Ядерный бета-распад до водорода

Этого, очевидно, не может произойти [1] при ядерном бета-распаде , так как протон остается связанным с ядром , а электрон и антинейтрино$\bar \nu$излучаются с большой кинетической энергией. Таким образом, протон не может соединиться с выброшенным электроном с образованием атома водорода.

Но это может и редко случается со свободными нейтронами , а не с нейтронами, связанными с ядром.

В этой статье здесь рассказывается об этом процессе, называемом свободным распадом нейтрона . Согласно ссылке, на каждый миллион событий распада нейтрона в среднем только четыре приводят к образованию атома водорода. В таких случаях электрон, образовавшийся в результате распада, имеет энергию меньше, чем$13.6 \ eV$(энергия связи электрона в атоме водорода) и поэтому может связываться с протоном.

Но в значительном большинстве случаев распада свободного нейтрона энергия образовавшегося электрона имеет энергию$\approx 0.80 \ MeV$что значительно выше, чем энергия связи для упомянутого выше состояния протон + электрон.

[1] Сказав все это, я отметил в комментарии Роба выше, что существует гипотетический и непроверенный механизм связанного ядерного бета-распада и образования водорода . Аннотация читает

В течение многих лет распад нейтрона изучался как возможный путь к исследованию новой физики. Одним из таких примеров является связанный бета-распад (BoB) нейтрона на атом водорода и антинейтрино. Этот двухчастичный режим распада предлагает очень элегантный метод изучения спиральности нейтрино, как и эксперимент Гольдхабера. Однако этот редкий распад до сих пор не наблюдался из-за проблем с измерением распада, в котором участвуют только электрически нейтральные частицы с предполагаемым коэффициентом ветвления всего 10-6 для трехчастичной моды распада. В частности, для такого эксперимента потребуется интенсивный источник тепловых нейтронов, такой как FRMII в Гархинге, ILL в Гренобле или ESS в Лунде. В этой статье дается краткое изложение новой экспериментальной схемы, которую мы предлагаем для наблюдения за распадом нейтрона BoB.

И в бумаге

В 1947 г. Додель, Жан и Лекойн предсказали существование режима бета-распада двух тел, при котором дочернее ядро ​​и электрон остаются связанными (Додель, Жан и Лекойн (1947)). Для бета-распада свободного нейтрона это называется «связанным бета-распадом» или «BoB» .

Я никогда не замечал эту область исследований, и она очень интересна.

Когда покоящаяся частица распадается, сумма импульсов осколков должна равняться нулю, потому что импульс остается постоянным при отсутствии внешней силы. При распаде двух тел это означает, что два фрагмента имеют равные и противоположные импульсы. При трехчастичном распаде величины различных импульсов принимают разные значения в зависимости от углов между ними. Вычислить детали спектра сложно, но приближение маханием рукой состоит в том, что каждый фрагмент несет примерно одинаковое количество импульса.

Это означает, что почти вся энергия распада уносится маломассивным электроном и ультрарелятивистским нейтрино: бедному ядру приходится нести только кинетическую энергию.$\sim p^2/2M$, а электрон переносит$\sim p^2/2m_e$.

Причина, по которой мы можем отделить ядерную физику от атомной физики, заключается в том, что энергетические масштабы, участвующие во взаимодействиях, сильно различаются. Чтобы отделить электрон от атома водорода, вы должны передать ему минимум 13 электрон-вольт (эВ) энергии. Но типичная энергия ядерного распада равна$10^6$эВ. Таким образом, в подавляющем большинстве распадов электрон и ядро ​​движутся в разных направлениях, имея слишком много энергии, чтобы электромагнитная сила могла их связать.

Однако есть очень маленький угол пространства параметров, где почти вся энергия уносится нейтрино, оставляя дочернее ядро ​​и электрон распада почти в покое. Это называется «бета-распад двух тел» или «связанный бета-распад». Для свободного нейтрона, энергия бета-распада которого составляет около 0,8 МэВ, связанный распад

В принципе, вы можете применить ту же логику к более тяжелым бета-излучателям. Одним из кандидатов может быть распад связанного трития,

Вы никогда не ожидали бы найти распад, как

потому что для выбивания протона или нейтрона из стабильного ядра требуется не менее 10 МэВ, а бета-распад обычно не такой энергичный.

Вкратце: такие распады предсказаны, редки, еще не наблюдались, но на самом деле не вызывают сомнений.

Похоже, вы спрашиваете о распаде свободного нейтрона, а не о бета-распаде радионуклида. Распад нейтрона приводит к высвобождению протона, электрона и антинейтрино, каждый из которых обладает кинетической энергией, поскольку это экзотермический процесс (масса покоя нейтрона больше, чем масса покоя протона плюс электрон, антинейтрино имеет нулевую массу покоя). 0,78 МэВ — полная кинетическая энергия протона, электрона и антинейтрино. Поскольку электрон обладает кинетической энергией, он «ускользает» из своей точки происхождения и имеет очень низкую вероятность соединения с протоном с образованием атома водорода. Если электрон не покидает окружающую среду, он в конечном итоге будет захвачен и образует ион внутри среды (то же самое для протона).

Распад нейтрона дает 0,782 МэВ, в виде кинетической энергии его частей.

Энергия ионизации водорода составляет 13,6 эВ.

Таким образом, распавшиеся части имеют примерно в 50 тысяч раз больше энергии, чем водород может выдержать до ионизации. А закон сохранения импульса заставит эти частицы разлетаться, дальше друг от друга. Поскольку они не остаются вместе, их не называют водородными.