Proton: 2 up, 1 down Quark, Neutron: 2 down, 1 up, wie kann Neutron: Proton + Elektron?

Ich kann mir vorstellen, dass es eine ziemlich einfache Antwort auf meine Frage gibt, aber ich habe es einfach nie richtig verstanden. Wenn ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down besteht und Neutronen aus zwei Down- und einem Up-Quark bestehen, wie kann ein Neutron dann ein Proton und ein Elektron sein?

Antworten (3)

Ein Neutron ist nicht "ein Proton und ein Elektron". Ein Neutron besteht nicht aus einem Proton und einem Elektron innerhalb des Neutrons.

In der Quantenmechanik können Teilchen erscheinen und verschwinden oder sich in andere Teilchen verwandeln. Beim Neutron kann eines der Down-Quarks durch Aussendung eines W-Bosons in ein Up-Quark zerfallen und sich in ein Proton verwandeln. Das W-Boson zerfällt schnell in ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Das neue up-Quark existierte nicht, bis sich das down-Quark in es verwandelte. Das W-Boson ist ein sogenanntes virtuelles Teilchen. Es existiert nicht im klassischen Sinne, es ist nur irgendwie dort in der mehrdeutigen Region der Raumzeit, wo der Zerfall stattfindet. Elektron und Antineutrino existierten bis zum Zerfall nicht.

Hier ist ein Feynman-Diagramm des Prozesses von hier :

