Ядерный бета-распад до водорода
Читая о ядерном бета-распаде:
$$n \longrightarrow p + e^{-} + \bar \nu$$
Мне пришло в голову, что две частицы, образовавшиеся в результате этого распада, являются составными частями атома водорода. Так почему мы никогда не видим
$$n \longrightarrow H + \bar \nu$$
где $H$такое атом водорода? Может ли нейтрон превратиться в атом водорода?
Ответы
Очевидно, этого не может произойти [1] в ядерном бета-распаде , поскольку протон остается связанным с ядром, в то время как электрон и антинейтрино$\bar \nu$испускаются с высокой кинетической энергией. Таким образом, протон не может объединиться с выброшенным электроном с образованием атома водорода.
Но это может случиться и случается редко для свободных нейтронов, а не нейтронов, связанных с ядром.
Эта статья здесь говорит об этом процессе , называемом свободным распадом нейтрона . Согласно ссылке, на каждый миллион событий распада нейтрона в среднем только четыре приводят к образованию атома водорода. В таких случаях электрон, образовавшийся в результате распада, имеет энергию меньше, чем$13.6 \ eV$ (энергия связи электрона в атоме водорода) и поэтому может связываться с протоном.
Но в значительном большинстве случаев распада свободных нейтронов энергия образовавшегося электрона имеет энергию $\approx 0.80 \ MeV$ что значительно выше, чем энергия связи для упомянутого выше состояния протон + электрон.
[1] Сказав все это, я отметил в комментарии Роба выше, что существует гипотетический и непроверенный механизм связанного ядерного бета-распада и образования водорода . Аннотация гласит
В течение многих лет распад нейтрона исследовался как возможный путь к исследованию новой физики. Одним из таких примеров является связанный бета-распад (BoB) нейтрона на атом водорода и антинейтрино. Этот двухчастичный режим распада предлагает очень элегантный метод изучения спиральности нейтрино, как это сделал эксперимент Гольдхабера. Однако этот редкий распад до сих пор не наблюдался из-за проблем с измерением распада, в котором участвуют только электрически нейтральные частицы с расчетным коэффициентом ветвления только 10-6 от трехчастичной моды распада. В частности, для такого эксперимента потребуется интенсивный источник тепловых нейтронов, такой как FRMII в Гархинге, ILL в Гренобле или ESS в Лунде. Эта статья представляет собой краткое изложение новой экспериментальной схемы, которую мы предлагаем для наблюдения за распадом нейтрона BoB, решая все необходимые проблемы очень согласованным образом.
И в газете
В 1947 году Даудель, Жан и Лекойн предсказали существование двухчастичного режима бета-распада, в котором дочернее ядро и электрон остаются связанными (Даудель, Жан и Лекойн (1947)). Для бета-распада свободного нейтрона это называется «связанный бета-распад» или «BoB» .
Я никогда не замечал этого направления исследований, и это очень интересно.
Похоже, вы спрашиваете о распаде свободного нейтрона, а не о бета-распаде радионуклида. Распад нейтрона приводит к высвобождению протона, электрона и антинейтрино, каждый с кинетической энергией, поскольку это экзотермический процесс (масса покоя нейтрона больше, чем масса покоя протона плюс электрон, антинейтрино имеет нулевую массу покоя). 0,78 МэВ - полная кинетическая энергия протона, электрона и антинейтрино. Поскольку электрон обладает кинетической энергией, он «покидает» свою точку происхождения и имеет очень низкую вероятность объединения с протоном с образованием атома водорода. Если электрон не покидает окружающую среду, он в конечном итоге будет захвачен и сформирует ион внутри среды (то же самое для протона).
Когда покоящаяся частица распадается, импульс осколков должен в сумме равняться нулю, потому что импульс постоянен, когда нет никакой внешней силы. В двухчастичном распаде это означает, что два фрагмента имеют равные и противоположные импульсы. В трехчастичном распаде величины различных импульсов принимают разные значения в зависимости от углов между ними. Вычислить детали спектра сложно, но приближение взмахов руки состоит в том, что каждый фрагмент несет примерно одинаковое количество импульса.
Это означает, что почти вся энергия распада уносится электроном с малой массой и ультрарелятивистским нейтрино: бедное ядро может нести только кинетическую энергию.$\sim p^2/2M$, а электрон переносит $\sim p^2/2m_e$.
Причина, по которой мы можем отделить ядерную физику от атомной физики, заключается в том, что энергетические масштабы, участвующие во взаимодействиях, очень разные. Чтобы отделить электрон от атома водорода, вы должны снабдить его энергией минимум 13 электрон-вольт (эВ). Но типичная энергия ядерного распада равна$10^6$эВ. Итак, в подавляющем большинстве распадов электрон и ядро движутся в разных направлениях, имея слишком много энергии, чтобы электромагнитная сила могла их связать.
Однако есть очень маленький угол пространства параметров, где почти вся энергия уносится нейтрино, оставляя дочернее ядро и распадающийся электрон почти в покое. Это называется «двухчастичным бета-распадом» или «связанным бета-распадом». Для свободного нейтрона, энергия бета-распада которого составляет около 0,8 МэВ, связанный распад$$\require{mhchem} \ce{n \to H + \nu}$$предсказывается, что это произойдет несколько раз из миллиона распадов. В этой статье 2014 года излагается предлагаемая попытка измерить это, но эксперимент сложен, и я не удивлюсь, если бы еще не было результатов - они даже не выбрали место для эксперимента. Целью было бы не просто обнаружить редкую моду распада, но и измерить полные спины образовавшихся атомов водорода, которые прямо скажут вам о спинах невидимых нейтрино.
В принципе, вы можете применить ту же логику к более тяжелым бета-излучателям. Один кандидат может быть связан распадом трития,$$\ce{^3H \to {}^3He + \nu},$$где энергия бета-распада намного меньше (около 15 кэВ), а энергия ионизации глубже: вы можете представить, что вероятность того, что нейтрино унесет «всю» энергию, может быть много на миллион распадов, а не несколько на миллион. распадается. Но [удалена кроличья нора-экспериментатор] мне не ясно, что более высокий коэффициент ветвления немедленно приведет к лучшему эксперименту.
Вы бы никогда не ожидали найти такой распад, как
$$\ce{ ^{14}C \not\to {}^13C + {}^1H + \nu }$$
потому что требуется не менее 10 МэВ, чтобы выбить протон или нейтрон из стабильного ядра, а бета-распады обычно не такие энергичные.
tl; dr Резюме: такие распады предсказаны, редки, пока не наблюдаются, но не вызывают сомнений.
Распад нейтрона дает 0,782 МэВ в виде кинетической энергии его частей.
Энергия ионизации водорода 13,6 эВ.
Итак, разложившиеся детали имеют примерно в 50 тысяч раз больше энергии, чем водород может выдержать до ионизации. А сохранение импульса заставит эти частицы разлететься, дальше друг от друга. Поскольку они не держатся вместе, их не называют водородом.