Wie kommt es, dass Neutronen in einem Kern nicht zerfallen?

Ich weiß, dass Neutronen außerhalb eines Kerns instabil sind und eine Halbwertszeit von etwa 15 Minuten haben. Aber wenn sie zusammen mit Protonen im Kern sind, sind sie stabil. Wie passiert das?

Das habe ich aus Wikipedia:

Wenn es innerhalb eines Kerns gebunden ist, wird die Instabilität eines einzelnen Neutrons gegenüber dem Beta-Zerfall gegen die Instabilität ausgeglichen, die der Kern als Ganzes erwerben würde, wenn ein zusätzliches Proton an abstoßenden Wechselwirkungen mit den anderen bereits vorhandenen Protonen teilnehmen würde der Nukleus. Obwohl freie Neutronen als solche instabil sind, sind gebundene Neutronen dies nicht unbedingt. Die gleiche Überlegung erklärt, warum Protonen, die im leeren Raum stabil sind, sich in Neutronen umwandeln können, wenn sie in einem Kern gebunden sind.

Aber ich glaube nicht, dass ich verstehe, was das wirklich bedeutet. Was passiert im Kern, das Neutronen stabil macht?

Ist es dasselbe, was im Kern eines Neutronensterns passiert? Denn auch dort scheinen Neutronen stabil zu sein.

Ich werfe nur ein, dass ungebundene Neutronen eine mittlere Lebensdauer von 15 Minuten haben, aber eine Halbwertszeit von etwa 10 Minuten. en.wikipedia.org/wiki/Neutron#Free_neutron_decay
Der zweite Teil ist ein Duplikat von physical.stackexchange.com/questions/63383/…

Antworten (7)

Spontane Prozesse wie der Neutronenzerfall erfordern, dass der Endzustand energetisch niedriger ist als der Anfangszustand. Bei (stabilen) Kernen ist dies nicht der Fall, da die Energie, die Sie aus dem Neutronenzerfall gewinnen, geringer ist als die Energie, die es kostet, ein zusätzliches Proton im Kern zu haben.

Damit der Neutronenzerfall in den Kernen energetisch günstig ist, muss die durch den Zerfall gewonnene Energie größer sein als die Energiekosten für das Hinzufügen dieses Protons. Dies geschieht im Allgemeinen in neutronenreichen Isotopen:

Radioaktiver Zerfall von Isotopen.

Ein Beispiel ist die β − -Zerfall von Cäsium:

C s 55 137 C s → B a 56 137 B a + e − + v ¯ e

Für einen ersten Eindruck von den beteiligten Energien können Sie die halbempirische Bethe-Weizsäcker-Formel zu Rate ziehen, die Sie die Anzahl der Protonen und Neutronen einsetzen lässt und die Bindungsenergie des Kerns angibt. Durch den Vergleich der Energien zweier Kerne, die über die β − -decay können Sie feststellen, ob dieser Vorgang möglich sein sollte oder nicht.

