¿Qué hace que el potasio se descomponga en argón de la forma en que lo hace?

Question

¿Qué hace que el potasio se descomponga en argón de la forma en que lo hace?

usuario1904218

"El potasio 40 se descompone en argón 40 a través de un proceso conocido como captura de electrones. En la captura de electrones, un electrón de la capa de electrones más interna "cae" en el núcleo, lo que hace que un protón se convierta en un neutrón".

¿Cuál es la implicación de que un electrón "caiga" en el núcleo, qué le sucede al electrón? ¿Es el electrón que posteriormente se emitirá? ¿Por qué no se desintegra emitiendo una partícula alfa?

dmckee --- gatito ex-moderador

Puede ser útil leer sobre la naturaleza de las capas s y las funciones de distribución de la posición de los electrones. Di physics.stackexchange.com/questions/135222/… o physics.stackexchange.com/questions/20003/… ?.

usuario16622

El carbono-14 no se desintegra emitiendo una partícula alfa. Se desintegra emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico para convertirse en nitrógeno-14.

usuario1904218

@ user16622: mierda, tienes razón. Recién comencé a aprender estas cosas, y a veces puede resultar confuso.

Respuestas (2)

¿Qué hace que el potasio se descomponga en argón de la forma en que lo hace?

Puede ser útil leer sobre la naturaleza de las capas s y las funciones de distribución de la posición de los electrones. Di physics.stackexchange.com/questions/135222/… o physics.stackexchange.com/questions/20003/… ?.
El carbono-14 no se desintegra emitiendo una partícula alfa. Se desintegra emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico para convertirse en nitrógeno-14.
@ user16622: mierda, tienes razón. Recién comencé a aprender estas cosas, y a veces puede resultar confuso.

Motl de Luboš · Answer 1

Motl de Luboš

La descomposición del potasio-40 en argón-40 es una $\beta^+$ decaimiento en el que lo que se emite no es un electrón sino un positrón

^{40} k \to^{40} A r + {mi}^{+} + v_{mi}

${}^{40}{\rm K} \to {}^{40}{\rm Ar} + e^+ + \nu_e$ o, más frecuentemente (si tenemos átomos completos), una captura de electrones que mencionaste en la que al final no se emiten leptones cargados. Alrededor del 11% de las desintegraciones de potasio-10 proceden de esta manera.

^{40} k + {mi}^{-} \to^{40} A r + v_{mi}

${}^{40}{\rm K} + e^- \to {}^{40}{\rm Ar} + \nu_e$ El 89% restante de las desintegraciones de potasio-40 van a calcio-40 (la desintegración beta-plus es una pequeña fracción de un porcentaje). Tenga en cuenta que las dos reacciones anteriores difieren al mover el positrón del lado derecho al lado izquierdo, por lo que se debe cambiar el signo.

El potasio-40 tiene 19 protones y 21 neutrones. Argon-40 tiene 18 protones y 22 neutrones. Entonces, si nos enfocamos en la "parte mínima" de los núcleos, las reacciones anteriores pueden reducirse a

pag \to norte + {mi}^{+} + v_{mi}

$p \to n + e^+ + \nu_e$ o

pag + {mi}^{-} \to norte + v_{mi}

$p+e^- \to n + \nu_e$ que son las reacciones estándar que intercambian protones y neutrones. En particular, la segunda reacción que se muestra justo encima de esta línea es la descripción más "microscópica" de la captura de electrones que le interesa principalmente.

Estas reacciones conservan la carga eléctrica, el número de bariones y el número de leptones. También tienen que conservar la energía. Un protón libre no podría decaer en el neutrón y otras dos partículas porque es más ligero. Incluso un protón y un electrón de baja velocidad no tendrían suficiente masa/energía para producir el neutrón (más el neutrino) como en la segunda reacción.

Pero cuando los protones y neutrones son partes de núcleos completos, las energías de los núcleos inicial y final se ven afectadas por las interacciones nucleares. En particular, el núcleo de argón-40 (y especialmente el átomo) está altamente ligado, lo que significa que es más ligero y, por lo tanto, las reacciones en las que el argón-40 aparece como producto son "más posibles".

Para resumir, la captura de electrones (= caída del electrón) simplemente significa que el protón tiene una probabilidad distinta de cero de encontrarse con uno de los electrones, probablemente en las capas internas, y fusionarse en una nueva partícula, un neutrón, más un neutrino. Este proceso no puede ocurrir en el vacío debido a la conservación de la energía, pero en el contexto del núcleo, las interacciones con otros neutrones y protones hacen que el estado final con el nuevo neutrón sea favorable.

Por el contrario, las desintegraciones alfa son más raras. Entre los 24 isótopos de potasio , solo el potasio-36 puede descomponerse en alfa. El carbono-14 tampoco se desintegra alfa. Entre los isótopos del carbono , sólo el carbono-9 alfa se desintegra. Ambas desintegraciones alfa deben estar precedidas por una desintegración beta. Por lo general, los núcleos lo suficientemente pesados (con un exceso demasiado pequeño de neutrones) se desintegran alfa.

dmckee --- gatito ex-moderador

"¡una captura de electrones que mencionaste en la que no se emiten leptones al final!" Tal vez sea mejor decir "sin leptones cargados" porque el neutrino está presente en el estado final.

