Désintégration bêta nucléaire en hydrogène
En lisant sur la désintégration bêta nucléaire:
$$n \longrightarrow p + e^{-} + \bar \nu$$
Il m'est venu à l'esprit que deux des particules résultant de cette désintégration sont les constituants de l'atome d'hydrogène. Alors pourquoi ne voyons-nous jamais
$$n \longrightarrow H + \bar \nu$$
où $H$est un atome d'hydrogène? Un neutron peut-il se transformer en atome d'hydrogène?
Réponses
Cela ne peut évidemment pas se produire [1] dans la désintégration bêta nucléaire , car le proton reste lié au noyau tandis que l'électron et l'antineutrino$\bar \nu$sont émis avec une énergie cinétique élevée. Ainsi, le proton ne peut pas se combiner avec l'électron éjecté pour former un atome d'hydrogène.
Mais cela peut arriver et se produit rarement pour les neutrons libres et non pour les neutrons liés à un noyau.
Cet article parle ici de ce processus appelé désintégration des neutrons libres . Selon le lien, pour chaque million d'événements de désintégration des neutrons, en moyenne seulement quatre entraîneront la formation d'un atome d'hydrogène. Dans de tels cas, l'électron résultant de la désintégration a une énergie inférieure à$13.6 \ eV$ (énergie de liaison de l'électron dans l'atome d'hydrogène) et peut donc se lier au proton.
Mais dans une majorité significative d'événements de désintégration des neutrons libres, l'énergie de l'électron résultant a de l'énergie $\approx 0.80 \ MeV$ qui est significativement plus élevée que celle de l'énergie de liaison pour l'état proton + électron mentionné ci-dessus.
[1] Ayant dit tout cela, j'ai noté dans un commentaire ci-dessus par rob, qu'il existe un mécanisme hypothétique et non vérifié pour la désintégration bêta nucléaire liée et la formation d'hydrogène . Le résumé lit
Pendant de nombreuses années, la désintégration des neutrons a été étudiée comme une voie possible pour l'exploration d'une nouvelle physique. Un tel exemple est la désintégration bêta liée (BoB) du neutron en un atome d'hydrogène et un anti-neutrino. Ce mode de désintégration à deux corps offre une méthode très élégante pour étudier les hélicités des neutrinos, comme l'a fait l'expérience de Goldhaber. Cependant, cette désintégration rare n'a pas encore été observée jusqu'à présent en raison des défis de mesurer une désintégration impliquant uniquement des particules électriquement neutres avec un rapport de ramification estimé de seulement 10-6 du mode de désintégration à trois corps. Concrètement, une source intense de neutrons thermiques serait nécessaire pour une telle expérience, comme le FRMII à Garching, l'ILL à Grenoble ou l'ESS à Lund. Cet article fournit un résumé du nouveau schéma expérimental que nous proposons pour observer la désintégration des neutrons de BoB, en abordant tous les problèmes nécessaires de manière très cohérente.
Et dans le papier
En 1947, Daudel, Jean et Lecoin ont prédit l'existence d'un mode de désintégration bêta à deux corps dans lequel le noyau fille et l'électron restent liés (Daudel, Jean et Lecoin (1947)). Pour la désintégration bêta du neutron libre, on parle de «désintégration bêta liée» ou «BoB» .
Je n'ai jamais remarqué ce domaine de recherche et c'est très intéressant.
Il semble que vous vous interrogiez sur la désintégration d'un neutron libre et non sur la désintégration bêta d'un radionucléide. La désintégration neutronique entraîne la libération d'un proton, d'un électron et d'un antineutrino chacun avec de l'énergie cinétique, car il s'agit d'un processus exothermique (masse au repos du neutron supérieure aux masses au repos du proton plus l'électron, l'antineutrino a une masse au repos nulle). 0,78 MeV est l'énergie cinétique totale du proton, de l'électron et de l'antineutrino. Puisque l'électron a de l'énergie cinétique, il «échappe» à son point d'origine et a une très faible probabilité de se combiner avec le proton pour former un atome d'hydrogène. Si l'électron n'échappe pas au milieu environnant, il finira par être capturé et formera un ion dans le milieu (idem pour le proton).