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Warum sagen Sie, dass das W-Boson im klassischen Sinne nicht existiert? Wir können Up- oder Down-Quarks auch nicht einzeln beobachten, aber Sie würden sagen, dass sie buchstäblich existieren, oder? Existieren W-Bosonen nicht in demselben Sinne, nur dass der Zerfall zu schnell ist, als dass wir ihn erkennen könnten?
Das W-Boson existiert, aber es wird niemals ein W-Boson geben, das kein virtuelles Teilchen ist. Es gibt Up- und Down-Quarks, die keine virtuellen Teilchen sind.
Ich verstehe nicht, was Sie mit "virtuelles Teilchen" und "im klassischen Sinne" meinen. Es scheint, dass "virtuelles Teilchen" nur bedeutet, dass es nicht erkannt werden kann, nicht, dass es nicht existiert.
@ user21820 das W-Boson in diesem Diagramm ist massiver als Neutron, Proton, Elektron und Neutrino zusammen - und es ist auch nicht nur "ein bisschen massiver"; es ist etwa 80-mal massereicher als das Neutron im Diagramm. Es ist also nicht genug Energie vorhanden, um ein buchstäbliches W-Boson zu erzeugen. Was wirklich passiert, ist ein Phänomen namens Quantentunneln, das besagt: „Obwohl die Quantenmechanik in ihren Endergebnissen der Energieerhaltung gehorcht, kann die Wahrscheinlichkeit dieser Endergebnisse durch Prozesse beeinflusst werden, die die Energieerhaltung in Zwischenstufen verletzen. "
@CRDrost: Nun, wir glauben auch, dass sich Teilchen-Antiteilchen-Paare spontan in der Nähe des Horizonts eines Schwarzen Lochs bilden und dass sie getrennt werden können, wodurch das Schwarze Loch an Masse verliert. Ich verstehe nicht, warum sie als nicht existierend angesehen werden sollten. Sie bilden sich aus der Energie des Raum-Zeit-Kontinuums, haben also die Energieerhaltung nicht verletzt. In ähnlicher Weise kann sich das W-Boson durch Energieaufnahme bilden und die Energie würde nach dem Zerfall zurückgegeben. Es sei denn, Sie sagen, dass das W-Boson nur ein mathematisches Konzept und überhaupt kein Teilchen ist.
@user21820 Ein virtuelles Partikel ist jedes Partikel, das am Anfang oder Ende einer Interaktion nicht existiert. Sie sind nichts weiter als ein mathematisches Konstrukt. Sie sind das, was man Shell nennt, was bedeutet, dass ihre Energie, Masse und ihr Impuls nicht dem Üblichen gehorchen m 2 = E 2 − p 2 Beziehung, der auf der Schale reale Teilchen gehorchen. Die Idee, "Energie aus dem Universum zu leihen", ist eine grobe Vereinfachung, die das, was wirklich vor sich geht, stark verzerrt.
@JohnathanGross: Hast du ein konkretes Beispiel, wo ein virtuelles Teilchen nicht durch geliehene Energie erklärt werden kann? Ich denke nicht, dass Ihre Definition von "virtuellem Partikel" sinnvoll ist. Es ist genauso, als würde man sagen, dass unsere Kommentare nicht existierten, wenn sie vom Moderator gelöscht werden, nur weil sie zu Beginn und am Ende unseres Gesprächs nicht vorhanden sind.
@user21820 Am Ende musst du entscheiden, was es bedeutet zu "existieren". Sie können sagen, dass jedes Zwischenteilchen "existiert", aber durch Quantentunneln beinhaltet jeder mögliche Prozess - selbst nur ein Elektron, das sich in einer geraden Linie bewegt - jedes mögliche Teilchen, das erzeugt und zerstört wird, und diese tragen sehr, sehr kleine Korrekturen dazu bei wie sich das elektron bewegt. Wir definieren also, dass etwas „existiert“, wenn es vernünftig ist, davon zu sprechen, dass es von alleine reist. Es funktioniert mathematisch, dass Teilchen nur dann von alleine reisen können, wenn sie gehorchen m 2 = E 2 − p 2 .
@ user21820 "Energie leihen" ist nicht real, also sind Dinge, die nur durch "Energie leihen" erklärt werden, auch nicht real.
Die vielleicht wichtigste Unterscheidung ist die folgende: Ein „echtes“ Teilchen hat das Potenzial, zu bestehen. Ein virtuelles Teilchen kann von dem Moment an, in dem es „erzeugt“ wird, nur vorübergehend sein. Es ist nicht so, dass es instabil ist, sondern dass es tatsächlich keinen partikelähnlichen Zustand annimmt. Wenn zwei Wellen in der Mitte des Ozeans zusammenstoßen und Wasser nach oben spritzen, sagt man nicht, dass jedes kleine Tröpfchen in der Luft eine „kleine, vorübergehende Welle“ ist: Sie sind wirklich dazu verdammt, nur im Moment des Wellenschlags einen Beitrag zu leisten zur Dynamik genau dort, und dann verschwinden. Kontrast zu Wellen, die langsam auslaufen, während sie sich fortbewegen.
@AlexMeiburg: Weder Jonathan noch Sie haben eine konkrete Instanz eines virtuellen Teilchens bereitgestellt, das nicht durch geliehene Energie erklärt werden kann. Es ist albern, von Meereswellen als passende Analogie zu sprechen, genauso wie zu sagen, dass viele Krümel einen Kuchen ergeben, aber nicht jeder Krümel ein Kuchen ist. Sie haben auch nicht die Tatsache angesprochen, dass die Hawking-Strahlung erfordert, dass die sogenannten "virtuellen Teilchen" manchmal bestehen bleiben, im Gegensatz zu Ihrer Behauptung, dass ein virtuelles Teilchen nur vorübergehend sein kann. Und nur weil Sie nicht gesehen haben, dass ein W-Boson bestehen bleibt, heißt das nicht, dass es nicht existiert hat; Sie haben auch nicht gesehen, dass der Urknall bestehen bleibt ...
@ user21820 Warum sollten wir ein Gegenbeispiel zu einer schlechten Analogie liefern? "Energie ausleihen" ist nicht das Verhalten virtueller Teilchen. Ende der Geschichte. Wenn Sie die Details wollen, nehmen Sie ein oder zwei Semester QFT auf Graduiertenniveau. Und ungeachtet dessen, was Pop-Science-Magazine es nennen, handelt es sich bei der Hawking-Strahlung nicht um virtuelle Teilchen.

Ein Neutron ist nicht ein Proton und ein Elektron.

Die am Beta-Zerfall beteiligte Reaktion ist

n → p + e − + v ¯ e
wo v ¯ e ist ein Elektron-Antineutrino.

Aber selbst das bedeutet nicht, dass ein Neutron ein Proton plus ein Elektron plus ein Antineutrino ist. Das bedeutet, dass die Quantenzahlen eines Neutrons die gleichen sind wie ein Zustand, der aus einem Proton, einem Elektron und einem Elektron-Anti-Neutrino mit der richtigen Drehimpulsbeziehung besteht. Und das plus die Tatsache, dass die Massenenergie eines Neutrons die der Produkte übersteigt, bedeutet, dass der Zerfall sowohl erlaubt als auch obligatorisch ist.

