Что заставляет калий распадаться на аргон так, как это происходит

Question

Что заставляет калий распадаться на аргон так, как это происходит

пользователь1904218

«Калий-40 распадается на аргон-40 посредством процесса, известного как захват электрона. При захвате электрона электрон из самой внутренней электронной оболочки «падает» на ядро, заставляя протон превращаться в нейтрон».

Что означает «падение» электрона на ядро, что происходит с электроном? Это электрон, который впоследствии будет испущен? Почему он не распадается, испуская альфа-частицу?

dmckee --- котенок экс-модератор

Было бы полезно прочитать о природе s-оболочек и функциях распределения электронов по положению. Скажите physics.stackexchange.com/questions/135222/… или physics.stackexchange.com/questions/20003/… ?.

пользователь16622

Углерод-14 не распадается, испуская альфа-частицу. Он распадается, испуская электрон и электронное антинейтрино, превращаясь в азот-14.

пользователь1904218

@ user16622: дерьмо, ты прав. Я только начал изучать этот материал, и иногда это может сбивать с толку.

Ответы (2)

Что заставляет калий распадаться на аргон так, как это происходит

Было бы полезно прочитать о природе s-оболочек и функциях распределения электронов по положению. Скажите physics.stackexchange.com/questions/135222/… или physics.stackexchange.com/questions/20003/… ?.
Углерод-14 не распадается, испуская альфа-частицу. Он распадается, испуская электрон и электронное антинейтрино, превращаясь в азот-14.
@ user16622: дерьмо, ты прав. Я только начал изучать этот материал, и иногда это может сбивать с толку.

Любош Мотл · Answer 1

Любош Мотл

Распад калия-40 до аргона-40 является либо $\beta^+$ распад, при котором испускается не электрон, а позитрон

^{40} К \to^{40} А р + е^{+} + ν_{е}

${}^{40}{\rm K} \to {}^{40}{\rm Ar} + e^+ + \nu_e$ или, чаще (если у нас есть целые атомы), упомянутый вами электронный захват, при котором в конце не испускаются заряженные лептоны! Около 11% распадов калия-10 протекает таким образом.

^{40} К + е^{-} \to^{40} А р + ν_{е}

${}^{40}{\rm K} + e^- \to {}^{40}{\rm Ar} + \nu_e$ Остальные 89% распадов калия-40 идут на кальций-40 (бета-плюс-распад составляет малые доли процента). Обратите внимание, что две приведенные выше реакции отличаются тем, что позитрон перемещается с правой стороны на левую, так что знак должен быть изменен.

Калий-40 имеет 19 протонов и 21 нейтрон. Аргон-40 имеет 18 протонов и 22 нейтрона. Итак, если мы сосредоточимся на «минимальной части» ядер, приведенные выше реакции могут быть сведены либо к

п \to н + е^{+} + ν_{е}

$p \to n + e^+ + \nu_e$ или

п + е^{-} \to н + ν_{е}

$p+e^- \to n + \nu_e$ которые являются стандартными реакциями переключения протонов и нейтронов. В частности, вторая реакция, отображаемая прямо над этой строкой, представляет собой более «микроскопическое» описание захвата электрона, которое вас в первую очередь интересует.

Эти реакции сохраняют электрический заряд, барионное и лептонное числа. Они также должны сохранять энергию. Свободный протон не может распасться на нейтрон и две другие частицы, потому что он легче. Даже у протона и низкоскоростного электрона не будет достаточно массы/энергии, чтобы произвести нейтрон (плюс нейтрино), как во второй реакции.

Но когда протоны и нейтроны являются частями целых ядер, на энергии начальных и конечных ядер влияют ядерные взаимодействия. В частности, ядро аргона-40 (и особенно атом) сильно связано, что означает более легкий вес, и поэтому реакции, в которых аргон-40 появляется как продукт, «более возможны».

