I neutroni liberi in volo non vengono deviati dai campi elettrici.Gli oggetti che non vengono deviati dai campi elettrici sono elettricamente neutri.

L'energia della forte interazione protone-neutrone varia con la distanza in modo diverso rispetto all'energia in un'interazione elettrica.In un'interazione tra due cariche elettriche, l'energia potenziale varia con la distanza come $ 1 / r $ .Nella forte interazione, l'energia varia come $ e ^ {- r / r_0} / r $ , dove il parametro range $ r_0 $ è correlato alla massa del pione.Questa struttura significa che l'interazione forte si interrompe efficacemente a distanze molto maggiori di $ r_0 $ e spiega perché i nuclei fortemente legati sono più compatti degli atomi legati elettricamente.

Supponi che la forza nucleare forte sia stata invece causata dalle interazioni di Coulomb. Poiché sappiamo quanto sono forti le energie di legame (dell'ordine di $ \ sim 1 \ \ text {MeV} $ , come si può ricavare, ad esempio, guardando un tabella delle energie delle particelle alfa) e quanto distanti sono i nucleoni (circa un raggio di protoni, o $ a_p \ sim1 \ \ text {fm} $ ) sappiamo quanto siano carichi i neutroni devono essere.

Si fornisce una rapida stima lasciando che la carica sul neutrone sia $ - Ze $ , quindi l'energia di legame è di ordine:

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

Questo dà $ Z \ sim 0.7 $ che è solo ridicolmente grande e sarebbe stato notato in esperimenti di percorsi di neutroni in campi elettrici come indicato nella risposta di @ rob.

Vale a dire: il limite sperimentale diretto sulla carica del neutrone è abbastanza basso che l'energia di legame elettrostatico non può spiegare l'energia di legame nucleare.

La risposta di Rob è la più semplice e probabilmente la migliore, ma lasciatemi aggiungere un altro approccio.

Sappiamo che i nuclei sono fatti di protoni e neutroni. I protoni si respingono a vicenda, ma in qualche modo, se li avvicini abbastanza, si attaccano in modo estremamente forte. Questo suggerisce già che c'è un'altra forza in gioco! Quindi, anche se ignorassi completamente i neutroni, avresti bisogno di una forza forte che superi l'elettromagnetismo a distanze sufficientemente piccole. Naturalmente, il nucleo multiprotonico più semplice, il diprotone, è relativamente instabile, ma è ancora abbastanza stabile da consentire al nostro Sole di funzionare; dura abbastanza a lungo perché uno dei protoni si trasformi molto raramente in un neutrone, formando il deuterio stabile. È interessante notare che se la forza forte fosse un po 'più forte, il diprotone (He-2) sarebbe stabile.

Ora, è relativamente facile sperimentare con i neutroni: puoi sparare neutroni liberi ai bersagli e vedere cosa succede. Se spari a un elettrone attraverso una camera a nebbia, lascerà una scia lungo il suo percorso (questo è uno dei modi principali in cui osserviamo quantità molto piccole di cose). Se aggiungi un campo elettrico, il percorso dell'elettrone verrà deviato: sarà attratto o respinto dalla sorgente del campo (ad esempio un magnete). Il neutrone no.

Ma è quello che ha già detto Rob, quindi supponiamo di non poter osservare i neutroni liberi in questo modo. Il comportamento del neutrone sarebbe coerente con l'elettromagnetismo?

I neutroni per lo più non influenzano la chimica. Ma se compensassero la carica elettromagnetica dei protoni, il numero di elettroni in un atomo dipenderebbe sia dal numero di protoni e neutroni (più neutroni significherebbe meno elettroni). Non avresti isotopi (o meglio, significherebbe qualcosa di diverso). Quindi, per farlo funzionare, dovresti in qualche modo avere gli elettroni per ignorare la carica del neutrone. Questo significa già che devi avere un'altra forza, che non influisca sugli elettroni.

Ma andiamo avanti nonostante questa impossibilità. Se i neutroni avessero una forte carica elettromagnetica negativa (che in qualche modo ignora gli elettroni), sarebbero fortemente attratti dai nuclei atomici. Questo non è ciò che effettivamente osserviamo: è necessario colpire il neutrone essenzialmente in direzione del nucleo per farlo assorbire (l'area target è chiamata sezione trasversale del neutrone). I neutroni liberi non penetrerebbero molto nella materia, poiché anche i neutroni che si muovono molto velocemente verrebbero rapidamente deviati o assorbiti dai nuclei.

Sia Helium-3 che Helium-4 sono stabili. Ma hanno lo stesso numero di protoni, mentre uno ha un singolo neutrone e l'altro ne ha due. Ma se i neutroni attraggono i protoni attraverso la forza elettromagnetica, devono anche respingersi a vicenda. Indipendentemente dalla carica impostata per il neutrone, dovrebbe essere in grado di bilanciare la carica dei due protoni che cercano di respingersi a vicenda, ma allo stesso tempo, l'aggiunta di un altro neutrone dovrebbe non causare la caduta del nucleo. E ricorda che stiamo ancora ignorando gli elettroni: in qualche modo, nonostante i protoni non si respingano a vicenda grazie alla carica negativa del neutrone, gli elettroni sono ancora attratti e legati al nucleo.

