¡El hecho de que muchos de los que estudian la naturaleza de la materia ordinaria por primera vez estén desconcertados es que el núcleo de cualquier átomo es más pesado que el hidrógeno contiene protones y neutrones, pero al mismo tiempo los neutrones se descomponen (se desintegran en otras partículas) en un promedio de 15 minutos! ¿Cómo pueden los núcleos de carbono, oxígeno, nitrógeno, silicio ser tan estables si los neutrones de los que están compuestos no pueden sobrevivir por sí solos?
La respuesta a esta pregunta resulta ser muy simple después de comprender cómo funciona la energía: esto es pura contabilidad. Pero comprender la energía está lejos de ser fácil. Primero necesitas leer
un artículo sobre los tipos de energía . Antes de eso, debes leer el
artículo sobre energía, impulso y masa . Estos conceptos deben presentarse antes de comprender la respuesta a la pregunta.
Si lees un artículo sobre la energía de interacción, sabrás que un átomo de hidrógeno consiste en un protón y un electrón que, debido a la energía de unión negativa, no pueden escapar uno del otro, están encerrados dentro del átomo. La energía de unión negativa proviene de la energía de interacción negativa, parcialmente equilibrada por la energía positiva de movimiento del electrón (y un poco, el protón). La energía de interacción proviene de la acción de un electrón en un campo eléctrico cerca de un protón (y viceversa).
En este artículo, explicaré por qué un neutrón es estable en el siguiente núcleo atómico más simple: un deuterón, un núcleo de "hidrógeno pesado" o "deuterio". Un deuterón consta de un neutrón y un protón; en principio, es simple y no muy diferente de un átomo de hidrógeno con un electrón y un protón. Al comprender por qué un neutrón es estable en un deuterón, comprenderá el principio básico por el cual los neutrones pueden ser estables dentro de todos los núcleos estables. La conclusión es: la energía de interacción de los protones y los neutrones es negativa, y bastante grande, por lo tanto, en algunos núcleos, la descomposición de un neutrón conduciría a un aumento en la energía del sistema (que consiste en el resto del núcleo después de su descomposición y todas las partículas emitidas durante la descomposición), lo que violaría la ley de conservación de la energía. Como la energía debe conservarse, la descomposición no es posible.
No describiré la interacción de un neutrón con un protón, ya que una interacción fuerte es responsable de esto, mucho más compleja que las interacciones eléctricas (y magnéticas) entre un protón y un electrón que forman un átomo de hidrógeno. Parte de esta complejidad se debe a la naturaleza compuesta de la interacción: es un poco como si la interacción electromagnética pudiera unir dos átomos de hidrógeno en una molécula de hidrógeno, aunque ambos átomos son eléctricamente neutros. Pero algunos detalles importantes no están cubiertos por esta analogía. La física nuclear es un tema aparte.
Fig. 1Afortunadamente, no necesitamos estas dificultades. Necesitamos saber que estas fuerzas crean energía de interacción negativa para un sistema de protones, neutrones y varios campos complejos, lo que les permite influirse mutuamente. El resultado es un deuterón estable. Así como un átomo de hidrógeno no puede descomponerse repentinamente en un electrón y un protón, un deuterón no puede descomponerse repentinamente en un neutrón y un protón.
Esto no significa que no se pueda destruir un deuterón o un átomo de hidrógeno. Puede "ionizar" un átomo de hidrógeno (eliminar un electrón en un protón) si agrega energía externa, en forma de, digamos, un fotón bastante energético. El mismo método puede usarse para romper el deuterio y eliminar un neutrón en un protón. Pero la energía para esto debe obtenerse fuera del sistema; ni el hidrógeno ni el deuterón se descompondrán solos.
El neutrón puede descomponerse
Recordemos la condición necesaria (pero no suficiente) para la descomposición de un objeto: la masa del objeto inicial debe exceder la suma de las masas de los objetos en los que se descompone. ¿De dónde viene esta condición? De la ley de conservación de la energía. Pronto veremos cómo y por qué (como de costumbre, por masa quiero decir "masa de paz").
Fig. 2Verifiquemos que esta condición se satisfaga para un neutrón, que puede descomponerse en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. La descomposición se muestra en la Figura 2; El neutrón se convierte espontáneamente en estas tres partículas. El neutrón y el protón son en realidad más grandes que el electrón y el antineutrino, aunque la imagen aún no está dibujada a escala. El diámetro de un neutrón o protón es de aproximadamente una billonésima parte de una billonésima parte de un metro (100,000 veces más pequeño que un átomo), y se sabe que es aproximadamente 1,000 veces más pequeño que este, aproximadamente del diámetro de un electrón o neutrino.
