Welche Experimente haben oder können die Existenz eines Elektron-Teilchen-"Systems" über die separate Existenz eines Neutrons in sich selbst widerlegen?

Das Neutron ist keineswegs aus einem Proton und einem Elektron "zusammengesetzt". Es kann in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino zerfallen . Aber das bedeutet nicht, dass diese drei Teilchen zu Beginn im Neutron buchstäblich koexistieren. Stattdessen beinhaltet der Zerfall eine echte Umwandlung von Elementarteilchen. Das einzige, was man wegen des Zerfalls sagen kann, ist, dass das Neutron den gleichen Wert an Erhaltungsladungen enthält (und mindestens so viel Energie wie) die Vereinigung von "Proton, Elektron und Antineutrino".

Solche Transmutationen finden laut Quantenfeldtheorie ständig statt. Teilchen können sogar aus reiner Energie (aus dem Nichts) erschaffen und zu reiner Energie vernichtet werden. Wenn zum Beispiel zwei Protonen am LHC kollidieren, beträgt ihre Gesamtenergie 13 TeV (nun, das wird in Wochen sein) und 10 neue Protonen, 15 neue Antiprotonen, einige Neutronen, Antineutronen, Positronen und viele Neutrinos können erzeugt werden. ganz zu schweigen von Pionen und Myonen. Das ist banal und erlaubt, weil die Erhaltungssätze – für elektrische Ladung, Energie und Impuls – leicht eingehalten werden. Energie – die kinetische Energie der kollidierenden Protonen – kann laut Einstein die Form der Masse neuer Teilchen annehmen$E=mc^2$. Da die Natur zulässt, dass „einzelne Teilchen“ sowohl erzeugt als auch vernichtet werden, lässt sie auch zu, dass sich ihr „Typ“ ändert (diese Änderung kann als eine Kombination aus Vernichtung und Erzeugung angesehen werden), und der Protonenzerfall ist ein Beispiel dafür ändern.

Das aus einem Proton und einem Elektron bestehende Objekt wird als Wasserstoffatom bezeichnet. Man kann viele Experimente machen, die beweisen, dass das Neutron kein Wasserstoffatom ist. Beispielsweise kann das Wasserstoffatom durch 13,6 eV-Strahlung ionisiert werden, aber das Neutron kümmert sich überhaupt nicht um eine solche niederenergetische Strahlung.

Das Neutron ist so klein wie das Proton selbst. Das Wasserstoffatom – das neben dem Proton das zusätzliche Elektron enthält – ist etwa 10.000 Mal größer. Dies hat zur Folge, dass sich das Neutron wie ein ungeladener Kern verhält und keine atomphysikalischen Phänomene aufweist, sondern nur Kernphysik, während gebundene Zustände mit Elektronen immer atomphysikalische (chemische ...) Eigenschaften haben.

Es ist das Vorhandensein des Elektrons im Atom, das das Objekt ziemlich groß macht. Die Atome sind dank der Unschärferelation groß. Damit ein Lichtteilchen wie ein Elektron der Unschärferelation gehorcht, führt eine begrenzte kinetische Energie – ein stark begrenzter Impuls – zu einer enormen Unsicherheit in der Position und dieser Unsicherheit$\Delta x$bestimmt die Größe des Atoms. Es gibt keine Elektronen in einem Neutron, daher besteht keine Notwendigkeit, solche Elektronen auf einen kleinen Raum zu "quetschen".

Laut QCD, Quantenchromodynamik, besteht ein Proton aus 2 Up-Quarks und 1 Down-Quark, während ein Neutron aus 2 Down-Quarks und 1 Up-Quark besteht (plus viele Gluonen und Teilchen-Antiteilchen-Paare usw., in beide Fälle). Aus dieser QCD-Sicht sind das Proton und das Neutron genau gleich "zusammengesetzt" (nicht zu elementar). Keiner von ihnen enthält ein Elektron.

Tatsächlich würde Ihre Logik auch ohne QCD die Behauptung zulassen, dass das Proton zusammengesetzter ist als das Neutron. So wie ein Neutron in ein Proton, ein Elektron oder ein Antineutrino zerfallen kann, kann ein von Gammastrahlen (die "fast nichts" sind) bombardiertes Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino zerfallen. Aber das Proton besteht auch nicht aus einem Neutron und einem Positron. Die Situation ist analog zur umgekehrten (außer dass wir das zusätzliche Photon brauchten, weil das Proton leichter als das Neutron und stabil – oder fast stabil) war.

