Decaimiento beta nuclear a hidrógeno

Esto obviamente no puede suceder[1] en la desintegración beta nuclear , ya que el protón permanece unido al núcleo mientras que el electrón y el antineutrino$\bar \nu$se emiten con una alta energía cinética. Entonces, el protón no puede combinarse con el electrón expulsado para formar un átomo de hidrógeno.

Pero esto puede suceder y sucede rara vez para los neutrones libres y no para los neutrones que están unidos a un núcleo.

Este artículo aquí habla de este proceso llamado decaimiento libre de neutrones . Según el enlace, por cada millón de eventos de decaimiento de neutrones, en promedio solo cuatro darán como resultado la formación de un átomo de hidrógeno. En tales casos, el electrón resultante de la desintegración tiene una energía menor que$13.6 \ eV$(energía de enlace del electrón en el átomo de hidrógeno) y así puede unirse al protón.

Pero en una gran mayoría de eventos de decaimiento de neutrones libres, la energía del electrón resultante tiene energía$\approx 0.80 \ MeV$que es significativamente más alta que la de la energía de enlace para el estado protón + electrón mencionado anteriormente.

[1]Habiendo dicho todo esto, señalé en un comentario anterior de Rob, que existe un mecanismo hipotético y no verificado para la desintegración beta nuclear unida y la formación de hidrógeno . El resumen dice

Durante muchos años, la desintegración de neutrones se ha investigado como un posible camino para la exploración de nueva física. Un ejemplo de ello es la desintegración beta unida (BoB) del neutrón en un átomo de hidrógeno y un antineutrino. Este modo de descomposición de dos cuerpos ofrece un método muy elegante para estudiar las helicidades de los neutrinos, tal como lo ha hecho el experimento de Goldhaber. Sin embargo, esta rara descomposición aún no se ha observado hasta ahora debido a los desafíos de medir una descomposición que involucra solo partículas eléctricamente neutras con una relación de ramificación estimada de solo 10-6 del modo de descomposición de tres cuerpos. Específicamente, se requeriría una fuente intensa de neutrones térmicos para tal experimento, como el FRMII en Garching, el ILL en Grenoble o el ESS en Lund. Este artículo proporciona un resumen del nuevo esquema experimental que proponemos para observar el decaimiento del neutrón BoB,

Y en el papel

En 1947, Daudel, Jean y Lecoin predijeron la existencia de un modo de desintegración beta de dos cuerpos en el que el núcleo hijo y el electrón permanecían unidos (Daudel, Jean y Lecoin (1947)). Para la desintegración beta del neutrón libre, esto se conoce como "desintegración beta unida" o "BoB" .

Nunca me había fijado en esta área de investigación y es muy interesante.

Cuando una partícula en reposo decae, el momento de los fragmentos tiene que sumar cero, porque el momento es una constante cuando no hay ninguna fuerza externa. En una descomposición de dos cuerpos, esto significa que los dos fragmentos tienen momentos iguales y opuestos. En una descomposición de tres cuerpos, las magnitudes de los diferentes momentos toman diferentes valores dependiendo de los ángulos entre ellos. Calcular los detalles del espectro es difícil, pero la aproximación manual es que cada fragmento lleva aproximadamente la misma cantidad de impulso.

Esto significa que casi toda la energía en la desintegración se la lleva el electrón de baja masa y el neutrino ultrarrelativista: el núcleo pobre solo llega a transportar energía cinética.$\sim p^2/2M$, mientras que el electrón llega a transportar$\sim p^2/2m_e$.

La razón por la que podemos separar la física nuclear de la física atómica es que las escalas de energía involucradas en las interacciones son muy diferentes. Para separar un electrón de un átomo de hidrógeno, debe suministrarle un mínimo de 13 electronvoltios (eV) de energía. Pero la energía típica en una desintegración nuclear es$10^6$eV. Entonces, en la gran mayoría de las desintegraciones, el electrón y el núcleo van en diferentes direcciones, con demasiada energía para que la fuerza electromagnética los una.

Sin embargo, hay un rincón muy pequeño del espacio de parámetros donde el neutrino se lleva casi toda la energía, dejando al núcleo hijo y al electrón de desintegración casi en reposo. Esto se denomina "desintegración beta de dos cuerpos" o "desintegración beta unida". Para el neutrón libre, cuya energía de desintegración beta es de alrededor de 0,8 MeV, la desintegración ligada

En principio, podría aplicar la misma lógica a los emisores beta más pesados. Un candidato podría ser la descomposición del tritio ligado,

Nunca esperarías encontrar una decadencia como

porque se necesitan al menos 10 MeV para sacar un protón o un neutrón de un núcleo estable, y las desintegraciones beta normalmente no son tan energéticas.

tl; dr resumen: tales desintegraciones son predichas, raras, aún no observadas, pero realmente no están en duda.

Parece que está preguntando sobre la desintegración de un neutrón libre, no sobre la desintegración beta de un radionúclido. El decaimiento del neutrón da como resultado la liberación de un protón, un electrón y un antineutrino, cada uno con energía cinética, ya que se trata de un proceso exotérmico (masa en reposo del neutrón mayor que la masa en reposo del protón más el electrón, el antineutrino tiene masa en reposo cero). 0,78 MeV es la energía cinética total del protón, el electrón y el antineutrino. Dado que el electrón tiene energía cinética, "escapa" de su punto de origen y tiene una probabilidad muy baja de combinarse con el protón para formar un átomo de hidrógeno. Si el electrón no escapa del medio que lo rodea, eventualmente será capturado y formará un ion dentro del medio (lo mismo para el protón).

El decaimiento de neutrones da 0,782 MeV, en forma de energía cinética de sus partes.

La energía de ionización del hidrógeno es de 13,6 eV.

Entonces, las partes descompuestas tienen alrededor de 50k veces más energía de la que un hidrógeno puede tolerar antes de ionizarse. Y la conservación del momento hará que estas partículas se separen, más lejos unas de otras. Como no permanecen juntos, no se les llama hidrógeno.