Какие эксперименты имеют или могут опровергнуть существование электронно-частичной «системы» по сравнению с отдельным существованием нейтрона внутри себя?

Нейтрон никоим образом не «состоит» из протона и электрона. Он может распасться на протон, электрон и антинейтрино. Но это не означает, что эти три частицы изначально буквально сосуществовали внутри нейтрона. Вместо этого распад включает реальную трансмутацию элементарных частиц. Единственное, что можно сказать о распаде, это то, что нейтрон содержит такое же значение сохраняющихся зарядов, как (и, по крайней мере, такую ​​же большую энергию), как и союз «протона, электрона и антинейтрино».

Согласно квантовой теории поля, такие превращения происходят постоянно. Частицы могут даже создаваться из чистой энергии (из ничего) и аннигилировать в чистую энергию. Например, при столкновении двух протонов на БАК их суммарная энергия составляет 13 ТэВ (ну, это будет через недели) и может образоваться 10 новых протонов, 15 новых антипротонов, некоторое количество нейтронов, антинейтронов, позитронов и много нейтрино, не говоря уже о пионах и мюонах. Это обыденно и разрешено, потому что законы сохранения — для электрического заряда, энергии и импульса — легко соблюдаются. Согласно Эйнштейну, энергия — кинетическая энергия сталкивающихся протонов — может принимать форму массы новых частиц.$E=mc^2$. Поскольку Природа позволяет как создавать, так и уничтожать «индивидуальные частицы», она также позволяет изменять их «тип» (это изменение можно рассматривать как комбинацию аннигиляции и создания), и распад протона является примером такого преобразования. изменять.

Объект, состоящий из протона и электрона, известен как атом водорода. Можно провести множество экспериментов, доказывающих, что нейтрон не является атомом водорода. Например, атом водорода может быть ионизирован излучением с энергией 13,6 эВ, но нейтрону вообще нет дела до такого низкоэнергетического излучения.

Нейтрон такой же маленький, как и сам протон. Атом водорода, содержащий дополнительный электрон помимо протона, примерно в 10 000 раз больше. Это означает, что нейтрон ведет себя как незаряженное ядро ​​и не проявляет явлений атомной физики, только ядерную физику, в то время как связанные состояния, включающие электроны, всегда обладают атомно-физическими (химическими...) свойствами.

Наличие электрона в атоме делает объект довольно большим. Атомы большие благодаря принципу неопределенности. Для того чтобы легкая частица, такая как электрон, подчинялась принципу неопределенности, ограниченная кинетическая энергия — сильно ограниченный импульс — приводит к огромной неопределенности положения, и эта неопределенность$\Delta x$определяет размер атома. Внутри нейтрона нет электронов, поэтому нет необходимости «втискивать» такие электроны в маленькое пространство.

Согласно КХД, квантовой хромодинамике, протон состоит из 2 верхних кварков и 1 нижнего кварка, а нейтрон состоит из 2 нижних кварков и 1 верхнего кварка (плюс множество глюонов и пар частица-античастица и т. д., в оба случая). С этой точки зрения КХД протон и нейтрон совершенно одинаково «составны» (не слишком элементарны). Ни один из них не содержит электрона.

На самом деле, даже без КХД ваша логика позволяла бы утверждать, что протон более сложен, чем нейтрон. Точно так же, как нейтрон может распасться на протон, электрон, антинейтрино, протон, бомбардируемый гамма-лучами (которые «почти ничто»), может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино. Но и протон не «сделан» из нейтрона и позитрона. Ситуация аналогична обратной (за исключением того, что нам нужен лишний фотон, потому что протон легче нейтрона и стабилен – или почти стабилен).

Первые доказательства существования нейтрона как незаряженной составляющей ядра с массой, приблизительно равной массе протона, на самом деле исходят из принципа исключения, низкотемпературной теплоемкости и спектров возбуждения атомарных газов. Аргумент немного тонкий, так что вам придется терпеть меня.

Во-первых, у нас есть принцип исключения для электронов: вероятность найти два разных электрона в точно таком же квантово-механическом состоянии равна нулю. Это достигается в математике квантовой механики требованием, чтобы волновые функции электрона были «антисимметричными относительно обмена». То есть, если мой «первый» электрон находится в каком-то состоянии$\left|a\right>$, а мой "второй" электрон в каком-то состоянии$\left|b\right>$, то моя общая волновая функция должна быть (с точностью до несущественной константы)

$$\left|\text{total}\right> = \left|a\right>_1 \left|b\right>_2 - \left|b\right>_1 \left|a\right>_2$$ Эта конструкция имеет два эффекта. Во-первых, если появится кто-то другой и по-разному обозначит «первый» и «второй» электроны --- или, если они поменяются местами --- тогда волновая функция $\left|\text{total}\right>$меняет знак. Это то, что подразумевается под «анти»-симметрией. Во-вторых, если два состояния $\left|a\right>$и $\left|b\right>$одинаковы, то волновая функция $\left|\text{total}\right>$тождественно равен нулю. Это часть «исключения»: просто нет допустимого описания двух электронов в одном и том же состоянии.