Lorsqu'une particule au repos se désintègre, la quantité de mouvement des fragments doit s'additionner à zéro, car la quantité de mouvement est une constante lorsqu'il n'y a pas de force externe. Dans une désintégration à deux corps, cela signifie que les deux fragments ont des impulsions égales et opposées. Dans une désintégration à trois corps, les amplitudes des différents moments prennent des valeurs différentes en fonction des angles entre eux. Le calcul des détails du spectre est difficile, mais l'approximation de la main est que chaque fragment porte à peu près la même quantité d'impulsion.
Cela signifie que presque toute l' énergie de la désintégration est emportée par l'électron de faible masse et le neutrino ultra-relativiste: le noyau pauvre ne transporte que de l'énergie cinétique$\sim p^2/2M$, tandis que l'électron porte $\sim p^2/2m_e$.
La raison pour laquelle nous pouvons séparer la physique nucléaire de la physique atomique est que les échelles d'énergie impliquées dans les interactions sont très différentes. Afin de séparer un électron d'un atome d'hydrogène, vous devez lui fournir un minimum de 13 électron-volts (eV) d'énergie. Mais l'énergie typique dans une désintégration nucléaire est$10^6$eV. Ainsi, dans la grande majorité des désintégrations, l'électron et le noyau vont dans des directions différentes, avec trop d'énergie pour que la force électromagnétique les lie.
Cependant, il y a un très petit coin de l'espace des paramètres où presque toute l'énergie est emportée par le neutrino, laissant le noyau fille et l'électron de désintégration presque au repos. C'est ce qu'on appelle une «désintégration bêta à deux corps» ou une «désintégration bêta liée». Pour le neutron libre, dont l'énergie de désintégration bêta est d'environ 0,8 MeV, la désintégration liée$$\require{mhchem} \ce{n \to H + \nu}$$devrait se produire quelques fois sur un million de désintégrations. Cet article de 2014 décrit une tentative proposée pour le mesurer, mais l'expérience est délicate et je ne serais pas surpris s'il n'y avait pas encore de résultat - ils n'avaient même pas choisi de site pour l'expérience. Le but ne serait pas seulement de détecter le mode de désintégration rare, mais de mesurer les spins totaux des atomes d'hydrogène produits, qui vous renseignent de manière directe sur les spins des neutrinos invisibles.
Vous pouvez en principe appliquer la même logique aux émetteurs bêta plus lourds. Un candidat pourrait être lié à la désintégration du tritium,$$\ce{^3H \to {}^3He + \nu},$$où l'énergie de désintégration bêta est beaucoup plus petite (environ 15 keV) et l'énergie d'ionisation est bien plus profonde: vous pouvez imaginer les chances que le neutrino emporte «toute» l'énergie pourrait être plusieurs par million de désintégrations, au lieu de quelques par million pourritures. Mais [le terrier de lapin expérimentaliste supprimé] il n'est pas clair pour moi qu'un rapport de branchement plus élevé ferait immédiatement une meilleure expérience.
Vous ne vous attendriez jamais à trouver une décomposition comme
$$\ce{ ^{14}C \not\to {}^13C + {}^1H + \nu }$$
car il faut au moins 10 MeV pour faire sortir un proton ou un neutron d'un noyau stable, et les désintégrations bêta ne sont généralement pas aussi énergétiques.
tl; dr résumé: de telles désintégrations sont prédites, rares, pas encore observées, mais pas vraiment douteuses.
La désintégration neutronique donne 0,782 MeV, sous forme d'énergie cinétique de ses parties.
L'énergie d'ionisation d'hydrogène est de 13,6 eV.
Ainsi, les pièces pourries ont environ 50k fois plus d'énergie qu'un hydrogène ne peut tolérer avant de s'ioniser. Et la conservation de l'élan fera voler ces particules, plus éloignées les unes des autres. Puisqu'ils ne restent pas ensemble, ils ne sont pas appelés hydrogène.