¿Por qué los neutrones en un núcleo no se descomponen? [duplicar]

¿Por qué hay neutrones en el núcleo de un átomo?

Los protones tienen carga positiva. La fuerza electromagnética entre los protones es repulsiva, aunque la fuerte fuerza residual del contenido de quarks es atractiva, el potencial combinado no es atractivo para producir un estado ligado.

Tomemos el sistema simple de dos protones con su potencial repulsivo. El fuerte potencial nuclear sumado a la repulsión electromagnética no da niveles de energía ligados que puedan acomodar los números cuánticos de los dos protones. La adición del neutrón de carga neutra, que, (a pesar de que es un compuesto de quarks cargados) tiene una atracción de fuerza fuerte en general, supera el potencial repulsivo y profundiza el potencial total para que pueda hacer un pozo potencial para atrapar en un límite enunciar los tres nucleones, He3, un isótopo del núcleo alfa , en estados numéricos cuánticos apropiados. El principio de exclusión de Pauli también juega un papel. Ver aquí

Sé que la fuerza fuerte mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo, pero ¿cómo afecta eso a un neutrón de manera que no se descomponga?

Si no fuera por la interacción débil, el neutrón también sería una partícula estable, como lo es el protón. Por lo tanto, la respuesta a "por qué" tiene que comenzar con la descomposición básica del neutrón que depende de las interacciones de los quarks con la fuerza débil.

El protón está compuesto por quarks (uud) y el neutrón por (udd). Tanto en la masa efectiva medida para los quarks como en la tabla de partículas , el quark up tiene la masa más pequeña. (estas masas dependen de los modelos, pero el modelo estándar es muy exitoso para describir las interacciones de las partículas elementales)

El de arriba tiene una masa de 2,3 MeV y el de abajo de 4,8. El up es estable ya que no puede decaer en un quark de menor masa. Para cambiar un quark up a un quark down, se debe proporcionar al menos 2,5 MeV de energía.

El neutrón tiene dos quarks down, y son libres de decaer en un quark up porque es energéticamente favorable y, por lo tanto, decae en un protón con una vida útil de 900 segundos cuando está libre. El descenso simple de un protón también podría decaer, pero no hay una energía más baja estable (uuu) que el estado del protón dentro de las interacciones del modelo estándar. Las desintegraciones de protones necesitan nuevas partículas mediadoras y se predicen en varios modelos extendidos y no se han detectado experimentalmente hasta ahora.

Un núcleo es un problema de muchos cuerpos y sus soluciones mecánicas cuánticas se aproximan mediante el modelo de capa, por ejemplo, donde un potencial efectivo mantiene a los nucleones, protones y neutrones en un nivel de energía limitado. Por lo tanto, en un núcleo estable, el neutrón se ubicará a un nivel de energía de 2,5 MeV por debajo del umbral de escape y, por lo tanto, no se desintegrará. En un núcleo inestable, el potencial efectivo se extiende por encima de la línea cero y existen niveles de energía para que el neutrón los ocupe, pero también una probabilidad, ya que es energéticamente posible, de desintegrarse. En un modelo mecánico cuántico simple, podría hacer un túnel y decaer, siempre que el nivel de energía al que está vinculado sea superior a 0.

Consulte este enlace para obtener una descripción del modelo de capa l sobre cómo el protón y el neutrón ven bien el potencial (aproximado), fuerte para el neutrón, fuerte y Coulomb para el protón.

Se debe tener en cuenta que por intercambio de iones dentro del núcleo un protón puede convertirse en un neutrón y viceversa, en los detalles de las interacciones. Por lo tanto, un protón que se encuentra en un nivel de energía por encima de la energía cero tiene la probabilidad de convertirse en un neutrón por intercambio de piones que luego puede decaer.

Como un núcleo es un estado de muchos cuerpos, los números cuánticos también juegan un papel importante y el principio de exclusión de Pauli. Por ejemplo, el decaimiento será inhibido si el protón resultante del decaimiento del neutrón no tiene un nivel de energía permitido para ocupar.

Entonces, la respuesta a "pero ¿cómo afecta eso a un neutrón de manera que no se desintegre?" es que todo depende del potencial efectivo de muchos cuerpos. Los neutrones en niveles de energía por debajo del umbral de escape, unidos, no decaerán, en núcleos donde hay niveles de energía por encima del umbral tienen probabilidad de decaer ya que es energéticamente posible, si las conservaciones del número cuántico lo permiten.

