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¿Cómo sabemos que los neutrones no tienen carga?

Observamos que los protones tienen carga positiva, y que los neutrones son fuertemente atraídos a ellos, tanto como sería de esperar de partículas de carga opuesta. A continuación describimos que la atracción como no electromagnéticos "fuerza fuerte" de la atracción. Por qué plantea un sucedáneo de la fuerza como responsable, en vez de describir los neutrones con carga negativa en base a su comportamiento?

Sigo corriendo contra de la circular y tautológica razonamiento a partir de los laicos en la explicación de este (es decir, "sabemos que no pagan porque nos atributo de su atracción a otra fuerza, y le atribuyen este comportamiento a un diferente fuerza porque sabemos que no se cobra").

Estoy buscando una base empírica (vs puramente teórico/matemática) explicación.

Alguien puede ayudarme?

108voto

Eric Grunzke Puntos 158

Neutrones libres en el vuelo no son desviados por campos eléctricos. Objetos que no son desviados por campos eléctricos son eléctricamente neutras.

La energía de los fuertes de protones-neutrones interacción varía con la distancia de una manera diferente a la de la energía en una interacción eléctrica. En una interacción entre dos cargas eléctricas, la energía potencial varía con la distancia como $1/r$. En la interacción fuerte, la energía varía como $e^{-r/r_0}/r$, donde el parámetro de rango de $r_0$ está relacionado a la masa de la pion. Esta estructura significa que la interacción fuerte, que efectivamente apaga en distancias mucho más grande de lo $r_0$, y explica por qué fuertemente enlazados a los núcleos son más compactos que los eléctricamente enlazados a los átomos.

22voto

Eldar Puntos 41

Suponga que la fuerza nuclear fuerte cambio fueron causados por las interacciones de Coulomb. Ya sabemos lo fuerte que las energías de enlace son (de la orden de $\sim 1\ \text{MeV}$, como se puede inferir por decir, buscando en una tabla de partículas alfa de energías), y la distancia entre los nucleones son (alrededor de un radio de protones, o $a_p\sim1\ \text{fm}$) sabemos cómo cobran los neutrones debe ser.

Un cálculo rápido se da por dejar el cargo en el neutrón se $-Ze$ , a continuación, la energía de enlace es del orden de:

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

Esto le da a $Z \sim 0.7$ que es sólo ridículamente grande y se han observado en los experimentos de neutrones caminos en los campos eléctricos, como se señaló en @rob respuesta.

Es decir: el experimental directa límite en la carga del neutrón es lo suficientemente bajo para que la unión electrostática energía no puede dar cuenta de la energía de enlace nuclear.

18voto

FerranB Puntos 9532

Rob respuesta es la más simple y la que probablemente sea la mejor, pero me permito añadir otro enfoque.

Sabemos que los núcleos están hechos de protones y neutrones. Los protones se repelen, pero de alguna manera, si se acercan lo suficiente, se pegan muy fuerte. Esto ya sugiere que hay otra fuerza en el juego! Así que incluso si usted omite completamente neutrones, usted necesitaría un poco de fuerza que supera el electromagnetismo en lo suficientemente pequeñas distancias. Por supuesto, la forma más sencilla multi-núcleo de protones, el diproton, es relativamente inestable - pero aún así es lo suficientemente estable como para permitir que nuestro Sol a trabajar; dura el tiempo suficiente para uno de los protones a muy raramente cambian en un neutrón, formando el establo de deuterio. Curiosamente, si la fuerza fuerte fue un poco más fuerte, diproton (He-2) sería estable.

Ahora, los neutrones son relativamente fáciles de experimentar con - se puede disparar neutrones libres a los objetivos y a ver qué pasa. Si disparas a un electrón a través de una cámara de niebla, va a dejar un rastro throghout su camino (esta es una de las principales formas en que podemos observar cantidades muy pequeñas de material). Si agrega un campo eléctrico, los electrones de la ruta se desvía - será atraído o repelido de la fuente del campo (por ejemplo, un imán). El neutrón no lo es.

Pero eso es lo que Rob ya se dijo, así que vamos a asumir que no podemos observar neutrones libres de esta manera. Sería el neutrón comportamiento del ser coherente con el electromagnetismo?

Los neutrones en su mayoría no afectan a la química. Pero si se equilibra la carga electromagnética de los protones, el número de electrones en un átomo que dependerá tanto del número de protones y neutrones (más neutrones que significaría menos electrones). No tienen isótopos (o más bien, se trataría de algo diferente). Así que para conseguir que esto funcione, tendría que de alguna manera tienen que tienen los electrones para ignorar la carga del neutrón. Esto ya significa que usted tiene que tener otra fuerza, que no afecta a los electrones.

Pero vamos a seguir adelante a pesar de esta imposibilidad. Si los neutrones tenía una fuerte carga electromagnética negativa (que ignoran los electrones), que sería muy fuertemente atraídos por los núcleos atómicos. Esto no es lo que realmente observamos - usted necesita para golpear la neutrones esencialmente la cabeza en el núcleo, para conseguir que se absorbe (el área de destino se llama el neutrón sección transversal). Neutrones libres no penetrar mucho en la materia, ya que incluso se mueven muy rápido neutrones sería rápidamente desviada o absorbidos por los núcleos.

