Warum hat Wasserstoff kein Neutron?

Ihre Frage läuft darauf hinaus, warum sich Protonen im sehr frühen Universum nicht mit Neutronen zu Deuteronen (einem Proton plus einem Neutron) verbunden haben.

Die Antwort ist, dass sie es tun - es gibt ein kurzes Zeitfenster, in dem sich Deuteronen bilden können und das Universum kühl genug ist, dass sie nicht sofort auseinanderbrechen. Das System befindet sich jedoch im thermischen Gleichgewicht und versucht daher, die Gesamtenergiedichte zu minimieren; Obwohl die Deuteronen stabil sind, ist Helium ein viel stabilerer Kern und infolgedessen verbinden sich die Deuteronen schnell zu Helium und dies wischt alle verfügbaren Neutronen im frühen Universum auf. Somit liegt der überwiegende Teil des Wasserstoffs in Form seines neutronenlosen Isotops vor.

Protonen können anschließend während der Kernfusion in Sternkernen in Deuteronen umgewandelt werden. Die Bildung von Deuteronen ist die erste Stufe in der pp-Kette von Kernreaktionen, die Wasserstoff in Helium umwandeln. Daher wird ein erheblicher Teil (vielleicht 10-20%) des Wasserstoffs in den meisten Sternen während ihrer Hauptreihenlebensdauer (kurz) in Deuterium umgewandelt, aber auch hier sind die Deuteronen gegenüber nachfolgenden Reaktionen, die schnell Helium synthetisieren, ziemlich instabil. Der Nettoeffekt der stellaren Nukleosynthese besteht daher darin, Deuteronen zu zerstören – sowohl die, die in der stellaren Nukleosynthese produziert wurden, als auch die, die im frühen Universum produziert wurden.

Es gibt also sehr wenig Deuterium im Universum, weil seine Produktion durch Fusion eine Temperatur erfordert, die hoch genug ist, um dann eine weitere Fusion zu ermöglichen, um das energetisch günstigere Helium zu produzieren. Das würde einen Nichtgleichgewichtsprozess erfordern, der mit Deuterium angereichertes Material produziert und es dann in kurzen Zeitskalen abkühlt. Aus ähnlichen Gründen ist es sehr schwierig, Deuterium durch Spaltung herzustellen (z. B. Spallationsreaktionen). Hier geht es darum, dass der Zerfall zur Erzeugung von Alphateilchen und freien Neutronen energetisch günstiger ist.

Ähnliche Argumente gelten für die Tritium-Form (ein Proton, zwei Neutronen) von Wasserstoff. Auch das kann in winzigen Mengen im Urknall und in Sternen oder durch Spallationsreaktionen entstehen, aber hier gibt es das zusätzliche Problem, dass das produzierte Tritium mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren instabil ist. Daher muss jedes Tritium, das wir in der Natur beobachten, erst vor kurzem bei energetischen Ereignissen produziert worden sein (z. B. Produktion in der Atmosphäre durch Kollisionen mit kosmischer Strahlung).

Neutronen wirken normalerweise als Puffer in Kernen. Protonen sind positiv und stoßen positive Dinge ab, die sich in ihrer Nähe befinden. Neutronen ohne Ladung wirken somit als Puffer und verringern die Abstoßungskraft. Die starke Restkraft hält auch Protonen zusammen, aber darum geht es bei dieser Frage nicht.

Da Neutronen als Puffer für Protonen fungieren (beachten Sie den Plural), besteht für sie in Wasserstoff, der nur ein Proton hat, kein wirklicher Bedarf. Eine Pufferung ist nicht erforderlich. Daher hat viel Wasserstoff keine Neutronen, da er einfach nicht benötigt wird, damit Wasserstoff existiert.

Nun, Wasserstoff kann mit Neutronen existieren, obwohl die Menge an Wasserstoff mit Neutronen von der Menge ohne Neutronen in den Schatten gestellt wird. Das häufigste Isotop ist Protium ohne Neutronen. Dann gibt es Deuterium mit einem Neutron und dann Tritium mit zwei.

Damit sich Deuterium bilden kann, müssen zunächst zwei Protonen ihre elektrostatische Abstoßung überwinden, um zu einem Helium-2-Kern zu verschmelzen, der dann einem Beta-Zerfall unterliegt. Es überrascht nicht, dass die meisten Wasserstoffe das nicht tun. Deuterium ist hauptsächlich ein Urknall-Nebenprodukt, das, wenn überhaupt, in Sternen zerstört wird.