Warum zerfallen Neutronen in einem Kern nicht? [Duplikat]

Warum gibt es Neutronen im Kern eines Atoms?

Protonen sind positiv geladen. Die elektromagnetische Kraft zwischen Protonen ist abstoßend, obwohl die starke Restkraft aus dem Quarkinhalt anziehend ist, das kombinierte Potential ist nicht anziehend, um einen gebundenen Zustand zu erzeugen.

Nehmen wir das einfache System zweier Protonen mit ihrem Abstoßungspotential. Das zur elektromagnetischen Abstoßung hinzugefügte starke Kernpotential ergibt keine gebundenen Energieniveaus, die die Quantenzahlen der beiden Protonen aufnehmen könnten. Die Hinzufügung des ladungsneutralen Neutrons, das (obwohl ein Verbund aus geladenen Quarks) eine insgesamt starke Anziehungskraft hat, überwindet das Abstoßungspotential und vertieft das Gesamtpotential, so dass es einen Potentialschacht zum Einfangen in einer Grenze bilden kann Geben Sie die drei Nukleonen, He3, ein Isotop des Alpha-Kerns , in geeigneten Quantenzahlzuständen an. Auch das Pauli-Ausschlussprinzip spielt eine Rolle. Siehe hier .

Ich weiß, dass eine starke Kraft Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält, aber wie wirkt sich das auf ein Neutron so aus, dass es nicht zerfällt?

Ohne die schwache Wechselwirkung wäre das Neutron ebenso ein stabiles Teilchen wie das Proton. Daher muss die Antwort auf das „Warum“ mit dem grundlegenden Zerfall des Neutrons beginnen, der von den Quark-Wechselwirkungen mit der schwachen Kraft abhängt.

Das Proton besteht aus (uud)-Quarks und das Neutron aus (udd). Sowohl in der für Quarks gemessenen effektiven Masse als auch in der Teilchentabelle hat das Up-Quark die kleinste Masse. ( diese Massen hängen von Modellen ab, aber das Standardmodell ist sehr erfolgreich bei der Beschreibung von Elementarteilchenwechselwirkungen)

Das Oben hat eine Masse von 2,3 MeV und das Unten 4,8. Das Up ist stabil, da es nicht in ein Quark mit geringerer Masse zerfallen kann. Um ein Upquark in ein Downquark umzuwandeln, müssen mindestens 2,5 MeV Energie bereitgestellt werden.

Das Neutron hat zwei Down-Quarks, und sie können frei zu einem Up-Quark zerfallen, weil es energetisch günstig ist, und daher zerfällt es zu einem Proton mit einer Lebensdauer von 900 Sekunden, wenn es frei ist. Das einzelne Down eines Protons könnte auch zerfallen, aber es gibt keine stabile (uuu) niedrigere Energie als den Protonenzustand innerhalb der Standardmodellwechselwirkungen. Protonenzerfälle benötigen neue vermittelnde Teilchen und werden in verschiedenen erweiterten Modellen vorhergesagt und bisher nicht experimentell nachgewiesen.

Ein Kern ist ein Vielteilchenproblem und seine quantenmechanischen Lösungen werden zum Beispiel durch das Schalenmodell angenähert, wo ein effektives Potential die Nukleonen, Protonen und Neutronen auf einem gebundenen Energieniveau hält. Somit befindet sich das Neutron in einem stabilen Kern auf einem Energieniveau von 2,5 MeV unter der Austrittsschwelle und zerfällt daher nicht. In einem instabilen Kern erstreckt sich das effektive Potential über die Nulllinie und es gibt Energieniveaus, die das Neutron einnehmen kann, aber auch eine Wahrscheinlichkeit, da es energetisch möglich ist, zu zerfallen. In einem einfachen quantenmechanischen Modell könnte es austunneln und zerfallen, solange das Energieniveau, in dem es gebunden ist, über 0 liegt.

Unter diesem Link finden Sie eine Beschreibung des Schalenmodells , wie Proton und Neutron das (ungefähre) Potential gut sehen, stark für Neutronen, stark und Coulomb für Protonen.

Bei den Wechselwirkungen im Detail sollte man bedenken, dass durch Pionenaustausch im Kern ein Proton in ein Neutron und umgekehrt umgewandelt werden kann. Somit hat ein Proton, das sich auf einem Energieniveau oberhalb der Nullenergie befindet, eine Wahrscheinlichkeit, sich durch Pionenaustausch in ein Neutron zu verwandeln, das dann zerfallen kann.

Da ein Kern ein Vielteilchenzustand ist, spielen auch Quantenzahlen und das Pauli-Ausschlussprinzip eine große Rolle. Beispielsweise wird der Zerfall gehemmt, wenn das aus dem Neutronenzerfall resultierende Proton kein erlaubtes Energieniveau zum Besetzen hat.

Die Antwort auf "aber wie wirkt sich das auf ein Neutron so aus, dass es nicht zerfällt?" ist, dass alles vom effektiven Vielkörperpotential abhängt. Neutronen in Energieniveaus unterhalb der Fluchtschwelle werden gebunden nicht zerfallen, in Kernen mit Energieniveaus oberhalb der Schwelle haben sie eine Zerfallswahrscheinlichkeit, da dies energetisch möglich ist, wenn die Quantenzahlerhaltungen dies zulassen.

