Coulomb-Barriere und Protonenverdampfung

Warum verdampfen Neutronen leichter aus Kernen als Protonen?

Da Protonen elektrostatisch abgestoßen werden (zusätzlich zu den Kernkräften, die sie mit Neutronen gemeinsam haben), würde man intuitiv erwarten, dass Protonen leichter ausgestoßen werden als Neutronen. (Vielleicht passiert das sogar bei kleinen Kernen, aber anscheinend nicht bei großen Kernen.)

Es scheint allgemein gesagt zu sein, dass die Coulomb-Kraft/Barriere dazu dient, die Protonen einzudämmen. Was kontraintuitiv ist.

Andererseits erkennen zumindest einige Lehrbücher an, dass die Coulomb-Kraft versucht, Protonen von anderen im Kern wegzudrücken, und daraus schließen sie, dass die Kernkraft (z. B. starke Restkraft) stärker auf Protonen einwirken muss als auf sie Neutronen. (Zumindest in großen Kernen, "betastabilen Kernen", Kernen mit einem Überschuss an Neutronen..) Wie unterscheidet diese Kernkraft also zwischen Protonen und Neutronen?

Antworten (2)

Ihre Intuition über die Ladungsabstoßung und die starke Kraft, die auf Protonen wirkt, ist weniger wichtig, als Sie denken. Die starke Kernkraft ist einige Größenordnungen größer als der Elektromagnetismus, also trägt die Coulomb-Abstoßung nicht viel bei.

Am wichtigsten ist die Kernbindungsenergie, um ein Proton vom Kern zu trennen. Wenn das resultierende System unterhalb der Protonentrennungsenergie liegt, kann das Proton austunneln. Weitere Informationen hierzu finden Sie unter Protonenemission und Protonen-Tropfleitung . Es kommt vor, aber denken Sie daran, dass Neutronenemission ebenfalls selten ist. β + Und β − und Alpha-Emission sind viel häufiger.

Ist die Bindungsenergie eines Alphateilchens nicht geringer als die eines Protons? Ich meine, so funktioniert die Fusion in Sternen. Wenn also ein Kern die Wahl hätte, würde er lieber ein Alpha-Teilchen abwerfen, und das passiert häufiger als Neutronen, daher denke ich, dass die Kernemissionen bei absoluter Vorsicht durchaus Sinn machen.
@AlanSE: Das ist nicht ganz richtig. Siehe diese Frage: physical.stackexchange.com/questions/61699/…
@BenCrowell Es gibt 3 relevante Teile des Bildes, das ich hier sehe. Es gibt den Q-Wert, es gibt mehr oder weniger die Coulomb-Quantentunnelbarriere, die niedrigere Ladungen begünstigt (was ich oben übersehen habe), und es gibt eine Art anthropisches Prinzip. Wenn ein Kern es für energetisch günstig hielt, durch Neutronenemission zu zerfallen, hätte er dies wahrscheinlich bereits getan. Da wir an tatsächlich existierenden Kernen interessiert sind, wollen wir etwas über Zerfälle wissen, die Halbwertszeiten in der Größenordnung von etwa 10 Milliarden Jahren haben. Um diesen letzten Punkt zu erklären, ist wahrscheinlich mehr Forschung erforderlich, als ich getan habe.
@AlanSE: Das hat nichts mit dem anthropischen Prinzip zu tun. Das anthropische Prinzip wäre relevant, wenn wir diskutieren würden, welche Kerne unter einigen alternativen physikalischen Gesetzen in einem anderen Teil der Stringtheorielandschaft, in einer anderen kosmologischen Epoche usw. existieren würden.
@BenCrowell Ich denke, das ist eine zu spezifische Definition für dieses Wort, es gibt einfache anthropische Beobachtungen, die sich völlig vom anthropischen Prinzip unterscheiden. Aber vielleicht bin ich derjenige, der den Umfang des Wortes zu weit ausdehnt. Wie würden Sie die Beobachtung nennen?

"Warum verdampfen Neutronen leichter aus Kernen als Protonen?"

Das stimmt im Allgemeinen nicht. In hängt stark davon ab, wo sich der Kern relativ zur Neutronen-Tropflinie und zur Protonen-Tropflinie befindet. Sie hängt auch von Z ab und davon, wie angeregt der Kern ist.

Ein kalter Kern, der sich jenseits der Neutronen-Tropflinie befindet, emittiert in sehr kurzer Zeit ein Neutron, in der Größenordnung der Zeit, die ein Neutron benötigt, um eine Strecke zurückzulegen, die dem Durchmesser des Kerns entspricht. Ein kalter Kern, der sich jenseits der Protonen-Tropflinie befindet, zerfällt normalerweise durch Protonenemission, aber die Zeitskala wird viel länger sein, weil das Proton durch die Coulomb-Barriere tunneln muss.

Es ist nicht intuitiv, aber wahr, dass, obwohl die elektrische Kraft zwischen Protonen abstoßend ist, die Existenz der elektrischen Potentialbarriere die Rate der Protonenemission verringert. Diese Frage geht darauf ein: Tunneln von Alphateilchen

"Zumindest einige Lehrbücher [...] schließen daraus, dass die Kernkraft [...] stärker auf Protonen wirken muss als auf Neutronen. [...] Wie unterscheidet diese Kernkraft also zwischen Protonen und Neutronen? "

Nein, das ist falsch, und Lehrbücher sagen das nicht. Was die Symmetrie (Isospin-Symmetrie) zwischen Neutronen und Protonen bricht, ist die elektromagnetische Wechselwirkung, nicht irgendeine Isospin-Verletzung durch die starke Kraft.

Coulomb-Barriere und Protonenverdampfung
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