Was bewirkt, dass Kalium so in Argon zerfällt, wie es das tut?

Aus Evolutionwiki :

„Kalium 40 zerfällt durch einen Prozess, der als Elektroneneinfang bekannt ist, in Argon 40. Beim Elektroneneinfang „fällt“ ein Elektron aus der innersten Elektronenhülle in den Kern, wodurch ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird.“

Was bedeutet es, wenn ein Elektron in den Kern "fällt", was passiert mit dem Elektron? Ist es das Elektron, das anschließend emittiert wird? Warum zerfällt es nicht, indem es ein Alphateilchen aussendet?

Es könnte nützlich sein, etwas über die Natur von s-Schalen und Elektronenpositionsverteilungsfunktionen zu lesen. Sagen Sie physical.stackexchange.com/questions/135222/… oder physical.stackexchange.com/questions/20003/… ?.
Kohlenstoff-14 zerfällt nicht durch Aussendung eines Alpha-Teilchens. Es zerfällt durch Emission eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos zu Stickstoff-14.
@ user16622: Mist, du hast Recht. Ich habe gerade angefangen, dieses Zeug zu lernen, und es kann manchmal verwirrend werden.

Antworten (2)

Der Zerfall von Kalium-40 zu Argon-40 ist entweder a β + Zerfall, bei dem kein Elektron, sondern ein Positron emittiert wird

40 K → 40 A R + e + + v e
oder häufiger (wenn wir ganze Atome haben) ein von Ihnen erwähnter Elektroneneinfang, bei dem am Ende keine geladenen Leptonen emittiert werden! Etwa 11 % der Kalium-10-Zerfälle laufen auf diese Weise ab.
40 K + e − → 40 A R + v e
Die restlichen 89 % der Zerfälle von Kalium-40 gehen zu Calcium-40 (der Beta-Plus-Zerfall macht einen kleinen Bruchteil eines Prozents aus). Beachten Sie, dass sich die beiden obigen Reaktionen dadurch unterscheiden, dass das Positron von der rechten Seite auf die linke Seite verschoben wird, sodass das Vorzeichen geändert werden muss.

Kalium-40 hat 19 Protonen und 21 Neutronen. Argon-40 hat 18 Protonen und 22 Neutronen. Wenn wir uns also auf den "minimalen Teil" der Kerne konzentrieren, können die obigen Reaktionen entweder auf reduziert werden

P → N + e + + v e
oder
P + e − → N + v e
Dies sind die Standardreaktionen, bei denen Protonen und Neutronen ausgetauscht werden. Insbesondere die zweite Reaktion, die direkt über dieser Linie angezeigt wird, ist die eher "mikroskopische" Beschreibung des Elektroneneinfangs, für den Sie sich in erster Linie interessieren.

Diese Reaktionen bewahren die elektrische Ladung, die Baryonenzahl und die Leptonenzahl. Außerdem müssen sie Energie sparen. Ein freies Proton könnte nicht in das Neutron und zwei andere Teilchen zerfallen, weil es leichter ist. Selbst ein Proton und ein Elektron mit niedriger Geschwindigkeit hätten nicht genug Masse / Energie, um das Neutron (plus das Neutrino) wie in der zweiten Reaktion zu erzeugen.

Aber wenn die Protonen und Neutronen Teile ganzer Kerne sind, werden die Energien der Anfangs- und Endkerne durch die nuklearen Wechselwirkungen beeinflusst. Insbesondere der Argon-40-Kern (und insbesondere das Atom) ist stark gebunden, was bedeutet, dass er leichter ist und die Reaktionen, bei denen Argon-40 als Produkt auftritt, daher "mehr möglich" sind.

Zusammenfassend bedeutet der Elektroneneinfang (= Fallen des Elektrons) einfach, dass das Proton mit einer Wahrscheinlichkeit ungleich Null auf eines der Elektronen – wahrscheinlich in den inneren Schalen – trifft und zu einem neuen Teilchen, einem Neutron plus einem Neutrino, verschmelzt. Im Vakuum kann dieser Prozess aufgrund der Energieerhaltung nicht ablaufen, aber im Kontext des Kerns machen die Wechselwirkungen mit anderen Neutronen und Protonen den Endzustand mit dem neuen Neutron günstig.

