Wolne neutrony w locie nie są odchylane przez pola elektryczne.Obiekty, które nie są odchylane przez pola elektryczne, są elektrycznie obojętne.

Energia silnego oddziaływania proton-neutron zmienia się wraz z odległością w inny sposób niż energia oddziaływania elektrycznego.W interakcji między dwoma ładunkami elektrycznymi energia potencjalna zmienia się wraz z odległością, np. 1 $ / r $ .W silnej interakcji energia zmienia się, np. $ e ^ {- r / r_0} / r $ , gdzie parametr range $ r_0 $ jest związane z masą pionu.Ta struktura oznacza, że silne oddziaływanie skutecznie wyłącza się przy odległościach znacznie większych niż $ r_0 $ i wyjaśnia, dlaczego silnie związane jądra są bardziej zwarte niż atomy związane elektrycznie./ p>

Załóżmy, że zamiast tego silne siły jądrowe są spowodowane interakcjami Coulomba. Ponieważ wiemy, jak silne są energie wiązania (rzędu $ \ sim 1 \ \ text {MeV} $ , jak można uzyskać, powiedzmy, patrząc na tabela energii cząstek alfa) i jak daleko od siebie znajdują się nukleony (o promieniu protonu lub $ a_p \ sim1 \ \ text {fm} $ ) wiemy, jak naładowany neutrony muszą być.

Szybkie oszacowanie uzyskuje się, pozwalając ładunkowi neutronu na $ - Ze $ , wtedy energia wiązania jest rzędu:

$$ \ frac {Ze ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 a_p} \ sim 1 \ \ text {MeV} $$

Daje to $ Z \ sim 0,7 $ , który jest po prostu absurdalnie duży i zostałby zauważony w eksperymentach ze ścieżkami neutronów w polach elektrycznych, jak odnotowano w odpowiedzi @ rob.

To znaczy: bezpośredni eksperymentalny limit ładunku neutronu jest na tyle niski, że elektrostatyczna energia wiązania nie może odpowiadać za energię wiązania jądra.

Odpowiedź Roba jest najprostsza i prawdopodobnie najlepsza, ale pozwolę sobie dodać inne podejście.

Wiemy, że jądra składają się z protonów i neutronów. Protony odpychają się nawzajem, ale w jakiś sposób, jeśli zbliżysz się do nich wystarczająco blisko, sklejają się ze sobą niezwykle silnie. To już sugeruje, że w grze jest inna siła! Więc nawet jeśli całkowicie zignorowałbyś neutrony, potrzebowałbyś jakiejś silnej siły, która pokonuje elektromagnetyzm na wystarczająco małych odległościach. Oczywiście, najprostsze jądro wieloprotonowe, diproton, jest stosunkowo niestabilne - ale nadal jest wystarczająco stabilne, aby nasze Słońce mogło działać; trwa wystarczająco długo, aby jeden z protonów bardzo rzadko zmienił się w neutron, tworząc stabilny deuter. Co ciekawe, gdyby silna siła była odrobinę silniejsza, diproton (He-2) byłby stabilny.

Neutrony są stosunkowo łatwe do eksperymentowania - możesz wystrzelić wolne neutrony w cele i zobaczyć, co się stanie. Jeśli wystrzelisz elektron przez komorę z chmurami, pozostawi on ślad na swojej drodze (jest to jeden z głównych sposobów, w jaki obserwujemy bardzo małe ilości rzeczy). Jeśli dodasz pole elektryczne, tor elektronu zostanie odchylony - zostanie przyciągnięty lub odparty od źródła pola (np. Magnesu). Neutron nie jest.

Ale to właśnie powiedział Rob, więc załóżmy, że w ten sposób nie możemy obserwować wolnych neutronów. Czy zachowanie neutronu byłoby zgodne z elektromagnetyzmem?

Neutrony w większości nie wpływają na chemię. Ale gdyby zrównoważyć ładunek elektromagnetyczny protonów, liczba elektronów w atomie zależałaby zarówno od liczby protonów , jak i neutronów (więcej neutronów oznaczałoby mniej elektronów). Nie miałbyś izotopów (a raczej oznaczałoby to coś innego). Aby to zadziałało, w jakiś sposób trzeba by elektrony ignorowały ładunek neutronu. To już oznacza, że ​​potrzebujesz innej siły, która nie wpływa na elektrony.

Ale kontynuujmy pomimo tej niemożliwości. Gdyby neutrony miały silny ujemny ładunek elektromagnetyczny (który w jakiś sposób ignorował elektrony), byłyby bardzo silnie przyciągane przez jądra atomowe. To nie jest to, co faktycznie obserwujemy - musisz uderzyć neutron zasadniczo prosto w jądro, aby go zaabsorbować (obszar docelowy nazywa się przekrojem neutronu). Wolne neutrony nie wnikałyby zbytnio w materię, ponieważ nawet bardzo szybko poruszające się neutrony byłyby gwałtownie odchylane lub absorbowane przez jądra.

Zarówno hel-3, jak i hel-4 są stabilne. Ale mają taką samą liczbę protonów, podczas gdy jeden ma jeden neutron, a drugi ma dwa. Ale jeśli neutrony przyciągają protony poprzez siłę elektromagnetyczną, muszą się również odpychać. Niezależnie od tego, jaki ładunek ustawisz dla neutronu, musiałby być w stanie zrównoważyć ładunek dwóch protonów próbujących się odpychać, ale w tym samym czasie dodanie kolejnego neutronu nie spowodować rozpadu jądra. I pamiętaj, że wciąż ignorujemy elektrony - w jakiś sposób, mimo że protony nie odpychają się nawzajem dzięki ujemnemu ładunkowi neutronu, elektrony są nadal przyciągane i wiązane z jądrem.

