¿Cuál es la diferencia entre un neutrón y un hidrógeno?

Un neutrón no es un protón y un electrón agrupados (como su pregunta parece sugerir que piensa)

Un átomo de hidrógeno es un estado ligado de un electrón y un protón (unidos por la fuerza electromagnética ), mientras que un neutrón es un estado ligado de tres quarks (unidos por la fuerza fuerte ).

Puede sentirse tentado a pensar que un neutrón también es un estado ligado de un electrón y un protón porque un neutrón puede descomponerse en un electrón y un protón y el neutrón también es un poco más masivo que un protón. Pero estarías equivocado. Este es el por qué:

Tanto un neutrón como un protón son estados ligados de tres quarks. La desintegración beta puede convertir un neutrón en un protón como este

Aquí, uno de los quarks down en el neutrón se convierte en un quark up, un electrón y un antineutrino a través de la mediación de la fuerza débil . Como el quark up tiene una carga de$+2/3$y el quark abajo$-1/3$, eso explica la diferencia de carga de un neutrón y un protón.

Eso es lo que convierte un neutrón en un protón, no una especie de eyección de un electrón fuera del neutrón, sino una transmutación genuina de una partícula fundamental (un quark down) a través de la fuerza débil.

Un neutrón es un fermión, un átomo de hidrógeno es un bosón. Esto está relacionado con el hecho de que un neutrón se desintegra en tres fermiones en lugar de dos, que es lo que parece pensar.

Un neutrón está compuesto por tres quarks de valencia,$u,d,d$, mientras que un átomo de hidrógeno está hecho de$u,u,d,e^-$.

El tamaño interno de un neutrón es aproximadamente$10^{-14}$metros mientras que el tamaño interno del átomo de hidrógeno es de aproximadamente$10^{-10}$metros, unas 10.000 veces más grande, lo que le da al hidrógeno un billón de veces más volumen.

Los estados excitados (pero aún unidos) de un átomo de hidrógeno tienen energías que difieren en un máximo de 13,6 electronvoltios. Por otro lado, las excitaciones de un neutrón tienen que sumar muchos MeVs, un millón de veces más energía.

El átomo de hidrógeno es una partícula estable, despreciando la desintegración del protón por un tiempo. La vida útil de un neutrón es de solo 15 minutos.

El comportamiento del neutrón es estudiado por la física nuclear; el comportamiento de los átomos es estudiado por la física atómica que es algo muy diferente, se refiere a diferentes escalas de longitud y escalas de energía.

En términos mucho más generales, es una falacia imaginar que si una partícula X se descompone en YZ, entonces X es "lo mismo" que YZ. Se puede decir que tiene las mismas cargas conservadas. Pero las cargas conservadas no definen completamente la identidad de un objeto.

El neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Entonces, incluso los componentes finales son diferentes del hidrógeno, que es solo un protón con un electrón orbitando a su alrededor.

Las fuerzas de unión también son diferentes. El protón y el electrón están unidos por la fuerza electromagnética. El neutrón por el fuerte al resto de los nucleones en un núcleo. Cuando se descompone, se descompone por la fuerza débil.

Echa un vistazo a esta presentación para profesores donde también verás lo que hay dentro de un neutrón y un protón y entenderás mejor la naturaleza de las partículas.