Ich denke, Sie könnten diese Antwort verbessern, indem Sie nach der Abbildung einige Beispiele hinzufügen und auf die Abbildung verweisen. Dies würde dazu beitragen, dass die Antwort ein homogeneres "Niveau" hat.
Ich verstehe nicht, wie es möglich ist zu sagen "es wäre instabiler, wenn es passieren würde, also tut es das nicht". Was hat es mit dem Kern auf sich, der den zufälligen Zerfallsprozess stoppt?
@Jonathan Es ist die Bethe-Weizsäckere-Formel, die Ihnen halbempirisch sagt, wie hoch die Bindungsenergie eines bestimmten Kerns ist. Spontane Prozesse finden nur von Zuständen hoher zu niedriger Energie statt.
Ok, aber ich meine, woher "weiß" es , dass der Endzustand eine höhere oder niedrigere Energie ist? Hat das Neutron im Inneren des Kerns eine niedrigere Energie, sodass es einfach nicht zerfallen kann, oder ist es so, als würde es zerfallen, aber dann sofort zurückkehren?
@Jonathan. : gute Frage. Das Neutron weiß nicht einmal, was sein Endzustand sein soll. Auf der Quantenskala bleiben die Dinge buchstäblich nicht an Ort und Stelle. Alle Quarks, aus denen ein Neutron besteht, bewegen sich um den Kern herum und interagieren mit anderen Teilchen in der Nähe. Nun kann es passieren, dass bei einer dieser Wechselwirkungen ein Elektron entsteht. Wenn dieses Elektron lange genug zusammenbleibt und den Kern verlässt (dh seine Wahrscheinlichkeit, im Kern zu sein, auf praktisch Null sinkt), werden die verbleibenden Quarks im Kern zusammen die Eigenschaften eines Protons haben – ein Proton sein .
Wenn Sie darüber nachdenken, ist es überhaupt nicht unnatürlich. Wenn Sie auf 40'000 Fuss aus einem Flugzeug springen, spielt es keine Rolle, ob Sie wissen, in welcher Richtung oben und wo unten ist. Auf die Erde stürzt man so oder so. Dies erscheint uns natürlich, aber die obige Situation unterscheidet sich nicht so sehr von dieser.
Damit ist die Frage nicht beantwortet. Es liegt auf der Hand , dass wenn etwas energetisch ungünstig ist, es nicht passiert. Die Frage ist, warum es energetisch ungünstig ist.
In keiner Form ist dies eine Antwort!
"Die Energie, die Sie aus dem Neutronenzerfall gewinnen, ist geringer als die Energie, die Sie kostet, um ein zusätzliches Proton im Kern zu haben." Sie würden auch ein Elektron bekommen. Würden die Energiekosten eines zusätzlichen Protons nicht durch den Energiegewinn eines Elektrons ausgeglichen, das von allen Protonen angezogen wird? Ein zusätzliches Proton auf der Oberfläche des Kerns benötigt möglicherweise weniger Energie als ein Elektron im Zentrum des Kerns bereitstellt.

Das Pauli-Ausschlussprinzip besagt, dass keine zwei identischen Fermionen (Neutronen und Protonen sind Fermionen – sie haben halbzahlige Spins und gehorchen der Fermi-Dirac-Statistik) gleichzeitig denselben Quantenzustand einnehmen können. Wenn es das Neutron wäre β -Verfall als:

n ⟶ p + e − + v e ¯
dann wird dieses frisch geprägte Proton versuchen, den Quantenzustand mit möglichst geringer Energie zu besetzen. Da sich im Kern jedoch bereits jede Menge Protonen befinden, kann dieses „neue“ Proton dies nicht und wird daher gezwungen sein, einen Zustand mit höherer Energie einzunehmen. Um diesen Zustand zu erreichen, muss es etwas Energie aufnehmen. Aus diesem Grund tun Neutronen dies normalerweise nicht β -Zerfall im Kern. Denken Sie daran β -Zerfall von Neutronen im Kern ist nicht ungewöhnlich - nur ungewöhnlich.

Warum die Ablehnung? Ich dachte, es war eine gute kurze Antwort. Bei weitem nicht so gut wie das fast zeitgleich eingereichte von Lagerbauer, aber es verdient kein Downvote.
Ich verstehe die Ablehnung auch nicht.
Dies erklärt nicht wirklich die Stabilität neutronenreicher Kerne, da die hoch liegenden Neutronen frei in Protonen zerfallen könnten.
Eine späte Antwort hier, falls noch jemand liest: Man kann den Neutronenüberschuss qualitativ erklären, indem man feststellt, dass die Energieniveaus der Protonen alle durch ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung erhöht werden. Es sind daher weniger Protonen erforderlich, um ein bestimmtes Energieniveau zu erreichen, als Neutronen, und daher befinden sich die Neutronen mit der höchsten Energie auf dem gleichen Niveau wie die Protonen mit der höchsten Energie, obwohl sich im Kern mehr Neutronen befinden.
Das ist die Antwort. Die derzeit akzeptierte Antwort erklärt nicht, warum der Neutronenzerfall einen Energienachteil hat.
Wenn dies die Antwort ist, dann bedeutet dies, dass der Grund für die Stabilität des Neutrons in Kernen derselbe ist wie in Neutronensternen: Ausschluss aufgrund von Schaleneffekten. In Neutronensternen befinden wir uns an der thermodynamischen Grenze und Neutronen sind ungebunden, während Kerne unter Effekten endlicher Größe leiden und Neutronen in gebundenen Zuständen sind. Die Idee ist jedoch die gleiche physical.stackexchange.com/q/63383/226902