Подводя итог, электронный захват (=падение электрона) просто означает, что протон имеет ненулевую вероятность встретиться с одним из электронов — вероятно, во внутренних оболочках — и слиться в новую частицу, нейтрон плюс нейтрино. Этот процесс не может происходить в вакууме из-за сохранения энергии, но в контексте ядра взаимодействия с другими нейтронами и протонами делают конечное состояние с новым нейтроном благоприятным.

Наоборот, альфа-распады более редки. Среди 24 изотопов калия только калий-36 может подвергаться альфа-распаду. Углерод-14 тоже не подвергается альфа-распаду. Среди изотопов углерода только углерод-9 альфа-распадает. Оба этих альфа-распада должны предшествовать бета-распаду. Обычно достаточно тяжелые ядра (со слишком малым избытком нейтронов) альфа-распадают.

dmckee --- котенок экс-модератор

«захват электрона, о котором вы упомянули, при котором в конце не испускаются лептоны!» Может быть, лучше сказать «заряженных лептонов нет», потому что нейтрино присутствует в конечном состоянии.

Любош Мотл

Да, ваша поправка правильная.

луювули

Из кварковой диаграммы Фейнмана (

u \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+e^+ +\nu_e$ ), делает

β^{+}

$\beta^+$ означает, что исходный u-кварк (в данном случае) тяжелее d-кварка? (Я так не думаю.) Если нет, то как нарисовать схему этого процесса? Я думаю, что энергия связи должна стать какой-то виртуальной частицей (но что это за виртуальная частица?), и она сталкивается с u-кварком, а затем этот виртуальный u-кварк распадается?

Любош Мотл

Уважаемый @luyuwuli, верхний кварк действительно легче в «изоляции» (за исключением того, что его нельзя изолировать), чем нижний кварк, но сохраняется только полная энергия/масса. Есть и другие вклады в него, от взаимодействий кварков друг с другом и т. д., и изменения между начальными и конечными протонами/нейтронами/ядрами. Если вы посмотрите, то увидите, что масса покоя начального ядра превышает сумму конечных масс покоя, поэтому закон сохранения энергии не запрещает этот процесс.

Любош Мотл

Все такие бета-распады (независимо от знаков) являются признаком «слабого ядерного взаимодействия». Во всех известных виртуальная частица представляет собой W-бозон (с зарядом Q=+1 или Q=-1). Верхний кварк превращается в нижний кварк при испускании положительного W-бозона. Этот положительный W-бозон распадается на пару позитрон-нейтрино. (Можно также иметь антинейтрино, поглощающее W-бозон и превращающееся в позитрон, или что-то в этом роде.) Это точно так же, как обмен виртуальными фотонами, за исключением того, что виртуальный W-бозон несет заряд и превращает один вид фермионов в «подобный один", но с другим зарядом.

Любош Мотл

См., например, эту картинку en.wikipedia.org/wiki/Beta_decay#.CE.B2.E2.88.92_decay с виртуальным W-бозоном в бета-распаде. Аналогичен обратному.

луювули

@LubošMotl Спасибо за подробное объяснение. Я полностью согласен с тем, что вы сказали. Однако мой вопрос заключается в том, чтобы понять эти дополнительные вклады. Конкретно, можно ли преобразовать эти дополнительные «вклады» в диаграммы?

u \to d + W^{+} \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+W^+\to d+e^+ +\nu_e$ кажется, утверждает, что u тяжелее, чем d, и эти дополнительные вклады вообще не показаны. Должно быть что-то помимо диаграммы фейнмана. Или, поскольку кварки ограничены, «ограниченная масса u-кварка» временно тяжелее, чем «ограниченная масса d-кварка» из-за этих дополнительных вкладов?

