Nuklearer Beta-Zerfall zu Wasserstoff

Dies kann beim nuklearen Beta-Zerfall offensichtlich nicht passieren[1] , da das Proton an den Kern gebunden bleibt, während das Elektron und das Antineutrino$\bar \nu$werden mit hoher kinetischer Energie emittiert. Das Proton kann sich also nicht mit dem ausgestoßenen Elektron zu einem Wasserstoffatom verbinden.

Dies kann aber bei freien Neutronen und nicht bei kerngebundenen Neutronen selten vorkommen.

Dieser Artikel hier spricht über diesen Prozess, der als freier Neutronenzerfall bezeichnet wird . Gemäß dem Link führen für jeweils eine Million Neutronenzerfallsereignisse im Durchschnitt nur vier zur Bildung eines Wasserstoffatoms. In solchen Fällen hat das aus dem Zerfall resultierende Elektron eine Energie kleiner als$13.6 \ eV$(Bindungsenergie des Elektrons im Wasserstoffatom) und kann sich so an das Proton binden.

Aber bei einer erheblichen Mehrheit der Zerfallsereignisse freier Neutronen hat die Energie des resultierenden Elektrons Energie$\approx 0.80 \ MeV$die deutlich höher ist als die für die oben erwähnte Bindungsenergie für den Proton + Elektron-Zustand.

[1]Nachdem ich dies alles gesagt habe, habe ich in einem obigen Kommentar von Rob festgestellt, dass es einen hypothetischen und nicht verifizierten Mechanismus für den gebundenen nuklearen Beta-Zerfall und die Bildung von Wasserstoff gibt . Die Zusammenfassung lautet

Seit vielen Jahren wird der Neutronenzerfall als möglicher Weg zur Erforschung neuer Physik untersucht. Ein solches Beispiel ist der gebundene Betazerfall (BoB) des Neutrons in ein Wasserstoffatom und ein Antineutrino. Dieser Zwei-Körper-Zerfallsmodus bietet eine sehr elegante Methode, um Neutrino-Helizitäten zu untersuchen, so wie es das Goldhaber-Experiment getan hat. Dieser seltene Zerfall wurde jedoch bisher noch nicht beobachtet, da es schwierig ist, einen Zerfall zu messen, an dem nur elektrisch neutrale Teilchen mit einem geschätzten Verzweigungsverhältnis von nur 10-6 des Dreikörper-Zerfallmodus beteiligt sind. Konkret wäre für ein solches Experiment eine starke Quelle für thermische Neutronen erforderlich, wie das FRMII in Garching, das ILL in Grenoble oder die ESS in Lund. Dieses Papier bietet eine Zusammenfassung des neuartigen experimentellen Schemas, das wir vorschlagen, um den BoB-Neutronenzerfall zu beobachten,

Und im Papier

1947 sagten Daudel, Jean und Lecoin die Existenz eines Zwei-Körper-Beta-Zerfallsmodus voraus, bei dem der Tochterkern und das Elektron gebunden bleiben (Daudel, Jean und Lecoin (1947)). Für den Beta-Zerfall des freien Neutrons wird dies als „gebundener Beta-Zerfall“ oder „BoB“ bezeichnet .

Dieses Forschungsgebiet ist mir noch nie aufgefallen und es ist sehr interessant.

Wenn ein ruhendes Teilchen zerfällt, muss sich der Impuls der Fragmente zu Null addieren, da der Impuls konstant ist, wenn keine äußere Kraft vorhanden ist. Bei einem Zweikörperzerfall bedeutet dies, dass die beiden Fragmente gleiche und entgegengesetzte Impulse haben. Bei einem Drei-Körper-Zerfall nehmen die Größen der verschiedenen Impulse je nach Winkel zwischen ihnen unterschiedliche Werte an. Die Berechnung der Details des Spektrums ist schwierig, aber die handwinkende Annäherung ist, dass jedes Fragment ungefähr die gleiche Menge an Impuls trägt.

Das bedeutet, dass fast die gesamte Energie des Zerfalls von dem massearmen Elektron und dem ultrarelativistischen Neutrino weggetragen wird: Der arme Kern trägt nur kinetische Energie$\sim p^2/2M$, während das Elektron trägt$\sim p^2/2m_e$.

Der Grund, warum wir Kernphysik von Atomphysik trennen können, liegt darin, dass die an den Wechselwirkungen beteiligten Energieskalen sehr unterschiedlich sind. Um ein Elektron von einem Wasserstoffatom zu trennen, muss man ihm mindestens 13 Elektronenvolt (eV) Energie zuführen. Aber die typische Energie in einem nuklearen Zerfall ist$10^6$eV. Bei der überwiegenden Mehrheit der Zerfälle gehen also das Elektron und der Kern in unterschiedliche Richtungen, mit zu viel Energie, als dass die elektromagnetische Kraft sie binden könnte.

Es gibt jedoch eine sehr kleine Ecke des Parameterraums, in der fast die gesamte Energie vom Neutrino weggetragen wird, wodurch der Tochterkern und das Zerfallselektron nahezu in Ruhe gelassen werden. Dies wird als „Zwei-Körper-Beta-Zerfall“ oder „gebundener Beta-Zerfall“ bezeichnet. Für das freie Neutron, dessen Beta-Zerfallsenergie bei etwa 0,8 MeV liegt, ist der gebundene Zerfall

Dieselbe Logik könnte man im Prinzip auch auf schwerere Betastrahler anwenden. Ein Kandidat könnte der Zerfall von gebundenem Tritium sein,

Sie würden niemals erwarten, einen solchen Verfall zu finden

weil es mindestens 10 MeV braucht, um ein Proton oder Neutron aus einem stabilen Kern herauszuschlagen, und Beta-Zerfälle sind normalerweise nicht so energiereich.

tl;dr Zusammenfassung: Solche Zerfälle sind vorhergesagt, selten, noch nicht beobachtet, aber nicht wirklich zweifelhaft.

Es scheint, dass Sie nach dem Zerfall eines freien Neutrons fragen, nicht nach dem Beta-Zerfall eines Radionuklids. Der Neutronenzerfall führt zur Freisetzung eines Protons, eines Elektrons und eines Antineutrinos mit jeweils kinetischer Energie, da dies ein exothermer Prozess ist (Ruhemasse des Neutrons größer als die Ruhemassen von Proton plus Elektron, Antineutrino hat die Ruhemasse Null). 0,78 MeV ist die gesamte kinetische Energie von Proton, Elektron und Antineutrino. Da das Elektron kinetische Energie hat, "entkommt" es seinem Ursprungspunkt und hat eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, sich mit dem Proton zu verbinden, um ein Wasserstoffatom zu bilden. Wenn das Elektron das umgebende Medium nicht verlässt, wird es schließlich eingefangen und bildet ein Ion innerhalb des Mediums (dasselbe gilt für das Proton).

Der Neutronenzerfall ergibt 0,782 MeV in Form von kinetischer Energie seiner Teile.

Die Ionisationsenergie des Wasserstoffs beträgt 13,6 eV.

Zerfallene Teile haben also etwa 50.000 Mal mehr Energie, als ein Wasserstoff vor der Ionisierung vertragen kann. Und die Impulserhaltung lässt diese Teilchen weiter auseinander fliegen. Da sie nicht zusammenbleiben, werden sie nicht als Wasserstoff bezeichnet.