수소로의 핵 베타 붕괴
핵 베타 붕괴에 대한 읽기 :
$$n \longrightarrow p + e^{-} + \bar \nu$$
이 붕괴로 인해 발생하는 두 개의 입자가 수소 원자의 구성 요소라는 것을 나에게 생각했습니다. 그래서 우리는 왜 결코 보지 못합니까
$$n \longrightarrow H + \bar \nu$$
어디 $H$수소 원자입니까? 중성자가 수소 원자로 변할 수 있습니까?
답변
이것은 양성자 가 핵에 결합되어있는 반면 전자와 항 중성미자 는 핵 베타 붕괴 에서는 일어날 수 없습니다 [1].$\bar \nu$높은 운동 에너지로 방출됩니다. 따라서 양성자는 방출 된 전자와 결합하여 수소 원자를 형성 할 수 없습니다.
그러나 이것은 핵에 결합 된 중성자가 아닌 자유 중성자에 대해서는 거의 발생하지 않습니다.
이 문서는 여기 불리는이 과정에 대해 이야기 무료 중성자 붕괴 . 링크에 따르면, 중성자 붕괴 사건이 백만 건당 평균 4 건만이 수소 원자를 형성합니다. 이러한 경우 붕괴로 인한 전자는 에너지가$13.6 \ eV$ (수소 원자에서 전자의 결합 에너지) 그래서 양성자와 결합 할 수 있습니다.
그러나 대부분의 자유 중성자 붕괴 사건에서 생성되는 전자의 에너지는 $\approx 0.80 \ MeV$ 이는 위에서 언급 한 양성자 + 전자 상태에 대한 결합 에너지보다 훨씬 높습니다.
[1]이 모든 것을 말하면서, 나는 rob의 코멘트에서 결합 된 핵 베타 붕괴와 수소 형성에 대한 가설적이고 검증되지 않은 메커니즘이 있음을 언급했습니다 . 초록 읽기
수년 동안 중성자 붕괴는 새로운 물리학 탐구의 가능한 경로로 조사되었습니다. 이러한 예 중 하나는 중성자가 수소 원자와 반 중성미자로 결합 된 베타 붕괴 (BoB)입니다. 이 2 체 붕괴 모드는 Goldhaber 실험이 수행 한 것처럼 중성미자 나선을 연구하는 매우 우아한 방법을 제공합니다. 그러나이 드문 붕괴는 3 체 붕괴 모드의 10-6에 불과한 추정 분기 비율을 가진 전기적 중성 입자만을 포함하는 붕괴를 측정하는 문제로 인해 아직까지 관찰되지 않았습니다. 특히 Garching의 FRMII, Grenoble의 ILL 또는 Lund의 ESS와 같은 열 중성자의 강렬한 원천이 그러한 실험에 필요합니다. 이 논문은 BoB 중성자 붕괴를 관찰하기 위해 제안한 새로운 실험 계획의 요약을 제공하여 매우 일관된 방식으로 필요한 모든 문제를 해결합니다.
그리고 신문에서
1947 년 Daudel, Jean 및 Lecoin은 딸 핵과 전자가 결합 된 상태로 유지되는 2 체 베타 붕괴 모드의 존재를 예측했습니다 (Daudel, Jean 및 Lecoin (1947)). 자유 중성자의 베타 붕괴의 경우이를 "결합 베타 붕괴"또는 "BoB"라고 합니다.
저는이 연구 분야를 본 적이 없으며 매우 흥미 롭습니다.
방사성 핵종의 베타 붕괴가 아니라 자유 중성자의 붕괴에 대해 묻는 것 같습니다. 중성자 붕괴는 각각 운동 에너지를 가진 양성자, 전자 및 반 중성미자를 방출합니다. 이것은 발열 과정이기 때문입니다 (중성자의 나머지 질량은 양성자와 전자의 나머지 질량보다 크며, 반 중성미자는 0의 나머지 질량을 가짐). 0.78 MeV는 양성자, 전자 및 반 중성미자의 총 운동 에너지입니다. 전자는 운동 에너지를 가지고 있기 때문에 원점을 "탈출"하고 양성자와 결합하여 수소 원자를 형성 할 가능성이 매우 낮습니다. 전자가 주변 매질을 벗어나지 않으면 결국 포획되어 매질 내에서 이온을 형성합니다 (양성자에 대해서도 동일).
