Was ist der Unterschied zwischen einem Neutron und Wasserstoff?

Ein Neutron ist kein Proton und kein Elektron in einen Topf geworfen (wie Ihre Frage vermuten lässt, denken Sie)

Ein Wasserstoffatom ist ein gebundener Zustand eines Elektrons und eines Protons (gebunden durch die elektromagnetische Kraft ), während ein Neutron ein gebundener Zustand von drei Quarks ist (gebunden durch die starke Kraft ).

Sie könnten versucht sein zu glauben, dass ein Neutron auch ein gebundener Zustand eines Elektrons und eines Protons ist, weil ein Neutron in ein Elektron und ein Proton zerfallen kann und das Neutron auch etwas massiver ist als ein Proton. Aber Sie würden sich irren. Hier ist der Grund:

Sowohl ein Neutron als auch ein Proton sind gebundene Zustände von drei Quarks. Der Beta-Zerfall kann ein Neutron auf diese Weise in ein Proton umwandeln

Dabei wird eines der Down-Quarks im Neutron durch Vermittlung der schwachen Kraft in ein Up-Quark, ein Elektron und ein Antineutrino umgewandelt . Da das Up-Quark eine Ladung von hat$+2/3$und das Down-Quark$-1/3$, das erklärt den Ladungsunterschied zwischen Neutron und Proton.

Das ist es, was ein Neutron in ein Proton verwandelt, nicht eine Art Ausstoß eines Elektrons aus dem Neutron, sondern eine echte Umwandlung eines Fundamentalteilchens (eines Down-Quarks) durch die schwache Kraft.

Ein Neutron ist ein Fermion, ein Wasserstoffatom ist ein Boson. Dies hängt damit zusammen, dass ein Neutron in drei Fermionen zerfällt und nicht in zwei, was Sie zu glauben scheinen.

Ein Neutron besteht aus drei Valenzquarks,$u,d,d$, während ein Wasserstoffatom aus besteht$u,u,d,e^-$.

Die innere Größe eines Neutrons beträgt ca$10^{-14}$Meter, während die innere Größe des Wasserstoffatoms etwa ist$10^{-10}$Meter, etwa 10.000-mal größer, was dem Wasserstoff ein Billionen-mal größeres Volumen verleiht.

Die angeregten (aber noch gebundenen) Zustände eines Wasserstoffatoms haben Energien, die sich um höchstens 13,6 Elektronenvolt unterscheiden. Andererseits müssen die Anregungen eines Neutrons viele MeV hinzufügen, eine millionenfach höhere Energie.

Das Wasserstoffatom ist ein stabiles Teilchen - wenn man den Protonenzerfall für eine Weile vernachlässigt. Die Lebensdauer eines Neutrons beträgt nur 15 Minuten.

Das Verhalten des Neutrons wird von der Kernphysik untersucht; Das Verhalten der Atome wird von der Atomphysik untersucht, die etwas ganz anderes ist und sich auf verschiedene Längenskalen und Energieskalen bezieht.

Viel allgemeiner ist es ein Trugschluss, sich vorzustellen, dass, wenn ein Teilchen X zu YZ zerfällt, X dasselbe ist wie YZ. Man kann sagen, dass es die gleichen erhaltenen Ladungen hat. Aber Erhaltungsladungen definieren die Identität eines Objekts nicht vollständig.

Das Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. So unterscheiden sich sogar die Endkomponenten von Wasserstoff, der nur ein Proton ist, um das ein Elektron kreist.

Auch die Bindungskräfte sind unterschiedlich. Das Proton und das Elektron sind durch die elektromagnetische Kraft gebunden. Das Neutron durch den starken Rest der Nukleonen in einem Kern. Wenn es zerfällt, zerfällt es durch die schwache Kraft.

Schauen Sie sich diese Präsentation für Lehrer an, in der Sie auch sehen, was sich in einem Neutron und einem Proton befindet, und Sie werden die Natur der Teilchen besser verstehen.