Почему нейтроны в ядре не распадаются? [дубликат]

Почему в ядре атома есть нейтроны?

Протоны заряжены положительно. Электромагнитная сила между протонами является отталкивающей, хотя остаточная сильная сила от кваркового содержимого притягивает, комбинированный потенциал не является притягивающим, чтобы создать связанное состояние.

Возьмем простую систему из двух протонов с их потенциалом отталкивания. Сильный ядерный потенциал, добавленный к электромагнитному отталкиванию, не дает связанных уровней энергии, которые могли бы вместить квантовые числа двух протонов. Добавление нейтрона с нейтральным зарядом, который (хотя и состоит из заряженных кварков) обладает общей сильной силой притяжения, преодолевает потенциал отталкивания и углубляет общий потенциал, так что он может создать потенциальную яму для захвата в ограниченном пространстве. состояние трех нуклонов, Не3, изотопа альфа-ядра , в состояниях с соответствующими квантовыми числами. Принцип запрета Паули также играет роль. Смотрите здесь .

Я знаю, что сильное взаимодействие удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре, но как это воздействует на нейтрон таким образом, что он не распадается?

Если бы не слабое взаимодействие, нейтрон тоже был бы стабильной частицей, как и протон. Таким образом, ответ на вопрос «почему» должен начинаться с основного распада нейтрона, который зависит от взаимодействия кварков со слабым взаимодействием.

Протон состоит из (uud) кварков, а нейтрон — из (udd). Как в эффективной массе, измеренной для кварков , так и в таблице частиц ап-кварк имеет наименьшую массу. (эти массы зависят от моделей, но стандартная модель очень успешно описывает взаимодействия элементарных частиц)

Верх имеет массу 2,3 МэВ, а низ 4,8. Верх стабилен, поскольку не может распадаться на кварк с меньшей массой. Чтобы превратить ап-кварк в даун-кварк, необходимо обеспечить по крайней мере 2,5 МэВ энергии.

У нейтрона есть два нижних кварка, и они могут свободно распадаться на верхний кварк, потому что он энергетически выгоден, и, таким образом, он распадается на апротон со временем жизни 900 секунд на свободе. Одиночный пух протона тоже может распасться, но нет стабильной (ууу) более низкой энергии, чем состояние протона в рамках стандартных модельных взаимодействий. Для распадов протонов нужны новые частицы-посредники, они предсказываются в различных расширенных моделях и до сих пор не обнаружены экспериментально.

Ядро - это проблема многих тел, и ее квантово-механические решения аппроксимируются, например, моделью оболочки , где эффективный потенциал удерживает нуклоны, протоны и нейтроны на связанном уровне энергии. Таким образом, в стабильном ядре нейтрон будет находиться на энергетическом уровне на 2,5 МэВ ниже порога выхода и, следовательно, не будет распадаться. В нестабильном ядре эффективный потенциал распространяется выше нулевой линии, и существуют уровни энергии, которые нейтрон может занять, но также и вероятность распада, поскольку это энергетически возможно. В простой квантово-механической модели он может туннелировать и распадаться, если энергетический уровень, на котором он связан, выше 0.

См. эту ссылку для описания модели оболочки l о том, как протон и нейтрон видят (приблизительно) потенциальную яму, сильную для нейтрона, сильную и кулоновскую для протона.

Следует иметь в виду, что при пионном обмене внутри ядра протон может превратиться в нейтрон и наоборот, в деталях взаимодействий. Таким образом, протон, находящийся на энергетическом уровне выше нулевой энергии, имеет вероятность превратиться в нейтрон в результате пионного обмена, который затем может распасться.

Поскольку ядро ​​является состоянием многих тел, квантовые числа также играют большую роль и принцип запрета Паули. Например, распад будет заторможен, если образовавшийся в результате распада нейтрона протон не имеет разрешенного энергетического уровня для занятия.

Итак, ответ на вопрос: «Но как это воздействует на нейтрон таким образом, что он не распадается?» заключается в том, что все это зависит от эффективного потенциала многих тел. Нейтроны на энергетических уровнях ниже порога выхода, связанные, не будут распадаться, в ядрах, где есть уровни энергии выше порога, они имеют вероятность распада, поскольку это энергетически возможно, если это позволяют законы сохранения квантовых чисел.