Denken Sie dynamisch - ich schlage vor, dass innerhalb des Kerns Protonen und Neutronen kontinuierlich Neutronen "umdrehen", die in Protonen zerfallen und Protonen das Elektron und Neutrino absorbieren, um wieder zu Neutronen zu werden und so weiter. Aus diesem Mechanismus entsteht die Bindungskraft. Das Neutron spielt offensichtlich eine Schlüsselrolle bei der Stabilität jedes schwereren als Wasserstoffkerns.

Wie genau dieser Mechanismus funktioniert, ist unklar, aber vielleicht existiert aufgrund der kurzen Existenz des Elektrons im Zerfalls-/Reabsorptionsprozess eine Netto-ve-Ladung.

Diese Kraft wäre durch das Coulombsche Gesetz gegeben

F ∝ Q p Q e r 2

wo r liegt in der Größenordnung des Durchmessers eines Protons, was zu einer sehr starken Kraft führt

Es vermeidet auch die Einführung von „massiven Austauschpartikeln“, die, wenn sie „ausgetauscht“ werden, eine „anziehende“ Kraft erzeugen

Warum sollte die Einführung massiver Teilchen als Kraftträger ein Problem sein? Es ist durchaus möglich, dass sich ein Pion in einem Proton bildet und in einem Neutron wieder zerfällt, wodurch effektiv ein Gluon zwischen den beiden ausgetauscht wird.

In Bezug auf Neutronen in Neutronensternen ist die Antwort eine direkte Erweiterung der Argumentation von madR. In einem Neutronenstern gibt es meistens "freie" Neutronen und die Frage ist dann, warum sie nicht alle in Elektronen und Protonen zerfallen?

Nun, einige von ihnen tun dies, aber der Punkt ist, dass, wenn sich die Elektron/Proton-Zahlen (es gibt jeweils die gleiche Anzahl) aufbauen, sie entartet werden und die entsprechenden Fermi-Energien zunehmen. Bei einer gewissen Schwellenzahldichte übersteigen ihre Fermi-Energien die maximale Energie der Teilchen, die durch beta-zerfallende Neutronen erzeugt werden können. An diesem Punkt hört der Beta-Zerfall so ziemlich auf und es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Beta-Zerfall und dem inversen Beta-Zerfall ein, so dass die Fermi-Energien der Spezies miteinander in Beziehung stehen

E F , n = E F , p + E f , e

Sie haben gefragt, WIE es kommt, dass das gebundene Neutron stabil ist, aber das freie Neutron nicht: "Was passiert im Inneren des Kerns, das Neutronen stabil macht?"

Dies ist eine ontologische Frage, und diese sind am schwierigsten zu beantworten. Die beste Antwort, die Sie in Bezug auf die konventionelle Physik erhalten können, sind Unterschiede in der Bindungsenergie, wie Lagerbaer erklärte. Die Tabelle der Nuklide gibt empirische Beweise dafür, dass die Bindungsenergie stark mit der Nuklidstabilität verbunden ist (aber interessanterweise nicht perfekt). Das beantwortet jedoch noch nicht die WIE & WARUM-Fragen. WARUM gibt es diese Energieunterschiede?

Wenn Sie neugierig sind, werden Sie andere Erklärungen für diesen Effekt finden, aber diese sind weniger orthodox. Unsere eigene Erklärung ist hier und wird in Bezug auf eine Lösung mit versteckten Variablen gegeben http://vixra.org/abs/1111.0023

Ein Auszug aus dem ABSTRACT lautet:

Ergebnisse - Die Stabilität des Neutrons im Kern ergibt sich aus der Bildung eines komplementären gebundenen Zustands mit dem Proton. Das Neutron ist ein Vermittler zwischen den Protonen, da die diskreten Kräfte der Protonen sonst nicht kompatibel sind. Diese Bindung verleiht dem Neutron auch eine vollständige Ergänzung diskreter Kräfte, daher seine Stabilität im Kern. Die Instabilität des freien Neutrons entsteht, weil seine eigenen diskreten Feldstrukturen unvollständig sind. Folglich ist es anfällig für äußere Störungen.