Motl de Luboš

Sí, tu corrección es correcta.

luyuwuli

Del diagrama de Feynmann a nivel de quarks (

u \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+e^+ +\nu_e$ ), hace

β^{+}

$\beta^+$ proceso de descomposición significa que el quark u inicial (en este caso) es más pesado que el quark d? (No lo creo). Si no, ¿cómo dibujar el diagrama para este proceso? Creo que la energía de enlace tiene que convertirse en algunas partículas virtuales (¿pero qué es esta partícula virtual?) y golpea el quark u y luego este quark u virtual se desintegra.

Motl de Luboš

Estimado @luyuwuli: el quark up es de hecho más liviano en "aislamiento" (excepto que no se puede aislar) que el quark down, pero solo se conserva la energía/masa total. Hay otras contribuciones a esto, de las interacciones de los quarks entre sí y así sucesivamente, y esos cambios entre los protones/neutrones/núcleos iniciales y finales. Cuando miras, ves que la masa en reposo del núcleo inicial excede la suma de las masas en reposo finales, por lo que la ley de conservación de la energía no prohíbe este proceso.

Motl de Luboš

Todas estas desintegraciones beta (independientemente de los signos) son un signo de la "interacción nuclear débil". En todas las conocidas, la partícula virtual es un bosón W (con carga Q=+1 o Q=-1). El quark arriba cambia a un quark abajo mientras emite un bosón W positivo. Este bosón W positivo se divide en el par positrón-neutrino. (También se podría tener un antineutrino absorbiendo el bosón W y convirtiéndose en un positrón, o cosas por el estilo.) Es como el intercambio de fotones virtuales excepto que el bosón W virtual lleva una carga y cambia una especie de fermión a una "similar". uno" pero con una carga diferente.

Motl de Luboš

Ver, por ejemplo, esta imagen en.wikipedia.org/wiki/Beta_decay#.CE.B2.E2.88.92_decay con un bosón W virtual en la descomposición beta. Es análogo al inverso.

luyuwuli

@LubošMotl Gracias por su explicación detallada. Estoy totalmente de acuerdo con lo que has dicho. Sin embargo, mi pregunta es para entender estas contribuciones adicionales. Para ser específicos, ¿pueden estas "contribuciones" adicionales transformarse en diagramas?

u \to d + W^{+} \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+W^+\to d+e^+ +\nu_e$ parece afirmar que u es más pesado que d y estas contribuciones adicionales no se muestran en absoluto. Debería haber algo más allá del diagrama de Feynman. ¿O dado que los quarks están confinados, la "masa de quarks u confinada" es temporalmente más pesada que la "masa de quarks d confinada" debido a estas contribuciones adicionales?

Motl de Luboš

Hola, el bosón W es virtual por lo que no tiene que obedecer

E^{2} = m_{0}^{2} c^{4} + p^{2} c^{2}

$E^2 = m_0^2 c^4+ p^2 c^2$ , y, en consecuencia, simplemente no es cierto que la masa de

u

$u$ tiene que exceder la masa de

d

$d$ más la masa de

W

$W$ . Seguro que no,

W

$W$ es más de 80 GeV, mucho más pesado que cualquiera

u

$u$ o

d

$d$ cuarc. Este punto, lo que significa que la partícula virtual sea virtual, invalidaría todas sus conclusiones sobre cualquier proceso con partículas virtuales, por lo que su error no tiene nada que ver con el confinamiento u otras características especiales de los quarks.

luyuwuli

@LubošMotl No me informaron sobre su comentario, así que ha pasado mucho tiempo después de comentar esto. Tal vez todavía no me expresé con claridad. no estoy diciendo eso

m (u) > m (W)

$m(u)>m(W)$ porque (como has explicado)

W

$W$ no está en la cáscara. Mi pregunta es ¿pueden los quarks ud en

u \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+e^+ + \nu_e$ estar en el caparazón? Si lo son , ¿cómo puede ocurrir este proceso si u es más ligero que d? Por lo tanto, concluyo que dado que los quarks siempre están confinados, la condición "en el caparazón" no está bien definida. En algunos casos, la masa del quark u puede ser mayor que d.

luyuwuli

@LubošMotl Es por eso que dudo que la masa de los quarks cambie según los diferentes entornos o debido a las propiedades especiales de los quarks (confinamiento, porque nunca se observa un quark en la capa), siempre hay espacios para que definamos la masa efectiva para cambiar el relaciones de masas. Así que insisto en que está mal decir eso

m (u)

$m(u)$ siempre es menor que

m (d)

$m(d)$ .

