Могут ли электрон и протон искусственно или естественным образом слиться в нейтрон?

Односложный ответ — да.

Вы также правы в том, что нейтрон — это не просто протон и электрон, живущие вместе. Процесс слияния протона и электрона происходит посредством слабого взаимодействия. В частности, ап-кварк в протоне обменивается W-бозоном с электроном. Бозон W переносит единицу положительного заряда от кварка к электрону. В этом процессе верхний кварк (заряд +2/3) превращается в нижний кварк (заряд -1/3), так что протон (uud) становится нейтроном (udd). Отрицательно заряженный электрон превращается в нейтрино. Это один важный момент, опущенный в вашем вопросе. Полная реакция есть$p+e^-\to n+\nu_e$.

Существует общий принцип квантовой теории поля, называемый перекрестной симметрией , который грубо утверждает, что для любого процесса я могу поменять местами то, что я называю начальными и конечными частицами. Так что вы правы в том, что распад нейтрона$n\to p+ e^- + \bar\nu_e$подразумевает, что процесс$p+e^-\to n+\nu_e$тоже может случиться.

Этот процесс происходит и в природе. Это один из видов радиоактивного распада ядер. Некоторые ядра с достаточно большим количеством протонов могут стать более стабильными, поглотив один из своих электронов и превратив один протон в нейтрон. Это может произойти из-за того, что электронные орбитали имеют небольшое, но ненулевое перекрытие с ядром, так что они «иногда вступают в контакт» с протонами.

Этот процесс также может происходить искусственно, как вы предлагаете. На самом деле кажется, что ускорители, используемые в медицинских учреждениях, производят нейтроны в качестве побочного продукта, именно так, как вы предполагаете, и это, по-видимому, трудность, с которой необходимо разобраться, см. эту статью .

В общем, поскольку разница масс между протоном и нейтроном составляет около МэВ, в любой системе, включающей протоны и электроны при температуре порядка МэВ или выше, обязательно будут популяции как нейтронов, так и протонов, связанных друг с другом такими процессы, относительные количества которых определяются соответствующими факторами Больцмана. Это должно включать системы, в которых происходит термоядерный синтез.

Однако реальный процесс получения гелия из водорода, насколько я понимаю, не зависит от захвата электрона протоном с образованием нейтрона. При звездном нуклеосинтезе два протона сливаются, образуя дейтерий. То есть в процессе слияния один протон превращается в нейтрон путем испускания позитрона и нейтрино. Гелий-2 (два протона) очень нестабилен, поэтому более важно преобразование протонов в нейтроны, дающее стабильный дейтерий.

Распад нейтрона не зависит от времени, поэтому, если

также обратный процесс

возможно. На самом деле входящее антинейтрино не обязательно, потому что из-за перекрестной симметрии процесс

возможно. Единственное, что нужно удостовериться, это то, что энергия электрона находится в правильном диапазоне, то есть имеет энергию в пару МэВ, чтобы компенсировать разницу масс между протоном, который легче примерно на 1,3 МэВ, чем нейтрон. и предоставить некоторую энергию (на самом деле требуется совсем немного энергии) уходящему нейтрино. Энергия электрона не должна быть слишком большой, чтобы избежать глубоконеупругого рассеяния.

Необходимо поставить вопрос о том, как эффективно производить нейтроны. Стрелять электронами по атомам водорода довольно неэффективно, так как большинство электронов на самом деле не приближаются к протону/ядру. Стрелять электронами по ядрам урана более эффективно, так как ядро ​​уже содержит 92 протона. Однако могут возникнуть и другие проблемы (радиоактивность).

Чтобы ответить на вопрос, происходит ли это естественным образом: Да. Вот что происходит с вырождением нейтронов в нейтронных звездах :

Вырождение нейтронов аналогично вырождению электронов и проявляется в нейтронных звездах, которые частично поддерживаются давлением вырожденного нейтронного газа. Коллапс происходит, когда ядро ​​белого карлика превышает примерно 1,4 массы Солнца , что является пределом Чандрасекара , выше которого коллапс не останавливается давлением вырожденных электронов . По мере коллапса звезды энергия Ферми электронов увеличивается до точки, при которой им энергетически выгодно объединяться с протонами с образованием нейтронов (посредством обратного бета-распада , также называемого захватом электронов ). В результате получается чрезвычайно компактная звезда, состоящая из ядерной материи., представляющий собой преимущественно вырожденный нейтронный газ, иногда называемый нейтронием , с небольшой примесью вырожденного протонного и электронного газов.

Вы правы, что нейтрон - это не просто "слияние" электрона и протона, а есть такой процесс, когда электрон и протон образуют нейтрон. Например, это возможный путь распада атомов, богатых протонами, и в этом случае он называется (K-)электронным захватом .

Но мне кажется очень редким процесс создания нейтрона в электрон-протонном столкновении путем выброса электронов в газообразный водород/плазму. Я думаю, что электроны и протоны должны находиться очень близко друг к другу в течение «долгого» времени, чего не происходит в этой установке, но я не совсем уверен.

При синтезе источником нейтронов является либо распад протонов (в ядрах, богатых протонами) на нейтроны и позитроны (положительный бета-распад ), либо протон-протонные «столкновения», производящие дейтерий.