0093. Sia nell’interazione elettrone-elettrone che elettrone-protone c'è scambio di fotoni. Ma perché nel primo caso si ha repulsione e nel secondo caso attrazione?

Sia nell’interazione elettrone-elettrone che elettrone-protone c'è scambio di fotoni. Ma perché nel primo caso si ha repulsione e nel secondo caso attrazione? In relazione al tipo di carica posseduta dalle particelle (positiva o negativa) che interagiscono, in che modo si differenzia lo "scambio” del mediatore per avere attrazione piuttosto che repulsione? (Marco Pugliese)

Nell’ambito della Meccanica Quantistica l’interazione tra cariche elettriche è vista come lo scambio di quanti elettromagnetici (i fotoni ) tra queste cariche . In Meccanica Quantistica si calcolano ampiezze e il modulo quadro della ampiezza totale corrisponde alla probabilità con cui avviene un determinato processo. Così, per quanto riguarda l’interazione tra due cariche, bisogna calcolare le ampiezze di emissione di un dato numero di fotoni, l’ampiezza corrispondente alla loro propagazione ed infine l’ampiezza di assorbimento. Il prodotto di queste ampiezze corrisponde all’ ampiezza totale, che poi va sommata sul numero di fotoni emessi ed infine ne va fatto il modulo quadro. In pratica il contributo più importante è quasi sempre dato da emissione e da assorbimento di un singolo fotone mentre i contributi di più fotoni danno una correzione piccola. L'ampiezza di emissione (o assorbimento) di un fotone è proporzionale alla carica elettrica (con il suo segno) della particella che emette (o assorbe).

L'aumento di energia, dovuta alll'interazione elettromagnetica tra due cariche elettriche, via lo scambio di un fotone, è proporzionale al prodotto della ampiezza di emissione per l'ampiezza di assorbimento (e altri fattori), ovvero al prodotto delle cariche interagenti: negativo quindi per cariche di segno opposto e positivo per cariche dello stesso segno. Poiché ogni sistema tende all'energia minima, cariche dello stesso segno si respingono, allontanandosi in modo da ridurre l'aumento di energia suddetto, e viceversa avviene per cariche opposte. Il segno della carica non interviene invece per le quantità che dipendono dal quadrato del prodotto delle cariche. Questo, ad esempio, è il caso della sezione d'urto (ovvero della probabilità) di diffusione su protone di elettroni o positroni, che sono appunto uguali nella approssimazione in cui si scambiano essenzialmente un solo fotone. Come anticipato, gli scambi di più fotoni introducono correzioni a tutto ciò, senza alterarne la sostanza. Questo perché la carica elettrica è una costante di accoppiamento piccola e quindi l'interazione e.m. si può sviluppare in serie: lo scambio di un fotone è quasi sempre più importante dello scambio di due fotoni e così via.

Rinaldo Baldini – Fisico