Freie Neutronen im Flug werden nicht durch elektrische Felder abgelenkt.Objekte, die nicht durch elektrische Felder abgelenkt werden, sind elektrisch neutral

Die Energie der starken Protonen-Neutronen-Wechselwirkung ändert sich mit der Entfernung anders als die Energie einer elektrischen Wechselwirkung.In einer Wechselwirkung zwischen zwei elektrischen Ladungen variiert die potentielle Energie mit der Entfernung wie $ 1 / r $ span>.In der starken Wechselwirkung variiert die Energie wie $ e ^ {- r / r_0} / r $ span>, wobei der Bereichsparameter $ r_0 $ span> bezieht sich auf die Masse des Pions.Diese Struktur bedeutet, dass die starke Wechselwirkung in Entfernungen, die viel größer als $ r_0 $ span> sind, effektiv abgeschaltet wird, und erklärt, warum stark gebundene Kerne kompakter sind als elektrisch gebundene Atome.

Angenommen, die starke Kernkraft wurde stattdessen durch Coulomb-Wechselwirkungen verursacht. Da wir wissen, wie stark die Bindungsenergien sind (in der Größenordnung von $ \ sim 1 \ \ text {MeV} $ span>, kann man sagen, wenn man sich a ansieht Tabelle der Alpha-Teilchenenergien) und wie weit die Nukleonen voneinander entfernt sind (etwa ein Protonenradius oder $ a_p \ sim1 \ \ text {fm} $ span>), wissen wir, wie geladen Die Neutronen müssen sein.

Eine schnelle Schätzung wird gegeben, indem die Ladung auf dem Neutron $ - Ze $ span> sein lässt, dann ist die Bindungsenergie in der Größenordnung:

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

Dies ergibt $ Z \ sim 0,7 $ span>, was nur lächerlich groß ist und in Experimenten mit Neutronenpfaden in elektrischen Feldern bemerkt worden wäre, wie in der Antwort von @ rob angegeben.

Das heißt: Die direkte experimentelle Grenze für die Ladung des Neutrons ist niedrig genug, dass die elektrostatische Bindungsenergie die Kernbindungsenergie nicht erklären kann.

Robs Antwort ist die einfachste und wahrscheinlich beste, aber lassen Sie mich einen anderen Ansatz hinzufügen.

Wir wissen, dass Kerne aus Protonen und Neutronen bestehen. Protonen stoßen sich gegenseitig ab, aber irgendwie haften sie extrem stark zusammen, wenn Sie sie nahe genug bringen. Dies deutet bereits darauf hin, dass eine andere Kraft im Spiel ist! Selbst wenn Sie Neutronen vollständig ignorieren würden, würden Sie eine starke Kraft benötigen, die den Elektromagnetismus in ausreichend kleinen Entfernungen überwindet. Natürlich ist der einfachste Multiprotonenkern, das Diproton, relativ instabil - aber er ist immer noch stabil genug, damit unsere Sonne arbeiten kann. es dauert lange genug, bis sich eines der Protonen sehr selten in ein Neutron verwandelt und das stabile Deuterium bildet. Interessanterweise wäre Diproton (He-2) stabil, wenn die starke Kraft ein kleines bisschen stärker wäre.

Nun ist es relativ einfach, mit Neutronen zu experimentieren - Sie können freie Neutronen auf Ziele schießen und sehen, was passiert. Wenn Sie ein Elektron durch eine Wolkenkammer schießen, hinterlässt es eine Spur auf seinem Weg (dies ist eine der Hauptmethoden, mit denen wir sehr kleine Mengen von Material beobachten). Wenn Sie ein elektrisches Feld hinzufügen, wird der Weg des Elektrons abgelenkt - es wird von der Quelle des Feldes (z. B. einem Magneten) angezogen oder abgestoßen. Das Neutron ist nicht.

Aber das hat Rob bereits gesagt. Nehmen wir also an, wir können freie Neutronen auf diese Weise nicht beobachten. Wäre das Verhalten des Neutrons mit dem Elektromagnetismus vereinbar?

Neutronen beeinflussen die Chemie meist nicht. Wenn sie jedoch die elektromagnetische Ladung der Protonen ausgleichen würden, würde die Anzahl der Elektronen in einem Atom sowohl von der Anzahl der Protonen als auch Neutronen abhängen (mehr Neutronen würden weniger Elektronen bedeuten). Sie hätten keine Isotope (oder besser gesagt, es würde etwas anderes bedeuten). Damit dies funktioniert, müssten Sie irgendwie die Elektronen haben, um die Ladung des Neutrons zu ignorieren. Dies bedeutet bereits, dass Sie eine andere Kraft benötigen, die keine Auswirkungen auf Elektronen hat.

Aber lasst uns trotz dieser Unmöglichkeit weitermachen. Wenn Neutronen eine starke negative elektromagnetische Ladung hätten (die Elektronen irgendwie ignorierte), würden sie sehr stark von Atomkernen angezogen. Dies ist nicht das, was wir tatsächlich beobachten - Sie müssen das Neutron im Wesentlichen direkt auf den Kern treffen, um es zu absorbieren (der Zielbereich wird als Neutronenquerschnitt bezeichnet). Freie Neutronen würden nicht viel in die Materie eindringen, da selbst sehr schnell bewegte Neutronen von Kernen schnell abgelenkt oder absorbiert würden.

