題:
我們怎麼知道中子沒有電荷?
MacThule
2019-09-22 23:41:36 UTC
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我們觀察到質子帶正電,並且中子被強烈吸引,這與我們對帶相反電荷的粒子的期望一樣多。然後,我們將該吸引力描述為非電磁“強力”吸引力。為什麼要假定一個Eratz力負責,而不是根據其行為將中子描述為帶負電荷?

出於這種解釋,我一直不贊成循環和重言式推理(即“我們知道他們沒有受到指控是因為我們將他們的吸引力歸因於不同的力量,而我們將此行為歸因於不同的力量是因為我們知道他們沒有被收費”。

我正在尋找基於經驗的解釋(相對於純粹的理論/數學解釋)。

有人可以幫忙嗎?

您是否想知道他們是否“不收費”(提示笑話)還是淨零收費?
清理了一些實際上是問題答案的評論。請使用註釋來闡明問題或提出改進建議。
五 答案:
rob
2019-09-22 23:52:36 UTC
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飛行中的自由中子不會被電場偏轉。不受電場偏轉的物體是電中性的。

強質子-中子相互作用的能量與距離的變化方式與電相互作用的能量不同。在兩個電荷之間的相互作用中,勢能隨距離而變化,如 $ 1 / r $ span>。在強交互中,能量會像 $ e ^ {-r / r_0} / r $ span>一樣變化,其中範圍參數$ r_0 $ span>與介子的質量有關。這種結構意味著強相互作用在遠大於 $ r_0 $ span>的距離處有效地關閉,並解釋了為什麼強結合核比電結合原子更緊密。/ p>

正如Wikipedia指出的那樣,中子電荷的實驗上限低於實驗誤差範圍-實際上,實驗上的差異幾乎與零無關。以電子電荷為單位,最大電荷約為10 ^ {-22} $。
@StephenG為每摩爾$ -60e $。不多。
中子不帶電荷的另一個簡單例子:氘核和質子都帶正電+ e電荷。
簡單點,+ 1。當然,這首先是將中子引入理論的方式:實驗者看到了不會被電場偏轉的輻射成分,這可以用原子核內部的新中性粒子來解釋。
jacob1729
2019-09-23 03:39:26 UTC
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假設強大的核力量反而是庫侖相互作用引起的。由於我們知道結合能有多強(約為 $ \ sim 1 \ \ text {MeV} $ span>,因此可以說,表中的α粒子能量)和核子相距多遠(大約質子半徑,或 $ a_p \ sim1 \ \ text {fm} $ span>),我們知道電荷如何中子一定是。

通過使中子上的電荷為 $-Ze $ span>可以快速估算,然後結合能為:

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

這給出了 $ Z \ sim 0.7 $ span>,這只是荒謬的大,在@rob答案中指出的電場中子路徑實驗中已經註意到。

這就是說:中子電荷的直接實驗極限足夠低,以至於靜電結合能不能解釋核結合能。

Luaan
2019-09-23 13:46:08 UTC
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羅布的答案是最簡單的,也許也是最好的,但是讓我添加另一種方法。

我們知道原子核是由質子和中子組成的。質子彼此排斥,但是如果以某種方式使它們足夠靠近,它們會非常牢固地粘合在一起。這已經表明存在另外一種力量!因此,即使您完全忽略了中子,您也需要一些強大的力才能在足夠小的距離內克服電磁力。當然,最簡單的多質子核(雙質子)相對不穩定-但它仍然足夠穩定,可以讓我們的太陽工作。它能持續足夠長的時間,使其中一個質子很少轉變成中子,從而形成穩定的氘。有趣的是,如果強力稍強,雙質子(He-2)就會穩定。

現在,中子相對容易進行實驗-您可以向目標發射自由中子並觀察會發生什麼。如果您通過雲室發射電子,它將在路徑上留下一條痕跡(這是我們觀察到極少量物質的主要方式之一)。如果添加電場,則電子的路徑將發生偏轉-它將被電場源(例如磁鐵)吸引或排斥。中子不是。

但這就是羅伯已經說過的,所以讓我們假設我們不能以這種方式觀察自由中子。中子的行為是否與電磁一致?