Tanto el Helio-3 y Helio-4 son estables. Pero tienen el mismo número de protones, mientras que uno tiene un solo neutrón, y el otro tiene dos. Pero si los neutrones atraer a los protones a través de la fuerza electromagnética, también deben repelen. Independientemente de qué cargo establecido para el neutrón, que tendría que ser capaz de equilibrar la carga de los dos protones tratando de repeler a los demás, pero al mismo tiempo, la adición de otro de neutrones podría no causar el núcleo a desmoronarse. Y recuerde que estamos aún haciendo caso omiso de los electrones -, de alguna manera, a pesar de que los protones no rechazar cada uno de los otros gracias a los neutrones de carga negativa, los electrones son todavía devoción y ligados al núcleo.

Por último, si los neutrones en realidad funcionó de la manera que planteas, nosotros ya habría fusión nuclear! Sería incluso más fácil que la fisión nuclear. De hecho, en el escenario, la fisión nuclear sería casi imposible, mientras que la fusión sería trivial. Caída libre de neutrones en un destino átomo sería la liberación de enormes cantidades de energía. De hecho, los núcleos se agrupan espontáneamente, incluso en condiciones estándar - un núcleo de hidrógeno sería repelida de otro núcleo de hidrógeno, pero tan pronto como se añade un neutrón en la mezcla, su atracción necesariamente debería ser mucho mayor que la repulsión entre los protones. Un deuteron espontáneamente combinar gratis con un núcleo de hidrógeno, a temperatura ambiente y presión, liberando enormes cantidades de energía.

Si vamos por arte de magia se sustituye la fuerza fuerte con una carga electromagnética en el neutrón (manteniendo la energía de enlace existentes en los núcleos de la misma), toda la materia a su alrededor se vendría abajo en un enorme núcleo a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, mientras que la liberación de enormes cantidades de energía, antes de que todo se derrumba en enormes agujeros negros.

Para explicar las observaciones, se necesita una fuerza que es muy fuerte entre los protones y los neutrones en distancias muy cortas, pero no afecta a los electrones y muy cae rápidamente después de cierta distancia crítica. Es lo que llamamos la fuerza de la fuerza nuclear fuerte. Esta es la explicación más simple que se adapta a todos los datos observados (y ha demostrado una y otra con la avanzada de las predicciones que han sido confirmados por experimento), por lo que "gana".

Curiosamente, la llamada fuerza débil es el pensamiento a ser incluso más fuerte que la fuerza fuerte - pero sólo en incluso en distancias cortas. Ambos de estos comportamientos extraños, han sido fundamentales en la ampliación de nuestra comprensión de cómo funciona el universo.

5voto

Juan Puntos 59

Como Richard Feynman señaló en sus conferencias "El Carácter de la Ley Física", la prueba definitiva para decidir si una teoría es correcta es el experimento. Rob correctamente indica que hay una fuerte evidencia que sugiere la nula interacción entre un neutrón y algunos eléctrico externo influencia. Las mediciones sobre las masas y las cargas eléctricas de varios componentes atómicos se han hecho cada vez con mayor precisión, con Robert Millikan de la gota de aceite experimento y otros como él (Wilson cámara de niebla) ser razonablemente convincentes acerca de la "granular" la naturaleza de la carga eléctrica.

Como la exactitud comenzó a mejorar, fue posible poner a prueba dicha hipótesis como la naturaleza compuesta de un núcleo del átomo, por lo que el endeudamiento de la química, el concepto de isótopo, experimentos dieron fuerza a la propuesta de los neutrones como un "compañero" de los protones dentro del núcleo. Más hipótesis realizadas con esas nuevas consideraciones fueron experimentalmente demostrado ser la correcta, así que no había más y más evidencia para pensar que la del neutrón como una partícula sin neta de carga eléctrica.

No hay ninguna razón para tomar ese hecho como un axioma, sin embargo; como Einstein dijo una vez, "Ninguna cantidad de experimentación nunca se puede demostrar que estoy a la derecha; un solo experimento puede demostrar que estoy equivocado". Hasta ahora, el neutro de comportamiento de los neutrones ha demostrado ser correcta.

0voto

darkserith Puntos 21

Los neutrones no son atraídos a los protones 'tanto como sería de esperar de carga opuesta, las partículas".

1) La fuerza de atracción entre los protones y neutrones) opera sólo durante un pequeño intervalo, mientras que la fuerza entre cargas opuestas de la partícula no.

2) La fuerza de atracción entre cargas opuestas partículas actúa como una fuerza de repulsión entre las partículas con carga. Los neutrones no se repelen eléctricamente, por lo que no tienen una red de carga eléctrica.

3) de forma Más general, como Rob dijo, las partículas cargadas son aceleradas por los campos eléctricos y los neutrones no son.

No obstante lo anterior, usted podría estar de acuerdo en que los neutrones no tienen neta de carga eléctrica, pero discutir si podría estar formada por partículas más pequeñas con la oposición de cargas eléctricas que cancelar, y por lo tanto ser atraídos por los protones por una fuerza electromagnética en una manera similar a la atracción entre los átomos neutros en las moléculas. Eso también sería erróneo ya que la magnitud de la fuerza fuerte es muy diferente.

En resumen, no hay final de teóricos y experimentales de la justificación por considerar que la atracción entre los protones y neutrones) es algo distinto de una fuerza causada por la carga eléctrica.

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