Beta nuklir meluruh menjadi hidrogen
Dalam membaca tentang peluruhan beta nuklir:
$$n \longrightarrow p + e^{-} + \bar \nu$$
Terpikir oleh saya bahwa dua partikel yang dihasilkan dari peluruhan ini adalah penyusun atom hidrogen. Jadi kenapa kita tidak pernah melihat
$$n \longrightarrow H + \bar \nu$$
dimana $H$yang dimaksud dengan atom hidrogen? Bisakah neutron berubah menjadi atom hidrogen?
Jawaban
Hal ini jelas tidak dapat terjadi [1] dalam peluruhan beta nuklir , karena proton tetap terikat pada nukleus sementara elektron dan antineutrino$\bar \nu$dipancarkan dengan energi kinetik tinggi. Jadi proton tidak dapat bergabung dengan elektron yang dikeluarkan untuk membentuk atom hidrogen.
Tetapi ini jarang dan dapat terjadi untuk neutron bebas dan bukan neutron yang terikat pada inti.
Artikel ini di sini berbicara tentang proses ini disebut peluruhan neutron bebas . Sesuai tautan, untuk setiap satu juta peristiwa peluruhan neutron, rata-rata hanya empat yang akan menghasilkan pembentukan atom hidrogen. Dalam kasus seperti itu, elektron yang dihasilkan dari peluruhan memiliki energi yang lebih kecil dari$13.6 \ eV$ (energi pengikat elektron dalam atom hidrogen) sehingga dapat mengikat dirinya sendiri ke proton.
Tetapi dalam sebagian besar peristiwa peluruhan neutron bebas, energi elektron yang dihasilkan memiliki energi $\approx 0.80 \ MeV$ yang secara signifikan lebih tinggi daripada energi ikat untuk proton + elektron yang disebutkan di atas.
[1] Setelah mengatakan semua ini, saya mencatat dalam komentar di atas oleh rob, bahwa ada mekanisme hipotetis dan non-verifikasi untuk peluruhan beta nuklir terikat dan pembentukan hidrogen . Abstrak berbunyi
Selama bertahun-tahun, peluruhan neutron telah diteliti sebagai jalur yang mungkin untuk eksplorasi fisika baru. Salah satu contohnya adalah peluruhan beta terikat (BoB) dari neutron menjadi atom hidrogen dan anti-neutrino. Mode peluruhan dua benda ini menawarkan metode yang sangat elegan untuk mempelajari heliksitas neutrino, seperti yang telah dilakukan percobaan Goldhaber. Namun, peluruhan langka ini belum teramati sejauh ini karena tantangan untuk mengukur peluruhan yang hanya melibatkan partikel netral secara elektrik dengan perkiraan rasio percabangan hanya 10-6 dari mode peluruhan tiga benda. Secara khusus, sumber neutron termal yang intens akan dibutuhkan untuk eksperimen semacam itu, seperti FRMII di Garching, ILL di Grenoble atau ESS di Lund. Makalah ini memberikan ringkasan dari skema eksperimental baru yang kami usulkan untuk mengamati peluruhan neutron BoB, menangani semua masalah yang diperlukan dengan cara yang sangat koheren.
Dan di koran
Pada tahun 1947 Daudel, Jean dan Lecoin meramalkan adanya mode peluruhan beta dua tubuh di mana inti anak dan elektron tetap terikat (Daudel, Jean dan Lecoin (1947)). Untuk peluruhan beta dari neutron bebas, ini disebut sebagai "peluruhan beta terikat" atau "BoB" .
Saya tidak pernah memperhatikan bidang penelitian ini dan ini sangat menarik.
Tampaknya Anda bertanya tentang peluruhan neutron bebas, bukan peluruhan beta radionuklida. Peluruhan neutron menghasilkan pelepasan proton, elektron, dan antineutrino masing-masing dengan energi kinetik, karena ini adalah proses eksotermik (massa istirahat neutron lebih besar dari massa istirahat proton plus elektron, antineutrino memiliki massa rihat nol). 0,78 MeV adalah energi kinetik total proton, elektron, dan antineutrino. Karena elektron memiliki energi kinetik, ia "lolos" dari titik asalnya dan memiliki kemungkinan yang sangat rendah untuk bergabung dengan proton untuk membentuk atom hidrogen. Jika elektron tidak lepas dari media sekitarnya, ia akhirnya akan ditangkap dan membentuk ion di dalam media (sama untuk proton).
