水素への核ベータ崩壊
核ベータ崩壊について読むことで：
$$n \longrightarrow p + e^{-} + \bar \nu$$
この崩壊から生じる2つの粒子が水素原子の構成要素であることに気づきました。では、なぜ私たちは決して見ないのですか
$$n \longrightarrow H + \bar \nu$$
どこ $H$水素原子ですか？中性子は水素原子に変わることができますか？
回答
これは明らかに核ベータ崩壊では起こり得ない[1] 。なぜなら、陽子は原子核に結合したままであり、電子と反ニュートリノは$\bar \nu$高い運動エネルギーで放出されます。したがって、陽子は放出された電子と結合して水素原子を形成することはできません。
しかし、これは、原子核に結合している中性子ではなく、自由中性子ではめったに起こらない可能性があります。
この記事では、自由中性子崩壊と呼ばれるこのプロセスについて説明します。リンクによると、100万回の中性子崩壊イベントごとに、平均して4つだけが水素原子の形成をもたらします。このような場合、崩壊によって生じる電子のエネルギーは$13.6 \ eV$ （水素原子の電子の結合エネルギー）そしてそれでそれ自身を陽子に結合することができます。
しかし、自由中性子崩壊イベントの大部分では、結果として生じる電子のエネルギーはエネルギーを持っています $\approx 0.80 \ MeV$ これは、上記の陽子+電子状態の結合エネルギーよりも大幅に高くなっています。
[1]これをすべて述べた上で、robによる上記のコメントで、結合した核ベータ崩壊と水素の形成には、仮説的で検証されていないメカニズムがあることに気づきました。要約は読む
何年もの間、中性子崩壊は、新しい物理学の探求への可能な経路として研究されてきました。そのような例の1つは、水素原子と反ニュートリノへの中性子の結合ベータ崩壊（BoB）です。この二体崩壊モードは、ゴールドハーバーの実験が行ったように、ニュートリノのヘリシティを研究するための非常に洗練された方法を提供します。しかし、このまれな崩壊は、3体崩壊モードのわずか10-6の推定分岐比で電気的に中性の粒子のみを含む崩壊を測定するという課題のため、これまでのところ観察されていません。具体的には、ガルヒングのFRMII、グルノーブルのILL、ルンドのESSなど、このような実験には強力な熱中性子源が必要になります。この論文は、BoB中性子崩壊を観察するために提案する新しい実験スキームの要約を提供し、非常に首尾一貫した方法ですべての必要な問題に対処します。
そして紙の中で
1947年、Daudel、Jean、およびLecoinは、娘核と電子が結合したままである2体ベータ崩壊モードの存在を予測しました（Daudel、Jean、およびLecoin（1947））。自由中性子のベータ崩壊の場合、これは「束縛ベータ崩壊」または「BoB」と呼ばれます。
私はこの分野の研究に気づいたことがなく、非常に興味深いものです。
放射性核種のベータ崩壊ではなく、自由中性子の崩壊について質問しているようです。これは発熱過程であるため、中性子の崩壊により、陽子、電子、および反ニュートリノがそれぞれ運動エネルギーで放出されます（中性子の静止質量は陽子と電子の静止質量よりも大きく、反中性子は静止質量がゼロです）。0.78 MeVは、陽子、電子、反ニュートリノの総運動エネルギーです。電子は運動エネルギーを持っているため、原点から「逃げ」、陽子と結合して水素原子を形成する確率は非常に低くなります。電子が周囲の媒体から逃げない場合、最終的には捕獲され、媒体内でイオンを形成します（陽子についても同じです）。
静止している粒子が崩壊するとき、運動量は外力がないときは一定であるため、フラグメントの運動量は合計してゼロになる必要があります。二体崩壊では、これは2つのフラグメントが等しく反対の運動量を持っていることを意味します。三体崩壊では、異なる運動量の大きさは、それらの間の角度に応じて異なる値を取ります。スペクトルの詳細を計算するのは難しいですが、手を振る近似では、各フラグメントがほぼ同じ量の運動量を持っています。
これは、崩壊中のエネルギーのほぼすべてが低質量電子と超相対論的ニュートリノによって運び去られることを意味します。貧弱な原子核は運動エネルギーしか運ばないのです。$\sim p^2/2M$、電子が運ばれる間 $\sim p^2/2m_e$。
原子核物理学を原子物理学から分離できる理由は、相互作用に関与するエネルギースケールが非常に異なるためです。水素原子から電子を分離するには、最低13電子ボルト（eV）のエネルギーを供給する必要があります。しかし、核崩壊の典型的なエネルギーは$10^6$eV。したがって、崩壊の大部分では、電子と原子核は異なる方向に進み、電磁力がそれらを結合するにはエネルギーが多すぎます。
ただし、パラメータ空間の非常に小さなコーナーがあり、ほとんどすべてのエネルギーがニュートリノによって運び去られ、娘核と崩壊電子がほぼ静止したままになります。これは「二体ベータ崩壊」または「束縛ベータ崩壊」と呼ばれます。ベータ崩壊エネルギーが約0.8MeVである自由中性子の場合、限界崩壊$$\require{mhchem} \ce{n \to H + \nu}$$100万回の崩壊ごとに数回発生すると予測されています。この2014年の論文では、提案された測定の試みの概要を説明していますが、実験はトリッキーであり、まだ結果が得られなくても驚かないでしょう-彼らは実験の場所を選択していませんでした。目標は、まれな崩壊モードを検出することだけでなく、生成された水素原子の総スピンを測定することです。これにより、目に見えないニュートリノのスピンについて直接知ることができます。
原則として、同じロジックをより重いベータエミッターに適用できます。一つの候補は、トリチウム崩壊に縛られているかもしれません、$$\ce{^3H \to {}^3He + \nu},$$ここで、ベータ崩壊エネルギーははるかに小さく（約15 keV）、イオン化エネルギーはより深くなっています。ニュートリノがエネルギーの「すべて」を運び去る確率は、100万回あたり数回ではなく、100万回あたり数回になる可能性があることを想像できます。崩壊します。しかし、[実験家のウサギの穴が削除されました]分岐率が高いほどすぐに良い実験になるかどうかは私にはわかりません。
あなたは次のような崩壊を見つけることを決して期待しないでしょう
$$\ce{ ^{14}C \not\to {}^13C + {}^1H + \nu }$$
なぜなら、陽子または中性子を安定した原子核からノックアウトするのに少なくとも10 MeVが必要であり、ベータ崩壊は通常それほどエネルギー的ではないからです。
tl; dr要約：そのような崩壊は予測され、まれで、まだ観察されていませんが、実際には疑わしいものではありません。
中性子崩壊は、その部分の運動エネルギーの形で、0.782MeVを与えます。
水素イオン化エネルギーは13.6eVです。
したがって、崩壊した部品は、水素がイオン化する前に許容できるエネルギーの約5万倍のエネルギーを持っています。そして、運動量の保存により、これらの粒子は互いに離れて飛んでいきます。それらは一緒にとどまらないので、それらは水素と呼ばれません。