Любош Мотл

Привет, W-бозон виртуальный, поэтому ему не нужно подчиняться

E^{2} = m_{0}^{2} c^{4} + p^{2} c^{2}

$E^2 = m_0^2 c^4+ p^2 c^2$ , и, следовательно, просто неверно, что масса

u

$u$ должна превышать массу

d

$d$ плюс масса

W

$W$ . Это точно не так,

W

$W$ составляет более 80 ГэВ, что намного тяжелее любого

u

$u$ или

d

$d$ кварк. Этот момент — что означает, что виртуальная частица должна быть виртуальной — сделал бы недействительным любой ваш вывод о любом процессе с виртуальными частицами, так что ваша ошибка не имеет ничего общего с конфайнментом или другими особенностями кварков.

луювули

@LubošMotl Меня не проинформировали о вашем комментарии, так что прошло много времени после комментария по этому поводу. Возможно, я еще не совсем ясно выразился. Я не говорю, что

m (u) > m (W)

$m(u)>m(W)$ потому что (как вы объяснили)

W

$W$ не находится на оболочке. Мой вопрос в том, может ли уд кварк в

u \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+e^+ + \nu_e$ быть в оболочке? Если да , то как может происходить этот процесс, если u легче d? Таким образом, я заключаю, что, поскольку кварки всегда замкнуты, условие «на оболочке» определено нечетко . В некоторых случаях масса кварка u может быть больше d.

луювули

@LubošMotl Вот почему я сомневаюсь, что масса кварка может изменяться в зависимости от окружающей среды или из-за особых свойств кварков (ограничение, потому что вы никогда не наблюдаете кварк на оболочке), у нас всегда есть место, чтобы определить эффективную массу, чтобы изменить массовые отношения. Поэтому я настаиваю на том, что неправильно говорить, что

m (u)

$m(u)$ всегда меньше, чем

m (d)

$m(d)$ .

Любош Мотл

Уважаемый @luyuwuli - конечно же в процессе

u \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+e^+ +\nu_e$ , по крайней мере одна из частиц должна быть вне оболочки — или быть частью более широкой системы с некоторыми энергиями взаимодействия — потому что общая сумма продуктов превышает массу ап-кварка. Я говорю о взаимодействиях, потому что внутри протонов, нейтронов или ядер просто происходит «элементарная реакция».

u

$u$ становится

d

$d$ , но подсчет энергии другой, потому что взаимодействия кварка с окружением тоже меняются, и такой процесс действительно становится возможным для многих окружений. Это то что

β^{+}

$\beta^+$ распады есть.

Любош Мотл

m (u)

$m(u)$ всегда меньше, чем

m (d)

$m(d)$ . Это действительно константы Природы. В лучшем случае можно сказать, что они зависят от масштаба энергии перенормировки

E

$E$ но это все же правда, что

u

$u$ легче, чем

d

$d$ для любого значения

E

$E$ . Это никоим образом не запрещает бета-распады, потому что энергия ядер и т. Д. Не определяется просто

m (u)

$m(u)$ или

m (d)

$m(d)$ . Есть много терминов взаимодействия, которые вы, кажется, упускаете из виду, и это приводит вас ко всем вашим нелепым выводам.

луювули

@LubošMotl Тем не менее, я согласен с большей частью того, что вы сказали. Но я считаю, что нужно сравнивать

m (u, E_{1})

$m(u,E_1)$ и

m (d, E_{2})

$m(d,E_2)$ в разных энергетических масштабах из-за смены ядер окружения. Когда кто-то использует диаграмму Фейнмана, он неявно предполагает, что начальное и конечное состояния свободны , что не согласуется с реальностью. Однако можно по-прежнему использовать диаграмму Фейнмана, потому что другие взаимодействия могут быть учтены в эффективной массе кварков (свободные кварки против одетых кварков).

Любош Мотл

Извините, я не понимаю, что вы говорите. Если вы оцените массы ап- и даун-кварков на близких масштабах перенормировки, которые различаются в два раза или около того, все равно будет верно, что ап-кварк легче. Ренормализационная группа работает медленно.