Sowohl Helium-3 als auch Helium-4 sind stabil. Aber sie haben die gleiche Anzahl von Protonen, während eines ein einzelnes Neutron und das andere zwei hat. Wenn Neutronen aber durch die elektromagnetische Kraft Protonen anziehen, müssen sie sich auch gegenseitig abstoßen. Unabhängig davon, welche Ladung Sie für das Neutron eingestellt haben, müsste es in der Lage sein, die Ladung der beiden Protonen auszugleichen, die versuchen, sich gegenseitig abzustoßen. Gleichzeitig würde das Hinzufügen von einem anderen Neutron nicht bewirken, dass der Kern auseinander fällt. Und denken Sie daran, dass wir die Elektronen immer noch ignorieren - obwohl sich die Protonen dank der negativen Ladung des Neutrons nicht gegenseitig abstoßen, werden die Elektronen immer noch angezogen und an den Kern gebunden.

Wenn Neutronen tatsächlich so funktionieren würden, wie Sie es sich vorgestellt haben, hätten wir bereits eine Kernfusion! Es wäre noch einfacher als die Kernspaltung. In Ihrem Szenario wäre eine Kernspaltung fast unmöglich, während eine Fusion trivial wäre. Das Fallenlassen eines freien Neutrons in ein Zielatom würde große Mengen an Energie freisetzen. Tatsächlich würden sich die Kerne selbst unter Standardbedingungen spontan verklumpen - ein Wasserstoffkern würde von einem anderen Wasserstoffkern abgestoßen, aber sobald Sie der Mischung ein Neutron hinzufügen, wäre seine Anziehungskraft notwendigerweise viel größer als die Abstoßung zwischen den Protonen. Ein Deuteron würde sich bei Raumtemperatur und Druck spontan mit einem freien Wasserstoffkern verbinden und große Mengen an Energie freisetzen

Wenn wir die starke Kraft auf magische Weise durch eine elektromagnetische Ladung auf das Neutron ersetzen würden (während die Bindungsenergie in vorhandenen Kernen gleich bleibt), würde die gesamte Materie um Sie herum mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu einem massiven Kern zusammenfallen. während riesige Mengen an Energie freigesetzt werden, bevor alles in massive schwarze Löcher zusammenbricht.

Um die Beobachtungen zu erklären, benötigen Sie eine Kraft, die zwischen Protonen und Neutronen in sehr kurzen Entfernungen sehr stark ist, aber keine Elektronen beeinflusst und nach einer kritischen Entfernung sehr schnell abfällt. Wir nennen diese Kraft die starke Atomkraft. Dies ist die einfachste Erklärung, die zu allen beobachteten Daten passt (und sich immer wieder mit erweiterten Vorhersagen bewährt hat, die durch Experimente bestätigt wurden), sodass sie "gewinnt".

Interessanterweise wird angenommen, dass die sogenannte schwache Kraft noch stärker ist als die starke Kraft - aber nur auf noch kürzeren Strecken. Diese beiden seltsamen Verhaltensweisen waren entscheidend für die Erweiterung unseres Verständnisses der Funktionsweise des Universums.

Wie Richard Feynman in seinen Vorlesungen "Der Charakter des physikalischen Gesetzes" betonte, ist das Experiment der ultimative Test, um zu entscheiden, ob eine Theorie korrekt ist oder nicht. Rob hat richtig angegeben, dass es starke Hinweise auf die Null-Wechselwirkung zwischen einem Neutron und einem externen elektrischen Einfluss gibt. Messungen über Massen und elektrische Ladungen mehrerer Atomkomponenten wurden mit zunehmender Genauigkeit durchgeführt, wobei das Mill-Drop-Experiment von Robert Millikan und ähnliche (Wilsons Wolkenkammer) einigermaßen überzeugend von der "körnigen" Natur der elektrischen Ladung waren.

Als sich die Genauigkeit zu verbessern begann, war es möglich, solche Hypothesen wie die zusammengesetzte Natur eines Atomkerns zu testen, so dass Experimente den Vorschlag des Neutrons als "Begleiter" untermauerten, indem sie das Konzept des Isotops aus der Chemie entlehnten. des Protons im Kern. Weitere Hypothesen, die mit diesen neuen Überlegungen aufgestellt wurden, erwiesen sich experimentell als richtig, so dass es immer mehr Hinweise gab, das Neutron als Teilchen ohne elektrische Nettoladung zu betrachten.

Es gibt jedoch keinen Grund, diese Tatsache als Axiom zu betrachten. wie Einstein einmal sagte: "Kein Experiment kann mich jemals als richtig erweisen; ein einziges Experiment kann mich als falsch erweisen." Bisher hat sich das neutrale Verhalten des Neutrons als richtig erwiesen.

Neutronen werden nicht so sehr von Protonen angezogen, wie wir es von entgegengesetzt geladenen Teilchen erwarten würden.

1) Die Anziehungskraft zwischen Neutronen und Protonen wirkt nur über einen sehr kleinen Bereich, während die Kraft zwischen entgegengesetzt geladenen Teilchen dies nicht tut.

3) Allgemeiner gesagt, wie Rob sagte, werden geladene Teilchen durch elektrische Felder beschleunigt und Neutronen nicht.

Ungeachtet des oben Gesagten könnten Sie zustimmen, dass Neutronen keine elektrische Nettoladung haben, aber darüber streiten, ob sie aus kleineren Teilchen mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen bestehen könnten, die sich aufheben und somit durch eine elektromagnetische Kraft auf eine Weise von Protonen angezogen werden ähnlich der Anziehungskraft zwischen neutralen Atomen in Molekülen. Auch das wäre falsch, da die Größe der starken Kraft ganz anders ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die theoretische und experimentelle Rechtfertigung für die Annahme, dass die Anziehung zwischen Neutronen und Protonen etwas anderes als eine durch elektrische Ladung verursachte Kraft ist, kein Ende hat.