¿Cómo es que los neutrones en un núcleo no se descomponen?

Sé que fuera de un núcleo, los neutrones son inestables y tienen una vida media de unos 15 minutos. Pero cuando están junto con los protones dentro del núcleo, son estables. ¿Cómo sucede eso?

Saqué esto de wikipedia:

Cuando se une dentro de un núcleo, la inestabilidad de un solo neutrón a la desintegración beta se equilibra con la inestabilidad que adquiriría el núcleo como un todo si un protón adicional participara en interacciones repulsivas con los otros protones que ya están presentes en el núcleo. Como tal, aunque los neutrones libres son inestables, los neutrones unidos no lo son necesariamente. El mismo razonamiento explica por qué los protones, que son estables en el espacio vacío, pueden transformarse en neutrones cuando se unen dentro de un núcleo.

Pero no creo que entiendo lo que eso realmente significa. ¿Qué sucede dentro del núcleo que hace que los neutrones sean estables?

¿Es lo mismo que sucede dentro del núcleo de una estrella de neutrones? Porque, los neutrones parecen ser estables allí también.

Agregaré que los neutrones libres tienen una vida media de 15 minutos, pero una vida media de unos 10 minutos. en.wikipedia.org/wiki/Neutron#Free_neutron_decay
La segunda parte es un duplicado de physics.stackexchange.com/questions/63383/…

Respuestas (7)

Los procesos espontáneos como el decaimiento de neutrones requieren que el estado final sea de menor energía que el estado inicial. En los núcleos (estables), este no es el caso, porque la energía que obtienes del decaimiento del neutrón es menor que la energía que te cuesta tener un protón adicional en el núcleo.

Para que la desintegración de neutrones en los núcleos sea energéticamente favorable, la energía ganada por la desintegración debe ser mayor que el costo energético de agregar ese protón. Esto generalmente sucede en isótopos ricos en neutrones:

Desintegración radiactiva de isótopos.

Un ejemplo es el β − -desintegración del cesio:

C s 55 137 C s → B a 56 137 B a + mi − + v ¯ mi

Para tener una primera impresión de las energías involucradas, puede consultar la fórmula semiempírica de Bethe-Weizsäcker que le permite conectar el número de protones y neutrones y le indica la energía de enlace del núcleo. Al comparar las energías de dos núcleos relacionados a través de la β − -decay se puede decir si este proceso debería ser posible o no.

Creo que podría mejorar esta respuesta agregando algunos ejemplos después de la figura, haciendo referencia a la figura. Esto ayudaría a que la respuesta tenga un "nivel" más homogéneo.
No veo cómo es posible decir "sería más inestable, si sucediera, entonces no sucede". ¿Qué tiene el núcleo que detiene el proceso aleatorio de descomposición?
@Jonathan Es la fórmula de Bethe-Weizsäckere que te dice semiempíricamente cuál es la energía de enlace de cualquier núcleo en particular. Los procesos espontáneos solo ocurren desde estados de alta a baja energía.
Ok, pero quiero decir, ¿cómo "sabe" que el estado final es de mayor o menor energía ? ¿El neutrón tiene una energía más baja cuando está dentro del núcleo, por lo que simplemente no puede desintegrarse, o es algo así como que se desintegra pero luego se revierte inmediatamente?
@Jonathan. : buena pregunta. El neutrón ni siquiera sabe cuál debería ser su estado final. En la escala cuántica, las cosas literalmente no se quedan quietas. Todos los quarks que componen un neutrón se mueven alrededor del núcleo e interactúan con otras partículas cercanas. Ahora bien, puede suceder que una de estas interacciones produzca un electrón. Si ese electrón permanece unido el tiempo suficiente y escapa del núcleo (es decir, su probabilidad de estar en el núcleo cae prácticamente a cero), los quarks restantes en el núcleo juntos tendrán las propiedades de un protón: ser un protón .
Si lo piensas bien, no es para nada antinatural. Si saltas de un avión a 40.000 pies, no importa si sabes en qué dirección está arriba y en qué dirección está abajo. Caerás en picado a la tierra de cualquier manera. Esto nos parece natural, pero la situación anterior no es tan diferente de esta.
Esto no responde a la pregunta. Es obvio que si algo es energéticamente desfavorable entonces no sucede. La pregunta es por qué es energéticamente desfavorable.
¡De ninguna forma es esta una respuesta!
"La energía que obtienes de la descomposición del neutrón es menor que la energía que te cuesta tener un protón adicional en el núcleo". También obtendrías un electrón. ¿No se equilibraría el costo de energía de un protón adicional con la ganancia de energía de un electrón atraído por todos los protones? Un protón adicional en la superficie del núcleo podría necesitar menos energía que la proporcionada por un electrón en el centro del núcleo.