луювули

Извините за мой плохой английский. Я хочу сказать, что, несмотря на то, что мы считаем, что процесс описывается диаграммой Фейнмана, тонкость заключается в интерпретации задействованной массы. Поскольку нельзя отключить другие взаимодействия, необходимо суммировать эти взаимодействия в эффективную массу. Точно так же, как текущая масса кварка по сравнению с массой составного кварка, вкус тот же, но масса действительно отличается. Учредительный кварк - это текущий кварк + другие сложные взаимодействия.

луювули

То же самое происходит здесь в

β^{+}

$\beta^+$ разлагаться. Чтобы решить дилемму между текущими отношениями масс кварков ud-кварков и сохранением энергии. Концептуально будет лучше подчеркнуть, что масса, показанная на диаграмме Фейнмана, — это не текущая масса кварка, а некоторая эффективная масса с учетом других взаимодействий.

луювули

@LubošMotl Возможно, система не сообщила вам о моих комментариях, и извините, что беспокою вас так долго. Тем не менее, я все еще хочу знать, как вы относитесь к моим последним двум комментариям?

Любош Мотл

Уважаемый @luyuwuli - когда вы рассматриваете взаимодействия составных объектов, таких как ядра, вы должны сделать что-то «сложнее», чем просто заменить массы кварков некоторыми другими (эффективными) массами. Вы должны встроить элементарные взаимодействия кварков (маленькая диаграмма Фейнмана) в объемную часть большей диаграммы Фейнмана, которая также включает другие частицы в ядре, участвующие в процессе. Они получают удар, поэтому неправильно предполагать, что «распадающиеся кварки» — единственные, которые изменяются во взаимодействии, и поэтому простое использование эффективных параметров на самом деле не работает.

луювули

@LubošMotl Конечно, рассматривать весь процесс как изменение вкуса одного кварка слишком упрощенно. Я думаю, раз мы согласны с основным процессом, пора заканчивать дискуссию. Спасибо за ваше терпение и объяснение.

Анна В · Answer 2

Электронный захват

Электронный захват (K-электронный захват, также K-захват, или L-электронный захват, L-захват) — это процесс, при котором богатое протонами ядро электрически нейтрального атома поглощает внутренний атомный электрон, обычно из K или L электронная оболочка. Таким образом, этот процесс превращает ядерный протон в нейтрон и одновременно вызывает испускание электронного нейтрино.

p + e− → n + ν_e

K,L,M — главное квантовое число (n) орбиталей электронов.

Орбитали электронов дают вероятность того, что электрон будет найден в (x, y, z). При l=0 (квантовое число углового момента) электроны имеют вероятность прохождения через ядро. Если ядро неустойчиво по отношению к другому, т.е. существует дополнительная энергия, необходимая для создания нейтрона и электронного нейтрино из протона и электрона, то происходит захват электрона и появляется меньшее на одно Z ядро.

Что заставляет калий распадаться на аргон так, как это происходит

пользователь1904218

dmckee --- котенок экс-модератор

пользователь16622

пользователь1904218

Ответы (2)

Любош Мотл

dmckee --- котенок экс-модератор

Любош Мотл

луювули

Любош Мотл

Любош Мотл

Любош Мотл

луювули

Любош Мотл

луювули

луювули

Любош Мотл

Любош Мотл

луювули

Любош Мотл

луювули

луювули

луювули

Любош Мотл

луювули

Анна В

Почему атомы поглощают энергию только в виде излучения или тепла?

Принцип неопределенности для интерпретации составных объектов

Двухуровневая система вращения в колебательной силе

Когда происходит захват электрона и когда происходит испускание позитрона?

Существует ли аналогичный закон снятия возбуждения атомов, подобный радиоактивному распаду?

Туннелирование альфа-частиц

Почему нельзя найти электроны внутри ядра, если существует бесконечное число орбиталей?

Что производит эту спектральную линию 477 кэВ?

Почему атомы не излучают энергию? [дубликат]

Утечка рентгеновского излучения