En términos sencillos, si se me permite. La descomposición de los neutrones es posible a través de un proceso bastante inesperado llamado fuerza débil o interacción débil , utilizando la fuerza que transporta bosones W o Z, que son muy energéticos con una masa de unas 80 o 90 veces la masa del neutrón. Cómo es posible eso se explica en otra parte y no es realmente importante, pero el punto es que el neutrón no se descompone fácilmente. Tarda unos 10 minutos, lo que, para un estado cuántico, es casi una eternidad.

Cuando el protón y el neutrón se unen en el núcleo de deuterio o deuterón, están muy cerca. El diámetro de un protón, unos 0,81 ficometros (fm) y el diámetro del átomo de deuterio, unos 2,1 fm. fuente _ Esto significa que el espacio entre el neutrón y el protón en el deuterón no es mucho mayor que el espacio entre los quarks de valencia dentro del protón o el neutrón.

Entonces, en ese matrimonio cercano, el neutrón no puede desestabilizarse, porque el protón lo mantiene apretado. (Esto realmente no dice por qué, lo admito, solo que el neutrón está en un entorno muy diferente cuando está en el Núcleo vs solo), y solo pretende ser una especie de explicación para profanos. Puedo eliminar si está demasiado lejos de la marca.

En realidad, hay un intercambio de iones entre los nucleones. Esta es la base para la fuerza fuerte residual .

Cuando un protón y un neutrón interactúan, una de las interacciones que obtenemos es

$$\rm proton^+ +neutron \rightarrow proton^++pion^-+proton^+ \rightarrow neutron+proton^+$$

Entonces, el protón se convierte en un neutrón y luego el neutrón se convierte en un protón al transferir un pión negativo.

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Ediciones: @Rob Jeffries: Eso es justo, mi respuesta realmente no respondió.

El protón y el neutrón no son partículas idénticas y, por lo tanto, no están limitados entre sí por la exclusión de Pauli. Pueden tener el mismo estado de giro y, por alguna razón, tener giros paralelos le da a la combinación una energía más baja y, por lo tanto, más estabilidad.

Cuando busco por qué los espines paralelos tienen una energía más baja, lo veo como un hecho o en mejores referencias, se da una ecuación que da los detalles de la diferencia de energía.

Lo que no he visto es una explicación física de por qué los espines nucleares paralelos tienen menor energía.

Aquí está mi corazonada (que intentaré verificar). Si es correcto, probablemente ya esté en algún lugar. Si está mal, es porque acabo de pensar en la idea por mí mismo.

Cuando un protón y un neutrón tienen todos los mismos números cuánticos (por lo que sus espines son paralelos), cuando un neutrón transfiere un pión negativo al protón, el estado final es idéntico al estado inicial. Esto significa que hay dos caminos diferentes desde el estado inicial hasta el estado final: no hacer nada y pasar un pión negativo te dan el mismo estado final.

En cuanto, cuando dos eventos diferentes son posibles porque ambos dan el mismo estado inicial y final, hay un término de interferencia. Por ejemplo, en la colisión de dos átomos idénticos con estados de espín idénticos, colisionar y no colisionar puede dar el mismo estado final, por lo que las dos posibilidades interfieren.

En el caso de un protón y un neutrón con giros antiparalelos, la transferencia de un pión negativo daría un estado final diferente al estado inicial. Podría volver a transferirse para luego dar el mismo estado final, pero (en términos generales) cada paso que necesita un proceso hace que la contribución de ese proceso sea menos importante.

En el caso de un diprotón o dineutrón, la transferencia de un pión neutro también daría el mismo estado final e inicial.

Entonces sospecho además (nuevamente, todo depende de mí si está mal) que mientras que el par paralelo protón-neutrón tiene intercambios dominantes de piones negativos, el diprotón y el dineutrón solo tienen piones neutros que le dan al par protón-neutrón aproximadamente el doble de unión. .

Entonces, las dos ideas clave que intentaré rastrear son: (1) ¿Un proceso que tiene un estado inicial y final idéntico lo hace más importante? (2) ¿Tener el doble de interacciones similares significa que hay aproximadamente el doble de energía de enlace involucrada?