정지 상태의 입자가 쇠퇴하면 파편의 운동량이 0이되어야합니다. 운동량은 외부 힘이 없을 때 일정하기 때문입니다. 2- 몸체 붕괴에서 이것은 두 조각이 같고 반대의 운동량을 가짐을 의미합니다. 3 체 붕괴에서 다른 운동량의 크기는 그 사이의 각도에 따라 다른 값을 취합니다. 스펙트럼의 세부 사항을 계산하는 것은 어렵지만 손을 흔드는 근사치는 각 조각이 거의 동일한 양의 운동량을 전달한다는 것입니다.
이것은 붕괴 의 거의 모든 에너지 가 저 질량 전자와 초 상대성 중성미자에 의해 운반 된다는 것을 의미합니다 . 가난한 핵은 운동 에너지 만 운반합니다.$\sim p^2/2M$, 전자가 운반하는 동안 $\sim p^2/2m_e$.
핵 물리학과 원자 물리학을 분리 할 수있는 이유는 상호 작용에 관여하는 에너지 규모가 매우 다르기 때문입니다. 수소 원자에서 전자를 분리하려면 최소 13eV의 에너지를 공급해야합니다. 그러나 핵 붕괴의 전형적인 에너지는$10^6$eV. 따라서 대부분의 붕괴에서 전자와 핵은 서로 다른 방향으로 이동하며 전자기력이 이들을 결합하기에는 너무 많은 에너지를 사용합니다.
그러나 거의 모든 에너지가 중성미자에 의해 운반되는 매개 변수 공간의 매우 작은 모서리가있어 딸 핵과 붕괴 전자가 거의 정지 상태에 있습니다. 이를 "2 체 베타 붕괴"또는 "결합 베타 붕괴"라고합니다. 베타 붕괴 에너지가 약 0.8MeV 인 자유 중성자의 경우 결합 붕괴$$\require{mhchem} \ce{n \to H + \nu}$$백만 개의 부패 중 몇 번이 발생할 것으로 예상됩니다. 이 2014 년 논문 은 이 를 측정하기 위해 제안 된 시도를 간략하게 설명하지만 실험은 까다 롭고 아직 결과가 없다고해도 놀라지 않을 것입니다. 그들은 실험을위한 사이트를 선택하지도 않았습니다. 목표는 희귀 한 붕괴 모드를 감지하는 것이 아니라 생성 된 수소 원자의 총 스핀을 측정하는 것입니다. 이는 보이지 않는 중성미자의 스핀에 대해 직접적으로 알려줍니다.
원칙적으로 더 무거운 베타 이미 터에 동일한 로직을 적용 할 수 있습니다. 하나의 후보는 결합 된 삼중 수소 붕괴 일 수 있습니다.$$\ce{^3H \to {}^3He + \nu},$$베타 붕괴 에너지가 훨씬 더 작고 (약 15keV) 이온화 에너지가 더 깊습니다. "모든"에너지를 빼앗는 중성미자의 확률은 백만 분의 일이 아니라 백만 분의 일 붕괴 일 수 있습니다. 부패. 그러나 [실험 주의자 토끼 구멍이 삭제되었습니다] 더 높은 분기 비율이 즉시 더 나은 실험을 할 수 있다는 것은 분명하지 않습니다.
당신은 다음 과 같은 부패를 결코 기대 하지 않을 것입니다.
$$\ce{ ^{14}C \not\to {}^13C + {}^1H + \nu }$$
안정된 핵에서 양성 자나 중성자를 빼내려면 적어도 10 MeV가 필요하고 베타 붕괴는 일반적으로 그렇게 에너지 적이 지 않기 때문입니다.
요약 : 그러한 붕괴는 예측되고 드물지만 아직 관찰되지는 않았지만 실제로 의심되는 것은 아닙니다.
중성자 붕괴는 0.782 MeV를 부품의 운동 에너지 형태로 제공합니다.
수소 이온화 에너지는 13.6eV입니다.
따라서 부패 된 부품은 이온화되기 전에 수소가 견딜 수있는 에너지보다 약 50k 배 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 그리고 운동량 보존은이 입자들이 서로 멀리 떨어져 날아 가게합니다. 그들은 함께 머물지 않기 때문에 수소라고 부르지 않습니다.