شحنة النيوترون: كيف يكون متعادلًا رغم مكوناته المشحونة؟

الشحنة والكتلة سؤالان مختلفان

البروتون والنيوترون من مكونات النواة، ويطلق عليهما النيوكليونات. كتلة النيوترون أكبر قليلًا من كتلة البروتون، مع أن الأول متعادل والثاني موجب. الإلكترون أخف بكثير من كليهما ويحمل شحنة سالبة. إذن مقدار الكتلة ليس اختبارًا لمعرفة إشارة الشحنة. ^[1][6]

نستعمل e لمقدار الشحنة الأساسية الموجب، فتكون شحنة الإلكترون −e. جدول الشحنات هنا نسبي، وليس جدولًا لقيم الكتلة. ^[6]

كيف تجمع شحنات الكواركات؟

في الوصف الأساسي، محتوى النيوترون من كواركات التكافؤ هو علوي واحد u وسفليان d. شحنة العلوي +2e/3 وشحنة السفلي −e/3. جمعها يعطي (+2/3−1/3−1/3)e=0. اختلاف إشارات المساهمات، لا اختفاء كل مساهمة، هو الذي يفسر المحصلة. ^[2][3]

أما محتوى البروتون فهو علويان وسفلي واحد، فيكون (+2/3+2/3−1/3)e=+e. تغيير محتوى الكواركات يغير الشحنة الكلية؛ ليس البروتون نيوترونًا أضفنا إليه إلكترونًا موجبًا. ^[2][3]

هذه طريقة مختصرة لحساب الشحنة، لا نموذج ثلاث كرات ساكنة. الكواركات تتفاعل عبر الغلوونات، ولا نعاملها كجسيمات حرة يمكن نزعها واحدًا واحدًا من نيوترون. والغلوونات نفسها لا تحمل شحنة كهربائية؛ الشحنة اللونية التي تتعلق بالقوة القوية مفهوم آخر، وأسماؤها ليست ألوانًا نراها بالعين. ^[3][4]

هل يتأثر النيوترون بالمغناطيسية؟

نعم؛ للنيوترون عزم مغناطيسي رغم أن شحنته الكلية صفر. هذه خاصية مختلفة عن صافي الشحنة الكهربائية. وقد استخدمت تجارب NIST تفاعل هذا العزم مع مجال مغناطيسي لحبس نيوترونات منخفضة الطاقة. ^[5]

لذلك لا نستنتج من كلمة «متعادل» أن الجسيم لا يتفاعل مع المادة أو أي مجال. كذلك يستخدم تشتت النيوترونات في دراسة بنية المواد، إذ تكشف طاقة النيوترونات المتشتتة واتجاهاتها معلومات عن العينة. ^[1]

تحلل النيوترون وحفظ الشحنة

النيوترون الحر خارج النواة غير مستقر، ويمكن أن يتحلل إلى بروتون وإلكترون وضديد نيوترينو إلكتروني. تكتب العملية n → p + e⁻ + ν̅_e. هذا تحول مرتبط بالتفاعل الضعيف، لا انفصال إلكترون كان مخزنًا داخل النيوترون. ^[2][5]

فحص الشحنة بسيط: في البداية صفر، وفي النهاية (+1)+(-1)+0=0 بوحدة e. ظهور إلكترون سالب لا يخالف التعادل، لأن البروتون الموجب يظهر معه. لا يشرح جمع الشحنات وحده عمر التحلل أو توزيع الطاقة؛ تلك مسائل أخرى.

أما نيوترون موجود في نواة فاستقرار النواة وطاقات الحالات المتاحة مهمان. لا نعمم سلوك النيوترون الحر على كل نيوترون مرتبط داخل ذرة. ^[5]

هل زيادة النيوترونات تجعل الذرة موجبة؟

شحنة الذرة أو الأيون تحددها مقارنة عدد البروتونات بالإلكترونات: q=(N_p−N_e)e. زيادة النيوترونات لا تضيف شحنة كهربائية مباشرة، لكنها تغير العدد الكتلي والهوية النظيرية للنواة. ^[6]

في مثال عددي، نوع يحوي 6 بروتونات و 6 إلكترونات يكون متعادلًا سواء كانت نواته تحوي 6 نيوترونات أو 7. وإذا كان النوع يحوي 6 بروتونات و 5 إلكترونات، فشحنته +e. التغير الأخير متعلق بالإلكترون، لا بزيادة نيوترون.

العدد الكتلي A=N_p+N_n يعد النيوكليونات، ولا يساوي مقدار الشحنة. لهذا تختلف المعلومات التي يقدمها العدد الذري والعدد الكتلي وشحنة الأيون. ^[6]

لماذا لا نجمع كتل المكونات كما نجمع الشحنات؟

حفظ الشحنة يتيح جمع مساهماتها بهذه الصورة. لكن كتلة النيوترون لا تختزل إلى جمع كتل ثلاثة كواركات معزولة؛ طاقة التفاعلات والحركة في البناء الكواركي الغلووني تسهم في كتلة النيوكليونات. ^[4]

عندما نقرأ «صفر شحنة» فنحن نقرأ محصلة كهربائية. تبقى الكتلة والمغناطيسية والمحتوى الداخلي والتفاعل مع النواة خصائص مستقلة تحتاج أوصافها الخاصة.