Wreszcie, gdyby neutrony faktycznie działały tak, jak zakładasz, mielibyśmy już fuzję jądrową! Byłoby to nawet łatwiejsze niż rozszczepienie jądrowe. Rzeczywiście, w twoim scenariuszu rozszczepienie jądrowe byłoby prawie niemożliwe, podczas gdy fuzja byłaby trywialna. Wrzucenie wolnego neutronu do atomu docelowego uwolniłoby ogromne ilości energii. W rzeczywistości jądra zlepiłyby się spontanicznie nawet w standardowych warunkach - jądro wodoru byłoby odpychane od innego jądra wodoru, ale gdy tylko dodasz neutron do mieszanki, jego przyciąganie będzie z konieczności znacznie większe niż odpychanie między protonami. Deuteron spontanicznie łączyłby się z wolnym jądrem wodoru w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem, uwalniając ogromne ilości energii.

Gdybyśmy w magiczny sposób zastąpili silną siłę ładunkiem elektromagnetycznym na neutronie (zachowując jednakową energię wiązania w istniejących jądrach), cała materia wokół ciebie zapadłaby się w jedno masywne jądro z prędkością bliską prędkości światła, uwalniając ogromne ilości energii, zanim wszystko rozpadnie się w masywne czarne dziury.

Aby wyjaśnić obserwacje, potrzebna jest siła, która jest bardzo silna między protonami i neutronami na bardzo krótkich odległościach, ale nie wpływa na elektrony i bardzo szybko spada po pewnym krytycznym dystansie. Nazywamy tę siłę silną siłą nuklearną. To najprostsze wyjaśnienie, które pasuje do wszystkich obserwowanych danych (i wielokrotnie się sprawdzało dzięki zaawansowanym przewidywaniom, które zostały potwierdzone eksperymentalnie), więc „wygrywa”.

Co ciekawe, uważa się, że tak zwana siła słaba jest nawet silniejsza niż siła silna - ale tylko na jeszcze krótszych dystansach. Oba te dziwne zachowania miały kluczowe znaczenie dla poszerzenia naszej wiedzy o tym, jak działa wszechświat.

Jak wskazał Richard Feynman w swoich wykładach „Charakter prawa fizycznego”, ostatecznym sprawdzianem, który decyduje, czy teoria jest poprawna, jest eksperyment. Rob poprawnie stwierdził, że istnieją mocne dowody sugerujące zerową interakcję między neutronem a jakimś zewnętrznym wpływem elektrycznym. Pomiary mas i ładunków elektrycznych kilku elementów atomowych były dokonywane z coraz większą dokładnością, przy czym eksperyment Roberta Millikana z kroplami oleju i inne podobne (komora chmurowa Wilsona) są dość przekonujące o „ziarnistej” naturze ładunku elektrycznego.

W miarę jak dokładność zaczęła się poprawiać, możliwe było przetestowanie takiej hipotezy, jak złożona natura jądra atomu, tak że zapożyczając z chemii pojęcie izotopu, eksperymenty dały siłę propozycji neutronu jako „towarzysza” protonu wewnątrz jądra. Dalsze hipotezy wysunięte na podstawie tych nowych rozważań okazały się eksperymentalnie poprawne, więc było coraz więcej dowodów na to, że neutron jest cząstką bez ładunku elektrycznego.

Nie ma jednak powodu, aby traktować ten fakt jako aksjomat; jak powiedział kiedyś Einstein: „Żadna ilość eksperymentów nie może nigdy udowodnić, że mam rację; jeden eksperyment może udowodnić, że się mylę”. Do tej pory neutralne zachowanie neutronu okazało się właściwe.

Neutrony nie są przyciągane przez protony "tak, jak oczekiwalibyśmy od przeciwnie naładowanych cząstek".

1) Siła przyciągania między neutronami i protonami działa tylko w bardzo małym zakresie, podczas gdy siła między przeciwnie naładowanymi cząstkami nie.

2) Siła przyciągania między przeciwnie naładowanymi cząstkami działa jako siła odpychania między cząstkami o podobnym ładunku. Neutrony nie odpychają się elektrycznie, więc nie mogą mieć ładunku elektrycznego netto.

3) Bardziej ogólnie, jak powiedział Rob, naładowane cząstki są przyspieszane przez pola elektryczne, a neutrony nie.

Niezależnie od powyższego, możesz zgodzić się, że neutrony nie mają netto ładunku elektrycznego, ale spieraj się, czy mogą składać się z mniejszych cząstek z przeciwnymi ładunkami elektrycznymi, które się znoszą, a zatem mogą być przyciągane do protonów przez siłę elektromagnetyczną w pewien sposób podobne do przyciągania neutralnych atomów w cząsteczkach. To również byłoby błędne, ponieważ wielkość silnej siły jest zupełnie inna.

Podsumowując, nie ma końca teoretycznego i eksperymentalnego uzasadnienia dla uznania, że ​​przyciąganie między neutronami i protonami jest czymś innym niż siła powodowana przez ładunek elektryczny.