El principio de exclusión de Pauli establece que no hay dos fermiones idénticos (los neutrones y los protones son fermiones; tienen giros semienteros y obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac) que pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Si el neutrón fuera a β -decaer como:

norte ⟶ pags + mi − + v mi ¯
entonces este protón recién acuñado intentará ocupar el estado cuántico con la energía más baja posible. Sin embargo, dado que ya hay muchos protones en el núcleo, este 'nuevo' protón no puede hacer eso, por lo que se verá obligado a ocupar un estado con mayor energía. Para llegar a ese estado, debe absorber algo de energía. Esta es la razón por la que los neutrones no suelen β -desintegración en el interior del núcleo. recuerda eso β -La descomposición de los neutrones dentro del núcleo no es inaudita, simplemente poco común.

¿Por qué el voto negativo? Pensé que era una buena respuesta concisa. No es tan bueno como el presentado casi simultáneamente por Lagerbauer, pero no merece un voto negativo.
Tampoco recibo el voto negativo.
Esto realmente no explica la estabilidad de los núcleos ricos en neutrones, ya que los neutrones situados en las alturas estarían libres para desintegrarse en protones.
Una respuesta tardía aquí, si alguien todavía está leyendo: uno puede explicar cualitativamente el excedente de neutrones observando que los niveles de energía de los protones aumentan por su repulsión electrostática mutua. Por lo tanto, se necesitan menos protones para llegar a un nivel de energía dado que neutrones, por lo que los neutrones de mayor energía están al mismo nivel que los protones de mayor energía aunque haya más neutrones en el núcleo.
Esta es la respuesta. La respuesta actualmente aceptada no explica por qué hay una penalización de energía a la desintegración de neutrones.
Si esta es la respuesta, entonces significa que la razón de la estabilidad del neutrón en los núcleos es la misma que la de las estrellas de neutrones: la exclusión por efectos de capa. En las estrellas de neutrones, estamos en el límite termodinámico y los neutrones no están ligados, mientras que los núcleos sufren efectos de tamaño finito y los neutrones están en estados acotados... sin embargo, la idea es la misma physics.stackexchange.com/q/63383/226902

Piense dinámicamente: sugiero que dentro del núcleo, los protones y los neutrones están continuamente 'volteando' los neutrones que se descomponen en protones y los protones absorben el electrón y el neutrino para convertirse en neutrones nuevamente y así sucesivamente. Es este mecanismo el que da origen a la Fuerza vinculante. El neutrón obviamente juega un papel clave en la estabilidad de cualquier núcleo más pesado que el hidrógeno.

No está claro exactamente cómo funciona este mecanismo, pero tal vez exista una carga neta -ve debido a la breve existencia del electrón en el proceso de decaimiento/reabsorción.

Esta fuerza vendría dada por la Ley de Coulomb

F ∝ q pags q mi r 2

dónde r es del orden del diámetro de un protón resultando en una fuerza muy fuerte

También evita la introducción de "partículas de intercambio masivo" que cuando se "intercambian" crean una fuerza "atractiva"

¿Por qué debería ser un problema introducir partículas masivas como portadoras de fuerza? Es muy posible que se forme un pión dentro de un protón y decaiga nuevamente dentro de un neutrón, intercambiando efectivamente un gluón entre los dos.

Con respecto a los neutrones en las estrellas de neutrones, la respuesta es una extensión directa del argumento utilizado por madR. En una estrella de neutrones hay en su mayoría neutrones "libres" y la pregunta entonces es ¿por qué no todos se desintegran beta en electrones y protones?

Bueno, algunos de ellos lo hacen, pero el punto es que cuando los números de electrones/protones (hay cantidades iguales de cada uno) se acumulan, se vuelven degenerados y las correspondientes energías de Fermi aumentan. En algún umbral de densidad numérica, sus energías de Fermi excederán la energía máxima de las partículas que pueden producir los neutrones en desintegración beta. En ese punto, la desintegración beta prácticamente se detiene y se establece un equilibrio entre la desintegración beta y la desintegración beta inversa, de modo que las energías de Fermi de las especies están relacionadas por

mi F , norte = mi F , pags + mi F , mi

Usted preguntó CÓMO es que el neutrón enlazado es estable, pero el neutrón libre no lo es: '¿Qué sucede dentro del núcleo que hace que los neutrones sean estables?'