中子通常不會影響化學反應。但是,如果它們平衡了質子產生的電磁電荷,那麼原子中電子的數量將取決於質子和中子的數量(更多的中子意味著更少的電子)。您不會有同位素(或更確切地說,這意味著有所不同)。因此,要使它起作用,就必須以某種方式使電子忽略中子的電荷。這已經意味著您需要施加另一種力,該力不影響電子。

儘管有這種可能性,但讓我們繼續前進。如果中子具有強的負電磁電荷(以某種方式忽略了電子),那麼它們將被原子核非常強烈地吸引。這不是我們實際觀察到的-您需要先將中子撞擊到原子核上才能使其吸收(目標區域稱為中子截面)。自由中子不會滲透到物質中,因為即使非常快速移動的中子也會被原​​子核迅速偏轉或吸收。

氦3和氦4都是穩定的。但是它們具有相同數量的質子,一個帶有一個中子,另一個帶有兩個中子。但是,如果中子通過電磁力吸引質子,它們也必須互相排斥。無論您為中子設定什麼電荷,它都必須能夠平衡試圖互相排斥的兩個質子的電荷,但同時添加另一個中子會引起細胞核破裂。並且請記住,我們仍然無視電子-儘管質子由於中子的負電荷而彼此不排斥,但電子仍然被吸引並束縛在原子核上。

最後,如果中子實際上按照您所假定的方式工作,那麼我們已經有了核聚變!這比核裂變還要容易。確實,在您的情況下,核裂變幾乎是不可能的,而聚變將是微不足道的。將自由中子放到目標原子中將釋放大量能量。實際上,即使在標準條件下,原子核也會自發聚在一起-氫核會被另一個氫核排斥,但是一旦向混合物中添加中子,其吸引力必然會比質子之間的排斥力大得多。氘核在室溫和壓力下會自發地與游離氫核結合,釋放出大量能量。

如果我們用中子上的電磁電荷神奇地替換了強力(同時保持現有原子核中的結合能不變),那麼您周圍的所有物質將以接近光速的速度坍塌成一個巨大的原子核,在釋放出巨大能量的同時,一切都消失在巨大的黑洞中。

要解釋這些觀察結果,您需要一個在很短距離內質子與中子之間非常強的力,但不影響電子,並且在一定臨界距離後會很快掉落。我們稱該力量為強大的核力量。這是最簡單的解釋,它適合所有觀察到的數據(並已通過實驗證實的高級預測不斷地證明自己),因此“成功”。

有趣的是,人們認為所謂的弱力甚至比強力還要強-但僅在更短的距離上。這兩種奇怪的行為對於擴大我們對宇宙工作原理的理解至關重要。
此評論包含我的首選回复。使用已知的原子大小(0.1nm)和原子核大小(1 fm),我們知道電子向外傳播的偶極子場將被衰減大約五個數量級,因此我們可以認為核電荷在庫侖理論下被抵消了。法。好吧,如果您抵消了一些核電荷,那麼您將預測到諸如氙氣之類的氣體不是稀有氣體(因為是電中性的,因此它需要少於完整的電子殼),除非中子的電荷顯著減少比e / 100左右。
Juan
2019-09-23 01:12:38 UTC
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正如理查德·費曼(Richard Feynman)在他的“物理定律的性格”講座中指出的那樣,決定一個理論是否正確的最終檢驗是實驗。羅伯正確地指出,有強有力的證據表明中子與某些外部電影響之間沒有相互作用。羅伯特·米利肯(Robert Millikan)的油滴實驗和其他類似的實驗(威爾遜的雲室)對電荷的“粒狀”性質具有合理的說服力,因此對某些原子成分的質量和電荷的測量已經越來越精確。

隨著精確度的提高,有可能檢驗諸如原子核的複合性質之類的假設,因此從化學中藉用同位素的概念,實驗使中子的提議成為了“同伴”。原子核內的質子通過這些新的考慮做出的進一步假設被實驗證明是正確的,因此越來越多的證據將中子視為沒有淨電荷的粒子。

但是,沒有理由將該事實視為公理。正如愛因斯坦曾經說過的那樣:“沒有多少實驗能證明我是對的;一個實驗就能證明我是對的”。到目前為止,事實證明中子的中性行為是正確的。

自從上次看過該特定作品以來已經有好幾年了,但我似乎還記得,實驗的確不僅是對理論的最終檢驗,而且還是理論的目的...
Marco Ocram
2019-09-26 16:51:43 UTC
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中子不會被質子吸引,“就像我們期望帶相反電荷的粒子一樣”。

1)中子和質子之間的吸引力僅在很小的範圍內起作用,而帶相反電荷的粒子之間的吸引力則沒有。

2)帶相反電荷的粒子之間的吸引力用作具有相同電荷的粒子之間的排斥力。中子不會互相排斥,因此它們不會有淨電荷。

3)更普遍地,正如羅布所說,帶電粒子被電場加速而中子則不被加速。

儘管有上述規定,您可能會同意中子沒有淨電荷,但是爭論說中子是否可以由具有相反電荷的小顆粒組成,這些相反電荷會相互抵消,從而被電磁力以某種方式吸引到質子中。類似於分子中的中性原子之間的吸引力。由於強力的大小完全不同,這也將是錯誤的。

總而言之,考慮中子與質子之間的吸引力不是電荷所引起的力,因此沒有理論和實驗依據。



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