arriba, donde la carga total sale a cero y la masa es un poco más grande que un protón.

Esto sucede a escalas atómicas también. Si observa una tabla periódica de elementos, a menudo enumerará el peso atómico de un átomo de un elemento dado. No será exactamente lo mismo que los protones y neutrones y electrones sumados. Parte de esa masa se “pierde” como energía, pero no se pierde, simplemente se encuentra en una forma diferente. [De hecho, si observa el peso atómico del hidrógeno en una tabla periódica, es un poquito más de lo que esperaría simplemente agregando las masas del protón y el electrón. Algo de esto es un efecto relativista, y algo es de la energía que los une]. Y, de hecho, si se adhiere a los imanes y mide la energía para mantenerlos en su lugar, y agrega las masas, también obtendría un número diferente que la masa agregada de los imanes, aunque la diferencia sería muy, muy pequeña.

Ahora la gran pregunta es por qué debería ser tanta energía y no otra cantidad. El modelo estándar ofrece algunas ideas sobre por qué, pero no está completo. Es decir, no está del todo claro si las leyes de nuestro universo tenían que ser como son o si había espacio para que resultaran de manera diferente. Sabemos que el bosón de Higgs lo da todo en masa; lo que no sabemos es por qué las masas son exactamente lo que son. Es decir, existen las llamadas simetrías, que parecen gobernar los tipos de partículas que existen en nuestro universo. El modelo estándar es bastante bueno y ha sobrevivido a casi todos los experimentos que cualquiera podría lanzarle. Dicho esto, la mayoría de los físicos le dirán que está lejos de ser una explicación completa de la forma en que funciona el universo.

La teoría de cuerdas podría ser un método; Existe cierto debate sobre si es algo real o un callejón sin salida, aunque matemáticamente puede ser bastante coherente e incluso “hermoso” en palabras de algunos teóricos. El problema es que realmente no se puede probar mucho (aunque muchas buenas mentes están trabajando en ese mismo problema mientras hablamos). Pero hasta la fecha no ha habido ninguna palabra de una manera u otra.

Gracias a L. Paul Strait por señalar un error.

Ellos no.

Quiero decir, es como si ni siquiera hubieras verificado

No me parece exactamente 1837 …

Huh, pero eso es solo WolframAlpha: verifiquemos con una fuente más confiable, como los datos de CODATA, un organismo internacional que recopila y almacena datos científicos.

(La página real de CODATA es visualmente angustiante, ¡esto es mucho más agradable de leer, por lo tanto, no se obtiene directamente de CODATA!

Eh, ¡parece que WolframAlpha podría haberlo hecho bien!

Esto indica claramente que la relación de masa de protones se encuentra en algún lugar de la región.

[matemáticas] \ frac {m_p} {m_e} = 1836.1526739 \ pm 0.0000002 [/ matemáticas]

Con una certeza del 69% (he redondeado un poco sus errores), y se encuentra dentro de la región

[matemáticas] \ frac {m_p} {m_e} = 1836.1526739 \ pm 0.0000006 [/ matemáticas]

¡Hasta el 99,9% de certeza!

Pero … todavía podría ser 1837, ¿sí? Si todas las medidas están mal?

La probabilidad de que la relación sea exactamente 1837 se basa en calcular cuántas desviaciones estándar es del valor medido; una estimación aproximada de esto es [matemática] N_ \ sigma [/ matemática] [matemática] = 4 \ por 10 ^ 6 [ /matemáticas]

La mayoría de las calculadoras que pude encontrar no pudieron calcular una probabilidad mayor que [matemática] N_ \ sigma = 10 [/ matemática]

Lo mejor que puedo ofrecer es que la probabilidad de que la proporción sea exactamente 1837, basada en los valores CODATA, está en algún lugar de la región [matemáticas] P_ {1837} <10 ^ {- 60} [/ matemáticas]

Eso es … ¡bastante pequeño!

Creo que estamos bastante seguros al afirmar que no es exactamente 1837 …

La relación de masa real es (como era de esperar) un número entero, y el valor actual aceptado de la relación viene dado por:

[matemáticas] \ frac {m_p} {m_e} = 1836.1526739 \ pm 0.0000002 [/ matemáticas]

No 1837

Quiero decir, ¡está más cerca de 1836, para empezar!

Por lo tanto, es bastante difícil explicar por qué ocurre algo que no es cierto, debido al hecho de que, ya sabes, no es cierto.

Esto es parte de una pregunta general: hay muchas constantes que tienen valores particulares y bastante extraños. No parecen aleatorios, ni son los valores más simples posibles, sino más bien números muy complejos aparentemente arbitrarios que simplemente hacen que nuestro universo sea uno que pueda soportar la vida. Hasta ahora nadie ha encontrado una manera de derivar estos números de los primeros principios. Algunos de ellos dependen de otros números, pero al final terminas con un montón de números que nadie puede explicar todavía, solo tienes que decir “Así es como es”.