Wahl von „obligatorisch“ durch Gesetz oder Mandat vorgeschrieben; obligatorisch ist faszinierend. Zwangsverfall. Vielleicht ist "unvermeidlich" weniger anthropomorph?
Ich denke, das Wort "obligatorisch" ist ein wenig irreführend. Für diesen Vorgang gibt es eine charakteristische Zerfallszeit (etwa 15 Minuten für ein freies Neutron, viel länger, wenn das Neutron durch die starke Kraft benachbarter Hadronen in einem Atomkern stabilisiert wird). Über Zeitskalen, die viel länger als diese Zerfallszeit sind, kommt die Wahrscheinlichkeit, dass der Zerfall auftritt, willkürlich nahe an 100% heran, wird aber nie genau 100% - es gibt immer eine winzige Wahrscheinlichkeit, dass das Neutron über einen beliebig langen Zeitraum nicht zerfällt.
"Obligatorisch" war ein Hinweis auf das totalitäre Prinzip von Gell Man , obwohl ich mich, als uhoh bemerkte, falsch an das Zitat erinnerte.
@dmckee Ich habe "obligatorisch" als Humor vorgeschlagen, es ist ein dummes Glück, dass sich herausstellt, dass es genau der Begriff von Gell-Mann ist! Vielen Dank für die Geschichte der QM -Min-Lektion – „totalitär“ klingt in Anbetracht der Ära noch beängstigender :)
Vielen Dank, dass Sie meine Frage beantwortet und meine Missverständnisse beseitigt haben. Super hilfreich

Die anderen Antworten sind richtig, aber ich möchte auch die gegenteilige Aussage anbieten: Ein Neutron ist ein Proton plus ein Elektron.

Eine wunderbare Sache an der Kern- und Teilchenphysik ist, dass man mit Teilchen „rechnen“ kann. In gewisser Weise kann man sagen, dass sich ein Proton und ein Elektron zu einem Neutron addieren, p + e − = n . Das ist, was Sie im Beta-Zerfall haben (wenn Ihnen etwas fehlt, haben Sie Geduld mit mir). Sie können aber auch "auf beiden Seiten das Gleiche tun" wie in der Mathematik (auch bekannt als Äquivalenztransformationen). Fügen wir ein Positron hinzu:

n = p + e − | + e + ⇒ n + e + = p + e − + e + = p

Beachten Sie, dass sich das Positron und das Elektron aufheben. Die resultierende Formel p = n + e + kann auch in der Natur vorkommen und wird als Beta-Plus-Zerfall bezeichnet. Sie können alle Arten von Transformationen durchführen, zum Beispiel Teilchen subtrahieren (was dasselbe ist wie Antiteilchen hinzufügen). Sie können ein Elektron auch in ein Myon verwandeln, indem Sie ein Elektron-Neutrino entfernen und ein Myon-Neutrino hinzufügen. Ich stelle es mir gerne als Entfernen der Elektronenheit und Hinzufügen der Myonenheit vor:

e − v e + v μ = μ
oder konventioneller:
e + v ¯ e + v μ = μ

Dieser Kalkül funktioniert auf der Skala von Kernen, Nukleonen und sogar Quarks. Dies ist das Feynman-Diagramm aus der Antwort von Johnathan Gross:

p = u + u + d = u + d + ( u + W − ) = u + d + u + ( v ¯ e + e − ) = n + v ¯ e + e −

Jetzt sehen wir, dass die Formel am Anfang unvollständig ist, uns fehlte das Neutrino. Der Grund, warum es ohne zu funktionieren schien, war, dass wir nur die elektrische Ladung betrachteten, aber das Neutrino elektrisch ungeladen ist.

Der Grund, warum diese niedlichen Berechnungen funktionieren, ist im Wesentlichen eine Eigenschaft namens Kreuzungssymmetrie und die Tatsache, dass Quantenzahlen erhalten bleiben. Ich betrachte dies als eine Anfängerversion von Feynman-Diagrammen (und tatsächlich denke ich, dass dies normalerweise zuerst gelehrt wird. Ich habe das in der Schule im Zusammenhang mit dem nuklearen Zerfall herausgefunden, und dies war ein großer „Wow“ -Moment, der mein Interesse steigerte in der Teilchenphysik.)

Natürlich gibt es einige Nachteile dieser vereinfachten Ansicht. Das Wichtigste ist, dass Massen und Massenfehler nicht berücksichtigt werden. Nur schwerere Teilchen können in leichtere zerfallen, plus Energie. Aber abgesehen davon kann dieses "Rechnen mit Teilchen" sehr nützlich sein, wenn man zum Beispiel vergessen hat, ob man ein Neutrino oder ein Antineutrino einsetzt.

Proton: 2 up, 1 down Quark, Neutron: 2 down, 1 up, wie kann Neutron: Proton + Elektron?
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