Der Beitrag erläutert weiter, wie dies im Hinblick auf geordnete strukturelle Wechselwirkungen zwischen Nukleonen (Kernpolymer) funktionieren soll. Wir möchten betonen, dass diese Erklärung unorthodox ist. Nichtsdestotrotz hat es einen breiteren Nutzen, da die gleiche Mechanik das verwandte und noch schwierigere Problem erklären kann, warum ein einzelnes Nuklid (nicht nur das Neutron allein) für den Bereich Wasserstoff bis Neon stabil/instabil/nicht vorhanden ist (mindestens) http://dx.doi.org/10.5539/apr.v5n6p145

Die tiefere Frage ist also, warum das freie Neutron (n) instabil ist, warum 1H1 stabil ist, aber 1H2 instabil ist (aber eine längere Lebensdauer als n hat) und 1H3 extrem instabil ist? Wir glauben, dass wir das alles erklären können, und all die anderen bis hin zu Neon. Dieser Bereich der Nuklidtabelle ist ansonsten notorisch schwer zu erklären.

Vielleicht ist diese Erklärung für die Stabilität/Instabilität des Neutrons also doch nicht so verrückt.

"aber 1H2 ist instabil (hat aber eine längere Lebensdauer als n)" Wenn Sie das Deuteron meinen, dann nein, ist es nicht.

Aber wenn sie zusammen mit Protonen im Kern sind, sind sie stabil.

Sie wissen nicht, dass Neutronen im Kern stabil sind. Es ist eine Annahme.

Wenn sie vom Kern getrennt sind, trennen sie sich in Stücke, die ihren eigenen Weg gehen. Die Wirkung ist messbar. Beobachten Sie die Stücke.

Wenn ein Neutron in Teile zerfällt, die den Kern nicht verlassen, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass es immer noch ein Neutron ist. Es könnte zum Beispiel eine Ansammlung von Quarks sein, die über den Kern verstreut sind.

Es gibt einige Daten darüber, was im Inneren von Atomkernen passiert, insbesondere Daten darüber, was aus ihnen herauskommt, wenn sie mit hochenergetischen Teilchen beschossen werden. Die begrenzten Daten KÖNNEN im Hinblick auf Protonen und Neutronen interpretiert werden, die individuelle Identitäten beibehalten. Es gibt keinen besonderen Grund zu der Annahme, dass diese Hypothese die beste sein wird, wenn mehr Daten verfügbar werden.

Vielen Dank. Ich habe es schlecht formuliert. Ich könnte versuchen, dies jedoch separat als Frage zu tun.
Bei normalen Temperaturen verhalten sich die Nukleonen in einem Kern meistens wie stabile Einheiten. Sie verschmelzen nicht zu einer amorphen Ansammlung von Quarks. Siehe physical.stackexchange.com/q/310820/123208 Aber wie dmckee dort sagt: "Es ist jedoch erwähnenswert, dass gebundene Kerne nicht ganz dasselbe sind wie ungebundene Kerne". Sie sind keine völlig inaktiven Steine, es findet eine dynamische Interaktion statt.

Neutronen tauschen Ladung innerhalb eines Protons aus. Wenn es sich außerhalb der Grenzen eines Kerns befindet, versucht es weiterhin, einen Zustand der Neutralität zu erreichen. Ein solcher Zustand stoppt die Ladungswechselwirkung, eine vollständige Neutralität kann nicht erreicht werden, sodass er auseinanderbricht, um wieder einen aktiven Zustand des Ladungsflusses zu erreichen. Ich würde vorschlagen, sich Yukawas Konzepte von Pionen anzusehen.

Wie kommt es, dass Neutronen in einem Kern nicht zerfallen?
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