Esa es la idea del Universo afinado. Una teoría es que en realidad hay regiones de nuestro universo u otros universos con muchas de las posibles leyes de la física, pero la mayoría de ellas son inhabitables, por ejemplo, no tienen moléculas, no tienen estrellas, las estrellas tienen una vida muy corta, el Todo el universo solo dura unos segundos y desaparece poco después del Big Bang, etc. Hay muchas maneras en que nuestro universo podría ser inhabitable para seres como nosotros. También hubo momentos en el pasado cuando nuestro universo era inhabitable (poco después del Big Bang, por ejemplo) al menos para seres como nosotros. Tal vez habrá momentos en el futuro que también lo son, miles de millones de años en el futuro.

Entonces, la idea es que veamos uno que sea habitable porque solo aquellos con leyes de la física como esta tienen seres vivos para observarlos, y lo vemos en un momento en que es habitable por la misma razón. Esa es la versión débil del principio antrópico, que es una idea controvertida pero respetada en cosmología, con muchas variaciones, pero no se puede probar.

El fuerte principio antrópico es similar, pero elimina la idea de muchos otros universos, sino que algo u otro configura nuestro universo para que sea habitable. Muchas ideas sobre cómo podría suceder eso. Principio antrópico – Wikipedia

Son ideas interesantes, pero no hay forma de probarlas o refutarlas en la actualidad.

Como otros han señalado, no lo hacen. Pero sospecho que la verdadera pregunta debería reemplazar “exactamente” con “aproximadamente”, es decir, por qué el protón es más pesado. Según el modelo estándar, eso parecería deberse a que el protón está formado por tres quarks que están unidos extremadamente fuertemente, es decir, la mayor parte de la masa del protón es probablemente energía de unión, por lo que la masa final acaba de salir. así y no hay nada excepcionalmente significativo sobre el número final. Lo sentimos, pero la numerología es una mala manera de hacer las cosas.

” ¿Por qué los protones tienen una masa exactamente 1837 veces mayor que la de un electrón?”

La masa en reposo de un protón libre = 1.67239 (4) × 10 ^ -24 gm.

La masa en reposo de un electrón libre = 9.1083 (3) × 10 ^ -28 gm.

Relación de: (masa de protones / masa de electrones) = 1836.12 (2)

El número dado anteriormente son valores aceptados estándar de masas en reposo de un protón libre y un electrón libre, y están disponibles en cualquier libro de constantes.

El número en la parántesis con las masas o la relación de las masas es el error en los valores medidos y la relación derivada de estos valores medidos. Es una forma compacta de escribir el error. El número 4 en paréntesis con la masa en reposo de decir protón libre es que el error en la masa en reposo de protón es: 0.00004 × 10 ^ -24 gm. El número 4 es un error en el último decimal del valor dado, es decir, es un error en el dígito 9 de la masa resr del protón libre = 1.67239 × 10 ^ -24 gm. Si el número en la parálisis fuera 15, entonces el error ocurre en los últimos dos dígitos del valor medido.

Vemos que la relación entre la masa de un protón y la de un electrón = 1836. 12. Consideramos que este número es exactamente 1836 o, por lo demás, 1837 por conveniencia. La relación no resulta ser un entero exacto. Incluso si lo fuera, no se le atribuirá un gran significado, sería simplemente una coincidencia.

Jesse escribió:

“Si se observa el peso atómico del hidrógeno en una tabla periódica, es un poquito más de lo que cabría esperar con solo agregar las masas del protón y el electrón [1] .

Algo de esto es un efecto relativista, y algo es de la energía que los une [2] .

si se adhieren a los imanes juntos y mide la energía para mantenerlos en su lugar [2] , y agrega las masas, también obtendría un número diferente que la masa agregada de los imanes [3] , aunque la diferencia sería realmente, realmente pequeño.”

comentarios:

[1] No, no lo es. En realidad es un poquito extremadamente * menos *:

2.18e-18 julios es la energía de unión [2] del isótopo de hidrógeno Protium (un protón y un electrón).

Entonces el déficit de masa [2] es (2.18e-18) / c ^ 2 = 2.43e-35 kg.

[2] la energía de unión es la energía requerida para * separar * las partes del todo.

la energía de enlace corresponde al déficit de masa (cuánto menos masivo es el todo en comparación con sus partes). por lo tanto, la energía de unión positiva significa que la masa del todo es * menor que * la masa de las partes separadas.

es decir, mass_of_whole = mass_of_parts – vinculante_energía

[3] la masa de los dos imanes unidos será * menor que * los dos imanes separados, porque la energía de enlace es positiva: se necesita energía neta para separarlos.

hay una posible explicación jaja:

fuente:

La relación de masas de protones y electrones

No, la relación de masa está más cerca de 1836. La verdadera razón de esto es que 1836 es el año de la independencia de Texas, y todos sabemos que Texas es el centro del universo.

Exactamente por la misma razón que el período de gestación de los humanos es exactamente 24 veces más largo que el de los hámsters.

Es decir, porque simplemente no lo es.