Im Gegensatz dazu sind Alpha-Zerfälle seltener. Unter den 24 Kaliumisotopen kann nur Kalium-36 alpha-zerfallen. Kohlenstoff-14 zerfällt auch nicht. Unter den Kohlenstoffisotopen zerfällt nur Kohlenstoff-9 alpha. Beiden Alpha-Zerfällen muss ein Beta-Zerfall vorausgehen. Normalerweise nur schwer genug Kerne (mit zu geringem Neutronenüberschuss) Alpha-Zerfall.

"Ein von Ihnen erwähnter Elektroneneinfang, bei dem am Ende keine Leptonen emittiert werden!" Vielleicht besser zu sagen "keine geladenen Leptonen", weil das Neutrino im Endzustand vorhanden ist.
Ja, deine Korrektur ist richtig.
Aus dem Quark-Level-Feynmann-Diagramm ( u → D + e + + v e ), tut β + Zerfallsprozess bedeuten, dass das anfängliche u-Quark (in diesem Fall) schwerer als das d-Quark ist? (Ich glaube nicht.) Wenn nicht, wie zeichnet man das Diagramm für diesen Prozess? Ich denke, die Bindungsenergie muss zu virtuellen Teilchen werden (aber was ist dieses virtuelle Teilchen?) Und es trifft auf u-Quark und dann zerfällt dieses virtuelle u-Quark?
Lieber @luyuwuli - das Up-Quark ist tatsächlich leichter in "Isolation" (außer dass es nicht isoliert werden kann) als das Down-Quark, aber nur die gesamte Energie/Masse bleibt erhalten. Es gibt noch andere Beiträge dazu, von Wechselwirkungen der Quarks untereinander und so weiter, und diese wechseln zwischen den anfänglichen und endgültigen Protonen/Neutronen/Kernen. Wenn Sie hinsehen, sehen Sie, dass die Ruhemasse des anfänglichen Kerns die Summe der endgültigen Ruhemassen übersteigt, sodass der Energieerhaltungssatz diesen Prozess nicht verbietet.
Alle diese Beta-Zerfälle (unabhängig von Vorzeichen) sind ein Zeichen der "schwachen nuklearen Wechselwirkung". Bei allen bekannten ist das virtuelle Teilchen ein W-Boson (mit Ladung Q=+1 oder Q=-1). Das Up-Quark verwandelt sich in ein Down-Quark, während es ein positives W-Boson emittiert. Dieses positive W-Boson wird in das Positron-Neutrino-Paar gespalten. (Man könnte auch ein Antineutrino haben, das das W-Boson absorbiert und zu einem Positron wird, oder ähnliches.) Es ist genau wie der Austausch virtueller Photonen, außer dass das virtuelle W-Boson eine Ladung trägt und eine Fermion-Spezies in eine „ähnliche“ ändert one", aber mit einer anderen Ladung.
Siehe zB dieses Bild en.wikipedia.org/wiki/Beta_decay#.CE.B2.E2.88.92_decay mit einem virtuellen W-Boson im Beta-Zerfall. Es ist analog zur Umkehrung.
@LubošMotl Danke für deine ausführliche Erklärung. Ich stimme dem, was Sie gesagt haben, vollkommen zu. Meine Frage ist jedoch, diese zusätzlichen Beiträge zu verstehen. Können diese zusätzlichen "Beiträge" in Diagramme umgewandelt werden? u → D + W + → D + e + + v e scheint zu behaupten, dass u schwerer als d ist, und diese zusätzlichen Beiträge werden überhaupt nicht angezeigt. Es sollte etwas jenseits des Feynman-Diagramms geben. Oder ist die „begrenzte u-Quark-Masse“ aufgrund dieser zusätzlichen Beiträge vorübergehend schwerer als die „begrenzte d-Quark-Masse“, da Quarks eingeschlossen sind?
Hallo, das W-Boson ist virtuell, also muss es nicht gehorchen E 2 = M 0 2 C 4 + P 2 C 2 , und folglich stimmt es einfach nicht, dass die Masse von u muss die Masse überschreiten D zuzüglich der Masse von W . Das geht sicher nicht, W ist über 80 GeV, viel schwerer als beide u oder D Quark. Dieser Punkt - was es bedeutet, dass das virtuelle Teilchen virtuell ist - würde jede Ihrer Schlussfolgerungen über irgendeinen Prozess mit virtuellen Teilchen entkräften, sodass Ihr Fehler nichts mit dem Einschluss oder anderen besonderen Merkmalen von Quarks zu tun hat.
@LubošMotl Ich wurde von Ihrem Kommentar nicht informiert, daher ist es lange her, dass Sie diesen Kommentar abgegeben haben. Vielleicht habe ich mich immer noch nicht klar ausgedrückt. Das sage ich nicht M ( u ) > M ( W ) weil (wie du erklärt hast) W ist nicht auf der Schale. Meine Frage ist, können die Ud-Quarks rein u → D + e + + v e auf Schale sein? Wenn ja , wie kann dieser Prozess ablaufen, wenn u leichter als d ist? Daraus schließe ich, dass, da Quarks immer eingeschlossen sind, die Bedingung „auf der Schale“ nicht wohldefiniert ist. In einigen Fällen kann die Masse des u-Quarks größer als d sein.