Ketika sebuah partikel diam meluruh, momentum pecahan harus berjumlah nol, karena momentum adalah konstan jika tidak ada gaya eksternal. Dalam peluruhan dua benda, ini berarti kedua fragmen memiliki momen yang sama dan berlawanan. Dalam peluruhan tiga benda, besaran momen yang berbeda mengambil nilai yang berbeda tergantung pada sudut di antara keduanya. Menghitung detail spektrum itu sulit, tetapi perkiraan melambai tangan adalah bahwa setiap fragmen membawa jumlah momentum yang sama.
Ini berarti bahwa hampir semua energi dalam peluruhan terbawa oleh elektron bermassa rendah dan neutrino ultra-relativistik: inti yang buruk hanya dapat membawa energi kinetik.$\sim p^2/2M$, sedangkan elektron ikut terbawa $\sim p^2/2m_e$.
Alasan kita dapat memisahkan fisika nuklir dari fisika atom adalah karena skala energi yang terlibat dalam interaksi tersebut sangat berbeda. Untuk memisahkan elektron dari atom hidrogen, Anda harus mensuplai energi minimal 13 elektron-volt (eV). Tapi energi tipikal dalam peluruhan nuklir adalah$10^6$eV. Jadi dalam sebagian besar peluruhan, elektron dan nukleus bergerak ke arah yang berbeda, dengan terlalu banyak energi untuk diikat oleh gaya elektromagnetik.
Namun, ada sudut yang sangat kecil dari ruang parameter di mana hampir semua energi terbawa oleh neutrino, meninggalkan inti anak dan peluruhan elektron hampir diam. Ini disebut "peluruhan beta dua tubuh" atau "peluruhan beta terikat". Untuk neutron bebas, yang energi peluruhan beta-nya sekitar 0,8 MeV, peluruhan terikatnya$$\require{mhchem} \ce{n \to H + \nu}$$diperkirakan terjadi beberapa kali dari setiap juta peluruhan. Makalah tahun 2014 ini menguraikan upaya yang diusulkan untuk mengukurnya, tetapi eksperimennya rumit dan saya tidak akan terkejut jika belum ada hasil —— mereka bahkan belum memilih situs untuk eksperimen tersebut. Tujuannya bukan hanya untuk mendeteksi mode peluruhan langka, tetapi untuk mengukur putaran total atom hidrogen yang dihasilkan, yang memberi tahu Anda secara langsung tentang putaran neutrino yang tidak terlihat.
Pada prinsipnya Anda dapat menerapkan logika yang sama ke penghasil beta yang lebih berat. Salah satu kandidat mungkin terikat peluruhan tritium,$$\ce{^3H \to {}^3He + \nu},$$di mana energi peluruhan beta jauh lebih kecil (sekitar 15 keV) dan sumur energi ionisasi lebih dalam: Anda dapat membayangkan kemungkinan neutrino membawa "semua" energinya mungkin banyak per juta peluruhan, bukan beberapa per juta membusuk. Tetapi [lubang kelinci eksperimental dihapus] tidak jelas bagi saya bahwa rasio percabangan yang lebih tinggi akan segera membuat eksperimen yang lebih baik.
Anda tidak akan pernah berharap menemukan pembusukan seperti itu
$$\ce{ ^{14}C \not\to {}^13C + {}^1H + \nu }$$
karena dibutuhkan setidaknya 10 MeV untuk menjatuhkan proton atau neutron dari inti yang stabil, dan peluruhan beta biasanya tidak terlalu energik.
Ringkasan tl; dr: peluruhan seperti itu diperkirakan, jarang, belum teramati, tetapi tidak benar-benar diragukan.
Peluruhan neutron menghasilkan 0,782 MeV, dalam bentuk energi kinetik bagian-bagiannya.
Energi ionisasi hidrogen adalah 13,6 eV.
Jadi, bagian yang membusuk memiliki energi sekitar 50k kali lebih banyak daripada yang dapat ditoleransi hidrogen sebelum terionisasi. Dan kekekalan momentum akan membuat partikel-partikel ini terbang terpisah, semakin jauh satu sama lain. Karena mereka tidak tetap bersama, mereka tidak disebut hidrogen.