С точки зрения непрофессионала, если позволите. Распад нейтрона возможен в результате довольно неожиданного процесса, называемого слабым взаимодействием или слабым взаимодействием , с использованием силы, переносящей бозоны W или Z, которые очень энергичны и имеют массу примерно в 80 или 90 раз больше массы нейтрона. Как это возможно, объясняется в другом месте и не очень важно, но дело в том, что нейтрон не распадается легко. Это занимает 10 минут или около того, что для квантового состояния почти вечность.

Когда протон и нейтрон связываются в ядре дейтерия или дейтроне, они очень близки. Диаметр протона около 0,81 фм, а диаметр атома дейтерия около 2,1 фм. Источник . Это означает, что пространство между нейтроном и протоном в дейтроне ненамного больше, чем пространство между валентными кварками внутри протона или нейтрона.

Итак, в этом близком браке Нейтрон не может дестабилизироваться, потому что протон крепко его держит. (это на самом деле не объясняет, почему, я признаю, только то, что нейтрон находится в совершенно другом окружении, когда в ядре, а не в одиночестве), и это только предназначено как своего рода объяснение непрофессионала. Я могу удалить, если это слишком далеко от цели.

На самом деле между нуклонами происходит пионный обмен. Это является основой для остаточной сильной силы .

Когда протон и нейтрон взаимодействуют, одно из взаимодействий, которое мы получаем,

$$\rm proton^+ +neutron \rightarrow proton^++pion^-+proton^+ \rightarrow neutron+proton^+$$

Таким образом, протон становится нейтроном, а затем нейтрон становится протоном, перенося отрицательный пион.

---

Правки: @Rob Jeffries: Это честно, мой ответ на самом деле не ответил.

Протон и нейтрон не являются идентичными частицами и поэтому не ограничены исключением Паули между собой. Они могут иметь одинаковое спиновое состояние, и по какой-то причине наличие параллельных спинов дает комбинации более низкую энергию и, следовательно, большую стабильность.

Когда я ищу, почему параллельные спины имеют более низкую энергию, я просто вижу, что это утверждается как факт или в более подходящих ссылках, дается уравнение, которое подробно описывает разницу энергий.

Чего я не видел, так это физического объяснения того, почему параллельные ядерные спины имеют меньшую энергию.

Вот моя догадка (которую я постараюсь проверить). Если это правильно, то, вероятно, оно уже где-то есть. Если это неправильно, то это потому, что я просто обдумал эту идею сам.

Когда протон и нейтрон имеют одинаковые квантовые числа (и поэтому их спины параллельны), тогда, когда нейтрон передает протону отрицательный пион, конечное состояние идентично начальному состоянию. Это означает, что есть два разных пути от начального состояния к конечному состоянию: ничего не делать и передавать отрицательный пион, оба дают вам одно и то же конечное состояние.

В квантовой теории, когда возможны два разных события, поскольку они оба дают одно и то же начальное и конечное состояния, возникает интерференционный член. Например, при столкновении двух одинаковых атомов с одинаковыми спиновыми состояниями столкновение и не столкновение могут дать одно и то же конечное состояние, и поэтому две возможности интерферируют.

В случае протона и нейтрона с антипараллельными спинами перенос отрицательного пиона дал бы конечное состояние, отличное от начального состояния. Он может вернуться обратно, а затем дать то же самое конечное состояние, но (грубо говоря) каждый шаг, необходимый процессу, делает вклад этого процесса менее важным.

В случае дипротона или динейтрона перенос нейтрального пиона также дал бы такое же конечное и начальное состояние.

Так что я также подозреваю (опять же, все на мне, если это не так), что в то время как параллельная пара протон-нейтрон имеет доминирующий обмен обоими нейтральными пионами с отрицательными пионами, дипротон и динейтрон имеют только нейтральные пионы, что дает паре протон-нейтрон примерно вдвое большее связывание. .

Итак, две ключевые идеи, которые я попытаюсь проследить, следующие: (1) Делает ли процесс, имеющий одинаковое начальное и конечное состояние, более важным? (2) Означает ли, что количество подобных взаимодействий в два раза больше, чем удвоенная энергия связи?