Почему в водороде нет нейтрона?

Ваш вопрос сводится к тому, почему протоны в очень ранней Вселенной не объединились с нейтронами, чтобы сформировать дейтроны (протон плюс нейтрон).

Ответ заключается в том, что да: есть короткий промежуток времени, когда дейтроны могут образоваться, и Вселенная достаточно остыла, чтобы они не распались сразу. Однако система находится в тепловом равновесии, стремясь таким образом минимизировать общую плотность энергии; хотя дейтроны стабильны, гелий - гораздо более стабильное ядро, и в результате дейтроны быстро объединяются, образуя гелий, и это поглощает все доступные нейтроны в ранней Вселенной. Таким образом, подавляющее большинство водорода находится в форме безнейтронного изотопа.

Протоны могут впоследствии превращаться в дейтроны во время ядерного синтеза в звездных ядрах. Образование дейтронов является первой стадией pp-цепи ядерных реакций превращения водорода в гелий. Таким образом, значительная часть (возможно, 10-20%) водорода в большинстве звезд действительно преобразуется (на короткое время) в дейтерий в течение их жизни на главной последовательности, но опять же дейтроны тогда весьма нестабильны для последующих реакций, которые быстро синтезируют гелий. Таким образом, чистый эффект звездного нуклеосинтеза заключается в уничтожении дейтронов — как тех, которые образовались в звездном нуклеосинтезе, так и тех, которые образовались в ранней Вселенной.

Таким образом, во Вселенной очень мало дейтерия, потому что для его производства в результате синтеза требуется достаточно высокая температура, чтобы позволить дальнейший синтез для производства более энергетически выгодного гелия. Для этого потребовался бы какой-то неравновесный процесс, который производил бы материал, обогащенный дейтерием, а затем охлаждал его в короткие промежутки времени. По тем же причинам очень трудно получить дейтерий путем деления (например, реакции расщепления). Здесь проблема в том, что распад с образованием альфа-частиц и свободных нейтронов более выгоден с энергетической точки зрения.

Аналогичные аргументы относятся к тритиевой (один протон, два нейтрона) форме водорода. Он также может образовываться в мизерных количествах при Большом взрыве и внутри звезд или в результате реакций расщепления, но здесь есть дополнительная проблема, заключающаяся в том, что любой произведенный тритий нестабилен с периодом полураспада 12,3 года. Таким образом, любой тритий, который мы наблюдаем в природе, должен был образоваться совсем недавно в результате энергетических событий (например, образование в атмосфере в результате столкновений космических лучей).

Нейтроны обычно действуют как буферы в ядрах. Протоны положительны и отталкивают положительные вещи, которые находятся рядом с ними. Таким образом, нейтроны без заряда действуют как буферы, уменьшая силу отталкивания. Остаточное сильное взаимодействие удерживает вместе и протоны, но вопрос не в этом.

Поскольку нейтроны действуют как буферы для протонов (имейте в виду множественное число), в них нет реальной необходимости в водороде, у которого есть только один протон. Нет необходимости в буферизации. Следовательно, во многих Водородах нет нейтронов, поскольку он просто не нужен для существования Водорода.

Теперь Водород может существовать с нейтронами, хотя количество Водорода с нейтронами ничтожно мало по сравнению с количеством Водорода без нейтронов. Самый распространенный изотоп — протий, без нейтронов. Затем идет дейтерий с одним нейтроном и тритий с двумя.

Чтобы образовался дейтерий, первые два протона должны преодолеть свое электростатическое отталкивание, чтобы слиться с образованием ядра гелия-2, которое затем подвергнется бета-распаду. Неудивительно, что большая часть водорода этого не делает. Дейтерий в основном является побочным продуктом Большого Взрыва, который если что и уничтожается в звездах.