@LubošMotl Deshalb bezweifle ich, dass die Quarkmasse je nach Umgebung oder aufgrund der besonderen Eigenschaften von Quarks (Confinement, weil man nie ein On-Shell-Quark beobachtet) veränderbar ist, gibt es immer Platz für uns, um die effektive Masse zu definieren, um die zu ändern Massenverhältnisse. Also bestehe ich darauf, dass es falsch ist, das zu sagen M ( u ) ist immer kleiner als M ( D ) .
Liebe @luyuwuli - das natürlich dabei u → D + e + + v e , mindestens eines der Teilchen muss sich außerhalb der Schale befinden – oder Teil eines breiteren Systems mit einigen Wechselwirkungsenergien sein – da die Gesamtsumme der Produkte die Masse des Up-Quarks übersteigt. Ich spreche von Wechselwirkungen, weil innerhalb von Protonen, Neutronen oder Kernen die "Elementarreaktion" einfach ist u Werden D , aber die Zählung der Energie ist anders, weil sich auch die Wechselwirkungen des Quarks mit der Umgebung ändern und ein solcher Vorgang für viele Umgebungen tatsächlich möglich wird. Das ist, was β + Verfall sind.
M ( u ) ist immer kleiner als M ( D ) . Dies sind wirklich Konstanten der Natur. Man kann höchstens sagen, dass sie von der Renormierungsenergieskala abhängen E aber das stimmt trotzdem u ist leichter als D für jeden Wert von E . Dies verbietet keineswegs die Beta-Zerfälle, da die Energie der Kerne etc. nicht einfach durch gegeben ist M ( u ) oder M ( D ) . Es gibt viele Interaktionsbegriffe, die Sie zu übersehen scheinen, und das führt Sie zu all Ihren absurden Schlussfolgerungen.
@LubošMotl Trotzdem stimme ich dem größten Teil von dem zu, was Sie gesagt haben. Aber mein Punkt ist, man sollte vergleichen M ( u , E 1 ) Und M ( D , E 2 ) bei unterschiedlicher Energieskala wegen der Veränderung der Umgebungskerne. Sobald man das Feynman-Diagramm verwendet, nimmt man implizit an, dass die Anfangs- und Endzustände frei sind , was nicht mit der Realität übereinstimmt. Man kann jedoch immer noch das Feynman-Diagramm verwenden, da andere Wechselwirkungen in der effektiven Masse der Quarks berücksichtigt werden können (freie Quarks vs. gekleidete Quarks).
Entschuldigung, ich verstehe nicht, was Sie sagen. Wenn Sie die Massen von Up- und Down-Quarks bei nahe gelegenen Renormierungsskalen auswerten, die sich um den Faktor zwei oder so ähnlich unterscheiden, wird es immer noch wahr sein, dass das Up-Quark leichter ist. Der Renormalisierungsgruppenlauf der Massen ist langsam.
Entschuldigung für mein schlechtes Englisch. Ich möchte sagen, dass, obwohl wir glauben, dass der Prozess durch das Feynman-Diagramm beschrieben wird, die Feinheiten darin bestehen, die beteiligte Masse zu interpretieren. Da man andere Wechselwirkungen nicht abschalten kann, muss man diese Wechselwirkungen zu einer wirksamen Masse zusammenfassen. Genau wie die aktuelle Quarkmasse im Vergleich zur Quarkmasse ist der Geschmack derselbe, aber die Masse ist wirklich anders. Konstituierendes Quark ist ein aktuelles Quark + andere komplizierte Wechselwirkungen.
Dasselbe passiert hier in β + Verfall. Um das Dilemma zwischen aktuellen Quarkmassenbeziehungen von ud-Quarks und Energieerhaltung zu lösen. Konzeptionell ist es besser zu betonen, dass die Masse, die im Feynman-Diagramm erscheint, keine aktuelle Quarkmasse ist, sondern eine effektive Masse mit anderen berücksichtigten Wechselwirkungen.
@LubošMotl Vielleicht hat dich das System nicht über meine Kommentare informiert und entschuldige, dass ich dich so lange gestört habe. Trotzdem möchte ich wissen, was Sie von meinen letzten beiden Kommentaren halten?
Lieber @luyuwuli - wenn Sie Wechselwirkungen von zusammengesetzten Objekten wie Kernen betrachten, sollten Sie etwas "Schwierigeres" tun, als nur Massen von Quarks durch andere (effektive) Massen zu ersetzen. Sie sollten die elementaren Wechselwirkungen der Quarks (ein kleines Feynman-Diagramm) als Teil eines größeren Feynman-Diagramms einbetten, das auch die anderen Teilchen im Kern enthält, die an dem Prozess beteiligt sind. Diese bekommen einen Kick, daher ist es nicht richtig anzunehmen, dass die "zerfallenden Quarks" die einzigen sind, die sich in der Wechselwirkung ändern, und deshalb reicht es nicht wirklich aus, nur effektive Parameter zu verwenden.
@LubošMotl Sicher, den gesamten Prozess als Geschmacksänderung eines Quarks zu behandeln, ist zu stark vereinfacht. Ich denke, da wir uns über den grundlegenden Prozess einig sind, ist es an der Zeit, die Diskussion zu beenden. Danke für deine Geduld und Erklärung.

