Können ein Elektron und ein Proton künstlich oder natürlich zu einem Neutron verschmolzen werden?

Die Ein-Wort-Antwort ist ja.

Sie haben auch Recht, dass das Neutron nicht nur ein Zusammenleben von Proton und Elektron ist. Der Prozess der Verschmelzung von Proton und Elektron verläuft über die schwache Kraft. Konkret tauscht ein Up-Quark im Proton ein W-Boson mit dem Elektron aus. Das W-Boson trägt eine Einheit positiver Ladung vom Quark zum Elektron. Dabei wird das Up-Quark (Ladung +2/3) in ein Down-Quark (Ladung -1/3) umgewandelt, sodass aus dem Proton (uud) ein Neutron (udd) wird. Das negativ geladene Elektron wird in ein Neutrino umgewandelt. Dies ist ein wichtiger Punkt, der in Ihrer Frage ausgelassen wurde. Die volle Reaktion ist$p+e^-\to n+\nu_e$.

Es gibt ein allgemeines Prinzip der Quantenfeldtheorie namens Kreuzsymmetrie , das grob besagt, dass ich für jeden Prozess das austauschen kann, was ich Anfangs- und Endteilchen nenne. Sie haben also Recht mit dem Neutronenzerfall$n\to p+ e^- + \bar\nu_e$impliziert, dass der Prozess$p+e^-\to n+\nu_e$kann auch passieren.

Dieser Vorgang findet auch in der Natur statt. Es ist eine Art des radioaktiven Zerfalls von Kernen. Einige Kerne mit einer ausreichend großen Anzahl von Protonen können stabiler werden, indem sie eines ihrer Elektronen absorbieren und ein Proton in ein Neutron umwandeln. Dies kann passieren, weil Elektronenorbitale eine kleine, aber von Null verschiedene Überlappung mit dem Kern haben, so dass sie mit den Protonen "manchmal in Kontakt kommen".

Dieser Prozess kann auch künstlich stattfinden, wie Sie vorschlagen. Tatsächlich scheint es, dass Beschleuniger, die in medizinischen Einrichtungen verwendet werden, Neutronen als Nebenprodukt produzieren, genau wie Sie vorschlagen, und dies ist anscheinend eine Schwierigkeit, die angegangen werden muss, siehe dieses Papier .

Da der Massenunterschied zwischen dem Proton und dem Neutron ungefähr ein MeV beträgt, wird es im Allgemeinen in jedem System, das Protonen und Elektronen bei einer Temperatur in der Größenordnung von einem MeV oder höher enthält, zwangsläufig Populationen sowohl von Neutronen als auch von Protonen geben, die durch solche miteinander verbunden sind Prozesse, wobei die relativen Mengen durch die relevanten Boltzmann-Faktoren bestimmt werden. Dies sollte Systeme einschließen, in denen eine thermische Fusion stattfindet.

Der eigentliche Prozess der Herstellung von Helium aus Wasserstoff hängt jedoch meines Wissens nicht davon ab, ein Elektron an einem Proton einzufangen, um ein Neutron zu bilden. Bei der stellaren Nukleosynthese verschmelzen zwei Protonen zu Deuterium. Das heißt, beim Verschmelzungsprozess wird ein Proton durch die Emission eines Positrons und eines Neutrinos in ein Neutron umgewandelt. Helium-2 (zwei Protonen) ist sehr instabil, so dass diese Proton-zu-Neutron-Umwandlung, die stabiles Deuterium erzeugt, wichtiger ist.

Der Neutronenzerfall ist zeitinvariant, also wenn man das hat

auch der umgekehrte Vorgang

ist möglich. Eigentlich ist das einlaufende Antineutrino nicht nötig, weil wegen Kreuzungssymmetrie auch der Prozess

ist möglich. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Elektronenenergie im richtigen Bereich liegt, dh eine Energie von einigen MeV hat, um den Massenunterschied zwischen dem um etwa 1,3 MeV leichteren Proton als dem Neutron auszugleichen und um dem jetzt austretenden Neutrino etwas Energie zuzuführen (eigentlich ist nur wenig Energie notwendig). Die Elektronenenergie sollte nicht zu hoch sein, um tiefinelastische Streuung zu vermeiden.

Es stellt sich die Frage, wie man effektiv Neutronen erzeugt. Das Schießen von Elektronen auf Wasserstoffatome ist ziemlich ineffizient, da die meisten Elektronen dem Proton/Kern nicht wirklich nahe kommen. Das Schießen von Elektronen auf Urankerne ist effizienter, da der Kern bereits 92 Protonen enthält. Es können jedoch andere Probleme auftreten (Radioaktivität).

Um die Frage zu beantworten, ob dies natürlich geschieht: Ja. Folgendes passiert bei der Neutronenentartung in Neutronensternen :

Die Neutronenentartung ist analog zur Elektronenentartung und wird in Neutronensternen demonstriert, die teilweise durch den Druck eines entarteten Neutronengases gestützt werden. Der Kollaps findet statt, wenn der Kern eines Weißen Zwergs etwa 1,4 Sonnenmassen überschreitet , was die Chandrasekhar-Grenze ist , über der der Kollaps nicht mehr durch den Druck entarteter Elektronen gestoppt wird . Wenn der Stern kollabiert, steigt die Fermi-Energie der Elektronen bis zu dem Punkt, an dem es für sie energetisch günstig ist, sich mit Protonen zu verbinden, um Neutronen zu erzeugen (über inversen Beta-Zerfall , auch Elektroneneinfang genannt ). Das Ergebnis ist ein extrem kompakter Stern, der aus Kernmaterie besteht, das überwiegend ein entartetes Neutronengas ist, manchmal auch Neutronium genannt , mit einer kleinen Beimischung von entarteten Protonen- und Elektronengasen.

Sie haben Recht, dass ein Neutron nicht einfach die "Verschmelzung" von Elektron und Proton ist, sondern es gibt einen solchen Prozess, wenn ein Elektron und ein Proton ein Neutron bilden. Beispielsweise ist dies ein möglicher Zerfallsweg für protonenreiche Atome und wird in diesem Fall als (K-)Elektroneneinfang bezeichnet.

Aber für mich scheint es ein sehr seltener Prozess zu sein, Neutronen bei Elektron-Proton-Kollisionen zu erzeugen, indem Elektronen in Wasserstoffgas / Plasma geschossen werden. Ich denke, die Elektronen und Protonen sollten für eine "lange" Zeit sehr nahe beieinander sein, was in diesem Aufbau nicht der Fall ist, aber ich bin mir nicht ganz sicher.

Bei der Fusion ist die Quelle von Neutronen entweder der Zerfall von Protonen (in protonenreichen Kernen) in Neutronen und Positronen (positiver Beta-Zerfall ) oder Proton-Proton-"Kollisionen", die Deuterium erzeugen.