Infine, se i neutroni funzionassero davvero come pensi, avremmo già la fusione nucleare! Sarebbe ancora più facile della fissione nucleare. In effetti, nel tuo scenario, la fissione nucleare sarebbe quasi impossibile, mentre la fusione sarebbe banale. Far cadere un neutrone libero in un atomo bersaglio libererebbe enormi quantità di energia. In effetti, i nuclei si raggrupperebbero insieme spontaneamente anche in condizioni standard: un nucleo di idrogeno verrebbe respinto da un altro nucleo di idrogeno, ma non appena si aggiunge un neutrone alla miscela, la sua attrazione sarebbe necessariamente molto più grande della repulsione tra i protoni. Un deuterone si combinerebbe spontaneamente con un nucleo di idrogeno libero, a temperatura e pressione ambiente, rilasciando grandi quantità di energia.

Se sostituissimo magicamente la forza forte con una carica elettromagnetica sul neutrone (mantenendo la stessa energia di legame nei nuclei esistenti), tutta la materia intorno a te collasserebbe in un nucleo massiccio a velocità vicine alla velocità della luce, rilasciando enormi quantità di energia, prima che tutto crolli in enormi buchi neri.

Per spiegare le osservazioni, è necessaria una forza molto forte tra protoni e neutroni a distanze molto brevi, ma che non influisca sugli elettroni e che cada molto rapidamente dopo una certa distanza critica. Chiamiamo quella forza la forza nucleare forte. Questa è la spiegazione più semplice che si adatta a tutti i dati osservati (e si è dimostrata più e più volte con previsioni avanzate che sono state confermate da esperimenti), quindi "vince".

È interessante notare che si ritiene che la cosiddetta forza debole sia ancora più forte della forza forte, ma solo su distanze ancora più brevi. Entrambi questi strani comportamenti sono stati fondamentali per espandere la nostra comprensione di come funziona l'universo.

Come ha sottolineato Richard Feynman nelle sue lezioni "Il carattere della legge fisica", il test finale per decidere se una teoria è corretta o meno è l'esperimento. Rob ha affermato correttamente che ci sono forti prove che suggeriscono l'interazione nulla tra un neutrone e qualche influenza elettrica esterna. Le misurazioni sulle masse e sulle cariche elettriche di diversi componenti atomici sono state effettuate con crescente accuratezza, con l'esperimento della goccia d'olio di Robert Millikan e altri simili (la camera a nebbia di Wilson) che sono stati ragionevolmente convincenti sulla natura "granulare" della carica elettrica.

Man mano che l'accuratezza iniziava a migliorare, è stato possibile testare ipotesi come la natura composta di un nucleo di un atomo, così che, prendendo a prestito dalla chimica il concetto di isotopo, gli esperimenti hanno dato forza alla proposta del neutrone come "compagno" del protone all'interno del nucleo. Ulteriori ipotesi fatte con queste nuove considerazioni furono provate sperimentalmente per essere corrette, quindi c'erano sempre più prove per pensare al neutrone come una particella senza carica elettrica netta.

Non c'è motivo di prendere questo fatto come un assioma, tuttavia; come disse una volta Einstein, "Nessuna quantità di sperimentazione potrà mai dimostrare che ho ragione; un singolo esperimento può dimostrare che ho torto". Fino ad ora, il comportamento neutro del neutrone si è dimostrato corretto.

I neutroni non sono attratti dai protoni "tanto quanto ci aspetteremmo da particelle caricate in modo opposto".

1) La forza di attrazione tra neutroni e protoni opera solo in un intervallo molto piccolo, mentre la forza tra particelle caricate in modo opposto no.

2) La forza di attrazione tra particelle caricate in modo opposto agisce come una forza di repulsione tra particelle con carica simile. I neutroni non si respingono elettricamente, quindi non possono avere una carica elettrica netta.

3) Più in generale, come ha detto Rob, le particelle cariche sono accelerate dai campi elettrici e i neutroni no.

Nonostante quanto sopra, potresti essere d'accordo sul fatto che i neutroni non hanno carica elettrica netta, ma discuti se potrebbero essere costituiti da particelle più piccole con cariche elettriche opposte che si annullano e quindi essere attratti dai protoni da una forza elettromagnetica in un modo simile all'attrazione tra atomi neutri nelle molecole. Anche questo sarebbe errato in quanto l'entità della forza forte è molto diversa.

In sintesi, non c'è fine alla giustificazione teorica e sperimentale per considerare che l'attrazione tra neutroni e protoni è qualcosa di diverso da una forza causata dalla carica elettrica.