Elektroneneinfang

Elektroneneinfang (K-Elektroneneinfang, auch K-Einfang, oder L-Elektroneneinfang, L-Einfang) ist ein Vorgang, bei dem der protonenreiche Kern eines elektrisch neutralen Atoms ein inneres Atomelektron aufnimmt, meist aus dem K oder L Elektronenhülle. Dieser Prozess wandelt dabei ein Kernproton in ein Neutron um und bewirkt gleichzeitig die Emission eines Elektron-Neutrinos.

p + e− → n + ν_e

K,L,M sind die Hauptquantenzahl(n) der Orbitale der Elektronen.

Die Orbitale von Elektronen geben die Wahrscheinlichkeit an, dass sich das Elektron bei (x,y,z) befindet. Für l=0 (die Drehimpulsquantenzahl) haben die Elektronen eine Wahrscheinlichkeit, den Kern zu passieren. Wenn der Kern in Bezug auf einen anderen instabil ist, dh es gibt die zusätzliche Energie, die benötigt wird, um ein Neutron und ein Elektron Neutrino aus einem Proton und einem Elektron zu erzeugen, hat man einen Elektroneneinfang und es erscheint ein um ein Z niedrigerer Kern.

Was bewirkt, dass Kalium so in Argon zerfällt, wie es das tut?
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