Esta es una pregunta ontológica y estas son las más difíciles de responder. La mejor respuesta que puede obtener en términos de física convencional son las diferencias en la energía de enlace, como explicó Lagerbaer. La Tabla de Nucleidos da evidencia empírica de que la energía de enlace está fuertemente asociada con la estabilidad de los nucleidos (pero curiosamente no es perfectamente así). Sin embargo, eso todavía no responde a las preguntas de CÓMO y POR QUÉ. ¿POR QUÉ existen esas diferencias de energía?

Si tienes una mente curiosa, encontrarás otras explicaciones de este efecto, pero estas son menos ortodoxas. Nuestra propia explicación está aquí y se da en términos de una solución de variable oculta http://vixra.org/abs/1111.0023

Un extracto del RESUMEN dice:

Hallazgos - Se encuentra que la estabilidad del neutrón dentro del núcleo surge de la formación de un estado enlazado complementario con el protón. El neutrón es un intermediario entre los protones, ya que las fuerzas discretas de los protones son incompatibles. Este enlace también proporciona un complemento completo de fuerzas discretas al neutrón, de ahí su estabilidad dentro del núcleo. La inestabilidad del neutrón libre surge porque sus propias estructuras de campo discretas están incompletas. En consecuencia, es vulnerable a perturbaciones externas.

El documento continúa explicando cómo se propone que funcione esto, en términos de interacciones estructurales ordenadas entre nucleones (polímero nuclear). Destacaríamos que esta explicación es poco ortodoxa. No obstante, tiene una utilidad más amplia ya que la misma mecánica puede explicar el problema relacionado e incluso más difícil de por qué cualquier nucleido (no solo el neutrón por sí solo) es estable/inestable/inexistente para el rango Hidrógeno a Neón (al menos) http://dx.doi.org/10.5539/apr.v5n6p145

Entonces, la pregunta más profunda es por qué el neutrón libre (n) es inestable, por qué 1H1 es estable, pero 1H2 es inestable (pero tiene una vida más larga que n) y 1H3 es extremadamente inestable. Creemos que podemos explicar todo eso, y todos los demás hasta por lo menos Neon. Por lo demás, esta región de la tabla de nucleidos es notoriamente difícil de explicar.

Entonces, tal vez esa explicación de la estabilidad/inestabilidad del neutrón no sea tan loca después de todo.

"pero 1H2 es inestable (pero tiene una vida más larga que n)" Si te refieres al deuterón, entonces no, no lo es.

Pero cuando están junto con los protones dentro del núcleo, son estables.

No sabes que los neutrones son estables dentro del núcleo. Es una suposición.

Cuando están separados del núcleo, se separan en pedazos que siguen su propio camino. El efecto se puede medir. Observa las piezas.

Si un neutrón se separa en pedazos que no salen del núcleo, no hay razón para pensar que sigue siendo un neutrón. Podría ser, por ejemplo, una colección de quarks que se dispersan por todo el núcleo.

Hay algunos datos sobre lo que sucede dentro de los núcleos atómicos, en particular datos sobre lo que sale de ellos cuando son bombardeados con partículas de alta energía. Los datos limitados PUEDEN interpretarse en términos de protones y neutrones que mantienen identidades individuales. No hay ninguna razón particular para creer que a medida que haya más datos disponibles, esta hipótesis parecerá la mejor.

Gracias. Lo expresé mal. Sin embargo, podría intentar hacer esto como una pregunta por separado.
A temperaturas normales, los nucleones en un núcleo se comportan como unidades estables, en su mayoría. No se funden en una colección amorfa de quarks. Consulte physics.stackexchange.com/q/310820/123208 Pero como dice dmckee allí, "Sin embargo, vale la pena señalar que los núcleos unidos no son lo mismo que los núcleos no unidos". No son ladrillos totalmente inertes, está ocurriendo una interacción dinámica.

Los neutrones intercambian carga dentro de un protón. Cuando está fuera de los confines de un núcleo continúa tratando de alcanzar un estado de neutralidad. Tal estado detiene la interacción de carga, no se puede lograr la neutralidad completa, por lo que se rompe para alcanzar nuevamente un estado activo de flujo de carga. Sugeriría mirar los conceptos de piones de Yukawa.

¿Cómo es que los neutrones en un núcleo no se descomponen?
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