Motl de Luboš

Estimado @luyuwuli - por supuesto que en el proceso

u \to d + e^{+} + ν_{e}

$u\to d+e^+ +\nu_e$ , al menos una de las partículas tiene que estar fuera de la capa, o ser parte de un sistema más amplio con algunas energías de interacción, porque la suma total de los productos excede la masa del quark arriba. Hablo de interacciones porque dentro de protones, neutrones o núcleos, la "reacción elemental" es simplemente

u

$u$ convirtiéndose

d

$d$ , pero el recuento de la energía es diferente porque las interacciones del quark con el entorno también cambian, y tal proceso se vuelve posible en muchos entornos. eso es lo que

β^{+}

$\beta^+$ las caries son.

Motl de Luboš

m (u)

$m(u)$ siempre es menor que

m (d)

$m(d)$ . Estas son realmente constantes de la Naturaleza. A lo sumo, se puede decir que dependen de la escala de energía de renormalización

E

$E$ pero sigue siendo cierto que

u

$u$ es más ligero que

d

$d$ por cualquier valor de

E

$E$ . Esto de ninguna manera prohíbe las desintegraciones beta porque la energía de los núcleos, etc. no está dada simplemente por

m (u)

$m(u)$ o

m (d)

$m(d)$ . Hay muchos términos de interacción que pareces pasar por alto y esto te lleva a todas tus absurdas conclusiones.

luyuwuli

@LubošMotl Aún así, estoy de acuerdo con la mayor parte de lo que has dicho. Pero mi punto es que uno debe comparar

m (u, E_{1})

$m(u,E_1)$ y

m (d, E_{2})

$m(d,E_2)$ a diferente escala de energía debido al cambio de los núcleos ambientales. Una vez que uno usa el diagrama de Feynman, implícitamente asume que los estados inicial y final son libres , lo que no concuerda con la realidad. Sin embargo, todavía se puede usar el diagrama de Feynman, porque se pueden considerar otras interacciones en la masa efectiva de los quarks (quarks libres frente a quarks vestidos).

Motl de Luboš

Disculpa, no entiendo lo que dices. Si evalúa las masas de los quarks up y down en escalas de renormalización cercanas que difieren en un factor de dos o algo así, seguirá siendo cierto que el quark up es más ligero. El funcionamiento del grupo de renormalización de las masas es lento.

luyuwuli

Perdón por mi mal ingles. Quiero decir que aunque creemos que el diagrama de Feynman describe el proceso, la sutileza es interpretar la masa involucrada. Debido a que no se pueden cerrar otras interacciones, se deben resumir estas interacciones en una masa efectiva. Al igual que la masa de quark actual frente a la masa de quark constituyente, el sabor es el mismo pero la masa es realmente diferente. El quark constituyente es un quark actual + otras interacciones complicadas.

luyuwuli

Lo mismo sucede aquí en

β^{+}

$\beta^+$ decadencia. Con el fin de resolver el dilema entre las relaciones de masa de los quarks actuales de los quarks ud y la conservación de la energía. Conceptualmente, será mejor enfatizar que la masa que aparece en el diagrama de Feynman no es la masa actual del quark, sino una masa efectiva con otras interacciones consideradas.

luyuwuli

@LubošMotl Tal vez el sistema no le informó sobre mis comentarios y disculpe por molestarlo durante tanto tiempo. Sin embargo, todavía quiero saber cuál es su perspectiva sobre mis últimos dos comentarios.

Motl de Luboš

Estimado @luyuwuli: cuando considera las interacciones de objetos compuestos como los núcleos, debe hacer algo "más difícil" que simplemente reemplazar masas de quarks por otras masas (efectivas). Debe incorporar las interacciones elementales de los quarks (un pequeño diagrama de Feynman) como parte integral de un diagrama de Feynman más grande que también incluye las otras partículas en el núcleo que participan en el proceso. A esos les gusta, por lo que no es correcto asumir que los "quarks en descomposición" son los únicos que cambian en la interacción, y es por eso que usar parámetros efectivos realmente no hace el trabajo.

luyuwuli

@LubošMotl Claro, tratar todo el proceso como el cambio de sabor de un quark está demasiado simplificado. Creo que ya que estamos de acuerdo en el proceso fundamental, es hora de terminar la discusión. Gracias por tu paciencia y explicación.

ana v · Answer 2

captura de electrones

La captura de electrones (captura de electrones K, también captura de K, o captura de electrones L, captura de L) es un proceso en el que el núcleo rico en protones de un átomo eléctricamente neutro absorbe un electrón atómico interno, generalmente del K o L capa electrónica. Este proceso cambia un protón nuclear a un neutrón y simultáneamente provoca la emisión de un neutrino electrónico.

pags + mi− → norte + ν_e

K, L, M son el número cuántico principal (n) de los orbitales de los electrones.

Los orbitales de los electrones dan la probabilidad de que el electrón se encuentre en (x,y,z). Para l=0 (el número cuántico del momento angular) los electrones tienen una probabilidad de atravesar el núcleo. Si el núcleo es inestable con respecto a otro, es decir, existe la energía extra necesaria para crear un neutrón y un neutrino electrónico a partir de un protón y un electrón, uno tiene captura de electrones y aparece un núcleo Z inferior en uno.

¿Qué hace que el potasio se descomponga en argón de la forma en que lo hace?

usuario1904218

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ana v

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