Einen frühen Hinweis auf das Neutron als ungeladenen Kernbestandteil mit etwa der Masse des Protons liefern tatsächlich das Ausschlussprinzip, die Tieftemperaturwärmekapazitäten und Anregungsspektren von atomaren Gasen. Das Argument ist ein bisschen subtil, also müssen Sie mich ertragen.

Erstens haben wir das Ausschlussprinzip für Elektronen: Die Wahrscheinlichkeit, zwei verschiedene Elektronen in genau demselben quantenmechanischen Zustand zu finden, ist null. Dies wird in der Mathematik der Quantenmechanik erreicht, indem gefordert wird, dass Elektronenwellenfunktionen „antisymmetrisch unter Austausch“ sind. Das heißt, wenn ich mein "erstes" Elektron in einem bestimmten Zustand habe$\left|a\right>$, und mein "zweites" Elektron in einem bestimmten Zustand$\left|b\right>$, dann muss meine totale Wellenfunktion sein (bis auf eine irrelevante Konstante)

$$\left|\text{total}\right> = \left|a\right>_1 \left|b\right>_2 - \left|b\right>_1 \left|a\right>_2$$ Diese Konstruktion hat zwei Effekte. Erstens, wenn jemand anders daherkommt und die "ersten" und "zweiten" Elektronen anders bezeichnet --- oder wenn sie die Plätze tauschen --- dann die Wellenfunktion $\left|\text{total}\right>$ändert das Vorzeichen. Das ist mit "Anti"-Symmetrie gemeint. Zweitens, wenn die beiden Staaten $\left|a\right>$Und $\left|b\right>$gleich sind, dann die Wellenfunktion $\left|\text{total}\right>$ist identisch Null. Dies ist der „Ausschluss“-Teil: Es gibt einfach keine zulässige Beschreibung von zwei Elektronen im selben Zustand.

Welche anderen Teilchen gehorchen nun dem Ausschlussprinzip? Das Wasserstoffmolekül,$\rm H_2$, ist ein nettes System, weil es nur aus Elektronen und Protonen besteht. Das Molekül ist ein Rotor , dessen Energie durch die Drehimpulsquantenzahl bestimmt wird$L$. Der totale Kernspin,$S$, hat keinen großen Einfluss auf die Energie, da die Wechselwirkung zwischen den beiden Protonenspins ziemlich schwach ist; Diese Schwäche macht auch den Gesamtspin der Protonen ziemlich stabil gegenüber Temperaturänderungen der Gasphase des Materials. Es gibt vier Möglichkeiten, wie sich die Protonenspins kombinieren lassen (wiederum eine Normalisierungskonstante ignorieren):

$$\begin{align} \text{antisymmetric: } \left|S=0\right> &= \quad \left| \downarrow\uparrow \right> - \left| \uparrow\downarrow \right> \\ \text{symmetric: } \left|S=1\right> &= \left\{ \begin{array}{c} \left| \uparrow\uparrow \right> \\ \left| \downarrow\uparrow \right> + \left| \uparrow\downarrow \right> \\ \left| \downarrow\downarrow \right> \\ \end{array} \right. \end{align}$$ Da es dreimal so viele Möglichkeiten gibt, symmetrisch zu sein, erwarten wir, dass Wasserstoffgas bei hoher Temperatur schließlich etwa 75 % seiner Moleküle symmetrisch haben wird $S=1$Zustand.

Unter Austauschsymmetrie Zustände mit gerade$L$sind symmetrisch, während Zustände mit ungeraden$L$sind antisymmetrisch. Wenn das Proton dem Ausschlussprinzip gehorche, würde unser Argument über die allgemeine Antisymmetrie darauf hindeuten, dass Wasserstoffmoleküle mit$S=0$sollte nur sogar haben$L$, und Moleküle mit$S=1$sollte nur ungerade haben$L$, so dass jedes Wasserstoffmolekül unter Austausch antisymmetrisch ist. Und das sehen wir tatsächlich. In den Anregungsspektren von warmem Wasserstoffgas sind die Zustandsübergänge ungerade$L$sind etwa dreimal häufiger als Übergänge zwischen Zuständen mit geraden Zuständen$L$, und Übergänge, die sich ändern$L$von ungerade nach gerade oder umgekehrt fehlen. Wenn Sie jedoch Wasserstoff verflüssigen, werden alle Moleküle versuchen, in den Wasserstoff einzudringen$L=0, S=0$"Parawasserstoff"-Grundzustand (ein Übergang, der fast so viel Wärme pro Molekül freisetzt wie die Verdampfungswärme), und kürzlich verflüssigtes warmes Wasserstoffgas erfährt nur den gleichmäßigen$L$Übergänge. Diese Unterscheidung zwischen Parawasserstoff und "Orthowasserstoff" (der$S=1$, seltsam-$L$Komponente) war der erste Beweis dafür, dass Protonen wie Elektronen dem Ausschlussprinzip gehorchen. (Das Spin-Statistik-Theorem kam später.)