Какие еще частицы подчиняются принципу исключения? Молекула водорода,$\rm H_2$, хорошая система, потому что она состоит только из электронов и протонов. Молекула представляет собой ротор , энергия которого определяется квантовым числом углового момента$L$. Полный ядерный спин,$S$, не оказывает большого влияния на энергию, поскольку взаимодействие между двумя спинами протонов довольно слабое; эта слабость также делает общий спин протонов весьма устойчивым к изменениям температуры газовой фазы материала. Есть четыре способа объединения спинов протонов (опять же без учета константы нормализации):

$$\begin{align} \text{antisymmetric: } \left|S=0\right> &= \quad \left| \downarrow\uparrow \right> - \left| \uparrow\downarrow \right> \\ \text{symmetric: } \left|S=1\right> &= \left\{ \begin{array}{c} \left| \uparrow\uparrow \right> \\ \left| \downarrow\uparrow \right> + \left| \uparrow\downarrow \right> \\ \left| \downarrow\downarrow \right> \\ \end{array} \right. \end{align}$$ Поскольку существует в три раза больше способов быть симметричным, мы ожидаем, что газообразный водород при высокой температуре в конечном итоге будет иметь около 75% своих молекул в симметричном состоянии. $S=1$состояние.

При обменной симметрии состояния с четными$L$симметричны, а состояния с нечетными$L$являются антисимметричными. Если бы протон подчинялся принципу исключения, наш аргумент об общей антисимметрии предполагал бы, что молекулы водорода с$S=0$должен был иметь даже$L$, и молекулы с$S=1$должно быть только нечетное$L$, так что каждая молекула водорода антисимметрична относительно обмена. И это, собственно, то, что мы видим. В спектрах возбуждения теплого газообразного водорода переходы между состояниями с нечетными$L$встречаются примерно в три раза чаще, чем переходы между состояниями с четным$L$, и переходы, которые изменяют$L$от нечетного к четному или наоборот отсутствуют. Однако, когда вы сжижаете водород, все молекулы будут пытаться проникнуть в$L=0, S=0$основное состояние «параводорода» (переход, при котором на молекулу выделяется почти столько же тепла, сколько теплоты испарения), а недавно сжиженный теплый газообразный водород подвергается только четно-$L$переходы. Это различие между параводородом и «ортоводородом» (т.$S=1$, странный-$L$компонента) было первым свидетельством того, что протоны, как и электроны, подчиняются принципу запрета. ( Теорема о спиновой статистике появилась позже.)

Итак, давайте рассмотрим модель, в которой

• электроны подчиняются принципу исключения
• протоны подчиняются принципу исключения
• нейтрон представляет собой связанное состояние электрона и протона, которое отличается от нейтрального атома водорода по неуказанным причинам.

Мы сразу видим, что нейтрон должен вести себя при обменной симметрии иначе, чем электрон или протон. Если обмен двумя электронами приводит к изменению знака волновой функции, а обмен двумя протонами приводит к изменению знака волновой функции, то обмен двумя нейтронами должен привести к изменению знака волновой функции дважды , то есть вообще без изменений! Таким образом, такой нейтрон не подчиняется принципу запрета Паули. Мы можем использовать эту информацию, чтобы предсказать поведение других легких двухатомных газов:

• молекулы кислорода (с четным числом протонов) должны быть симметричны при обмене, а четно-$L$спектр должен преобладать над нечетным$L$спектр. Модель делает это правильно: на самом деле, в$\rm O_2$молекулы странные$L$спектр полностью отсутствует, что согласуется с ядром кислорода, имеющим полный нулевой спин.

• молекулы фтора (с нечетным числом протонов) должны быть антисимметричными при обмене и, подобно водороду, должны иметь более нечетные$L$переходы, чем даже-$L$. Модель правильно понимает и это: ядро ​​фтора имеет спин$\hbar/2$, как одинокий протон.

• молекулы азота (с нечетным числом протонов) должны быть антисимметричными при обмене и, подобно водороду, должны иметь более нечетные$L$переходы, чем даже-$L$. Здесь мы в беде: реальность наоборот, и статистика согласуется с тем, что ядро ​​азота имеет спин$\hbar$.

Современное объяснение, конечно, состоит в том, что электронно-протонная нейтронная модель неверна: нейтрон имеет спин$\hbar/2$, подчиняется принципу исключения, и обменная симметрия ядра зависит от того, является ли число нуклонов нечетным или четным, а не только от числа протонов. Конечно, нейтроны должны были быть созданы до того, как их можно было бы назвать «открытыми», но потребность в нейтральном нуклоне, подчиняющемся принципу исключения, уже была установлена.

В этот момент вы можете отступить и задаться вопросом, является ли нейтрон метастабильным связанным состоянием протона, электрона и антинейтрино. Но это открывает перед вами целый шквал других вопросов. Почему не протон и отрицательный пион? Почему любые ядра устойчивы к бета-распаду? Может ли такая модель предсказать (как это делает стандартная модель) скорости бета-распада и сечения захвата нейтрино? Почему размер нейтрона сравним с размером протона, учитывая неопределенность импульса его легких связанных составляющих? Почему взаимодействия нейтронов с ядрами вблизи энергий бета-распада могут вызывать сильные и электромагнитные взаимодействия, но не могут вызывать слабые взаимодействия? У этого списка нет конца.