Laienhaft ausgedrückt, wenn ich darf. Der Neutronenzerfall ist durch einen ziemlich unerwarteten Prozess möglich, der als schwache Kraft oder schwache Wechselwirkung bezeichnet wird, wobei die Kraft verwendet wird, die W- oder Z-Bosonen trägt, die sehr energiereich sind und eine Masse haben, die etwa das 80- oder 90-fache der Masse des Neutrons beträgt. Wie das möglich ist, wird an anderer Stelle erklärt und ist nicht wirklich wichtig, aber der Punkt ist, dass das Neutron nicht leicht zerfällt. Es dauert ungefähr 10 Minuten, was für einen Quantenzustand fast eine Ewigkeit ist.

Wenn sich Proton und Neutron im Deuteriumkern oder Deuteron binden, sind sie sehr nahe beieinander. Der Durchmesser eines Protons beträgt etwa 0,81 Fikometer (fm) und der Durchmesser des Deuteriumatoms etwa 2,1 fm. Quelle . Das bedeutet, dass der Abstand zwischen Neutron und Proton im Deuteron nicht viel größer ist als der Abstand zwischen den Valenzquarks innerhalb des Protons oder Neutrons.

In dieser engen Ehe kann sich das Neutron also nicht destabilisieren, weil das Proton es festhält. (Das sagt nicht wirklich warum, gebe ich zu, nur dass sich das Neutron im Kern in einer ganz anderen Umgebung befindet als allein), und es ist nur als eine Art Erklärung für Laien gedacht. Ich kann löschen, wenn es zu weit vom Ziel entfernt ist.

Es findet tatsächlich ein Pionenaustausch zwischen Nukleonen statt. Dies ist die Grundlage für die starke Restkraft .

Wenn ein Proton und ein Neutron interagieren, erhalten wir eine der Wechselwirkungen

$$\rm proton^+ +neutron \rightarrow proton^++pion^-+proton^+ \rightarrow neutron+proton^+$$

Das Proton wird also zu einem Neutron und dann wird das Neutron zu einem Proton, indem ein negatives Pion übertragen wird.

---

Bearbeitungen: @Rob Jeffries: Das ist fair, meine Antwort hat nicht wirklich geantwortet.

Das Proton und das Neutron sind keine identischen Teilchen und sind daher nicht durch den Pauli-Ausschluss untereinander eingeschränkt. Sie können den gleichen Spin-Zustand haben und aus irgendeinem Grund verleihen parallele Spins der Kombination eine geringere Energie und damit mehr Stabilität.

Wenn ich danach suche, warum parallele Spins eine niedrigere Energie haben, sehe ich es nur als Tatsache angegeben oder in besseren Referenzen wird eine Gleichung angegeben, die die Details der Energiedifferenz angibt.

Was ich nicht gesehen habe, ist eine physikalische Erklärung dafür, warum parallele Kernspins eine geringere Energie haben.

Hier ist meine Vermutung (die ich versuchen werde zu überprüfen). Wenn es richtig ist, dann ist es wahrscheinlich schon irgendwo da draußen. Wenn es falsch ist, liegt es daran, dass ich die Idee einfach selbst durchdacht habe.

Wenn ein Proton und ein Neutron alle die gleichen Quantenzahlen haben (und ihre Spins also parallel sind), dann ist der Endzustand identisch mit dem Anfangszustand, wenn ein Neutron ein negatives Pion auf das Proton überträgt. Dies bedeutet, dass es zwei verschiedene Wege vom Anfangszustand zum Endzustand gibt: Nichtstun und das Übergeben eines negativen Pions ergeben beide denselben Endzustand.

Wenn in Quanten zwei verschiedene Ereignisse möglich sind, weil sie beide den gleichen Anfangs- und Endzustand ergeben, gibt es einen Interferenzterm. Beispielsweise können bei der Kollision zweier identischer Atome mit identischen Spinzuständen Kollision und Nichtkollision den gleichen Endzustand ergeben, und daher überlagern sich die beiden Möglichkeiten.

Bei einem Proton und einem Neutron mit antiparallelem Spin würde die Übertragung eines negativen Pions einen anderen Endzustand als den Anfangszustand ergeben. Es könnte zurück übertragen werden, um den gleichen Endzustand zu geben, aber (grob gesagt) macht jeder Schritt, den ein Prozess benötigt, den Beitrag dieses Prozesses weniger wichtig.

Im Falle eines Diprotons oder Dineutrons würde die Übertragung eines neutralen Pions auch den gleichen End- und Anfangszustand ergeben.

Also vermute ich weiter (wieder alles bei mir, wenn es falsch ist), dass das parallele Proton-Neutron-Paar zwar einen dominanten Austausch beider neutraler Pionen mit negativen Pionen aufweist, das Diproton und Dineutron jedoch nur neutrale Pionen hat, was dem Proton-Neutron-Paar etwa die doppelte Bindung verleiht .

Die beiden Schlüsselideen, denen ich auf die Spur kommen möchte, sind also: (1) Macht ein Prozess mit identischem Anfangs- und Endzustand ihn wichtiger? (2) Bedeutet die doppelte Anzahl ähnlicher Wechselwirkungen, dass etwa die doppelte Bindungsenergie beteiligt ist?