Betrachten wir also ein Modell, bei dem

• Elektronen gehorchen dem Ausschlussprinzip
• Protonen gehorchen dem Ausschlussprinzip
• das Neutron ist ein Elektron-Proton-gebundener Zustand, der sich aus nicht näher bezeichneten Gründen vom neutralen Wasserstoffatom unterscheidet.

Wir sehen sofort, dass sich das Neutron unter Austauschsymmetrie anders verhalten muss als das Elektron oder Proton. Wenn der Austausch von zwei Elektronen das Vorzeichen einer Wellenfunktion ändert und der Austausch von zwei Protonen das Vorzeichen einer Wellenfunktion ändert, dann muss der Austausch von zwei Neutronen das Vorzeichen der Wellenfunktion zweimal ändern – das heißt, überhaupt keine Änderung! Ein solches Neutron gehorcht also nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip. Wir können diese Informationen verwenden, um das Verhalten der anderen leichten zweiatomigen Gase vorherzusagen:

• Sauerstoffmoleküle (mit einer geraden Anzahl von Protonen) sollten unter Austausch symmetrisch sein, und die geraden$L$Spektrum sollte über die ungeraden dominieren$L$Spektrum. Das Modell macht das richtig: in der Tat$\rm O_2$Moleküle die ungerade-$L$Das Spektrum fehlt vollständig, was damit übereinstimmt, dass der Sauerstoffkern einen Gesamtspin von Null hat.

• Fluormoleküle (mit einer ungeraden Anzahl von Protonen) sollten unter Austausch antisymmetrisch sein und sollten wie Wasserstoff mehr ungerade$L$Übergänge als gerade-$L$. Auch hier liegt das Modell richtig: Der Fluorkern hat einen Spin$\hbar/2$, wie das einsame Proton.

• Stickstoffmoleküle (mit einer ungeraden Anzahl von Protonen) sollten unter Austausch antisymmetrisch sein und sollten wie Wasserstoff mehr ungerade$L$Übergänge als gerade-$L$. Hier sind wir in Schwierigkeiten: Die Realität ist umgekehrt, und die Statistiken stimmen damit überein, dass der Stickstoffkern einen Spin von hat$\hbar$.

Die heutige Erklärung ist natürlich, dass das Elektron-Proton-Neutron-Modell falsch ist: Das Neutron hat einen Spin$\hbar/2$, gehorcht dem Ausschlussprinzip, und die Austauschsymmetrie eines Kerns hängt davon ab, ob die Anzahl der Nukleonen ungerade oder gerade ist, und nicht nur von der Anzahl der Protonen. Natürlich mussten Neutronen erzeugt werden, bevor sie als „entdeckt“ bezeichnet werden konnten, aber die Notwendigkeit eines neutralen Nukleons, das dem Ausschlussprinzip gehorcht, war bereits bekannt.

An dieser Stelle möchten Sie vielleicht einen Schritt zurücktreten und sich fragen, ob das Neutron ein metastabiler Bindungszustand von Proton, Elektron und Antineutrino ist. Aber das eröffnet Ihnen eine ganze Reihe weiterer Fragen. Warum nicht ein Proton und ein negatives Pion? Warum sind Kerne gegen Beta-Zerfall stabil? Kann ein solches Modell (wie es das Standardmodell tut) Beta-Zerfallsraten und Wirkungsquerschnitte für den Neutrinoeinfang vorhersagen? Warum ist die Größe des Neutrons vergleichbar mit der Größe des Protons angesichts der Ungewissheit des Impulses für seine leichtgewichtigen gebundenen Bestandteile? Warum können Neutronenkern-Wechselwirkungen in der Nähe von Beta-Zerfallsenergien starke und elektromagnetische Wechselwirkungen auslösen, aber keine schwachen Wechselwirkungen? Die Liste geht weiter und weiter.