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.
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:
Un ejemplo es el -desintegración del cesio:
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 -decay se puede decir si este proceso debería ser posible o no.
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 -decaer como:
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
dónde 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"
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
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 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.
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.
referencia externa
ProfRob