En la fig. 3 representa la contabilidad energética (ver Fig. 1). Antes de la desintegración de neutrones, la energía de todo el sistema es igual a la energía de masa (E = mc
2 ) del neutrón. La masa de neutrones es 0.939565 ... GeV / c
2 .
Los puntos suspensivos indican que este no es un valor exacto, pero hasta ahora no necesitamos más precisión. Por lo tanto, la energía de masa de neutrones
0.939565 ... GeV / c
2Después de la descomposición de neutrones, ¿cuál será la energía de todo el sistema? Como la energía se conserva, pero no se suministró energía desde el exterior, la energía del sistema será igual a la misma: 0.939565 ... ¡GeV!
¿Pero cómo se distribuye?
En primer lugar, no tendremos la energía de la interacción. Esto no es obvio, pero es muy importante. Cuando un protón, un electrón y un antineutrino se separan, la energía de su interacción se vuelve insignificante.
En segundo lugar, cada una de las partículas tiene energía de masa. Cuanto cuesta
• La energía de masa del protón es 0.938272 ... GeV.
• La energía de masa de electrones es 0.000511 ... GeV.
• La energía de la masa de antineutrino puede descuidarse, es muy pequeña.
Y esto es bueno, ya que la masa de neutrinos aún no la conocemos. Sabemos que es al menos mucho menor que 0.000001 GeV.
La masa-energía resultante es igual a
(0.938272 ... + 0.000511 ... + 0.000000 ...) GeV = 0.938783 ... GeV
Que es menor que la energía de masa del neutrón con el que comenzamos, en 0.000782 ... GeV. Hasta ahora, no vemos cómo se conserva. La energía de masa de un neutrón no se ha convertido completamente en la energía de masa de un protón, un electrón y un neutrino. El exceso de energía en la Fig. 3 se muestran en amarillo.
Fig. 3La diferencia se puede compensar con la energía del movimiento. Ella siempre es positiva. Solo necesitamos distribuir el 0.000782 ... GeV extra entre los movimientos de las partículas para preservar el impulso del sistema (créanme, esto es posible). Entonces la energía se guardará, ya que la energía de la masa del neutrón se ha convertido en la energía de la masa y la energía del movimiento del protón, el electrón y el neutrino.
No indiqué la cantidad exacta de energía de movimiento que fue expulsada por el protón, el electrón y el neutrino, ya que en cada uno de los casos de desintegración de neutrones, la energía se distribuirá de diferentes maneras, al azar (como es la mecánica cuántica). Solo la energía total de movimiento siempre será la misma, 0.000782 ... GeV.
Deuteron es estable
De vuelta al deuterón. La energía total de un deuterón, como la de un átomo de hidrógeno, consiste en la energía positiva de la masa de sus dos componentes (protón y neutrón), la energía positiva de movimiento de los dos componentes y la energía de interacción negativa, más que cubrir la energía del movimiento. Además, como para cualquier partícula o sistema, la masa del deuterón será igual a su energía total (más precisamente, la energía total que se mide cuando no se mueve en relación con usted), dividida por c
2 , el cuadrado de la velocidad de la luz. En consecuencia, si el deuterón descansa en relación con usted, en función de su masa medida igual a 1.875612 ... GeV / s
2 , podemos decir que su energía es
La energía de masa del deuterón = 1.875612 ... GeV =
• Energía de masa de protones + energía de masa de neutrones,
• La energía del movimiento de protones + la energía del movimiento de neutrones,
• La energía de interacción (negativa, y más en magnitud que la energía de movimiento).
<energía de masa de protones + energía de masa de neutrones
= 0.938272 ... GeV + 0.939565 ... GeV = 1.877837 ... GeV
Por lo tanto, la energía de enlace de deuterón es
1.875612 ... GeV - 1.877837 ... GeV = -0.002225 ... GeV
Fig. 4 4La energía de unión negativa significa, como en el caso de un átomo de hidrógeno, que un deuterón no puede simplemente colapsar en un neutrón y un protón, como se muestra en la Fig. 4. Esto violaría la conservación de energía, que establece que una partícula en descomposición debe ser más masiva que las partículas en las que se descompone. Como se muestra en la fig. 5, no puedes ahorrar energía. El neutrón y el protón tienen más energía de masa que el deuterón, y no hay una fuente de energía negativa que pueda absorber el déficit de energía, ya que no hay energía de interacción entre el protón separado y el neutrón, y no hay energía de movimiento negativa. Esto significa que el proceso en la Fig. 4 no pueden suceder.
Fig. 5 5
El neutrón dentro del deuterón no puede descomponerse
Quedaba un paso y, en comparación con los anteriores, es bastante simple. La pregunta es: ¿por qué no puede decaer un neutrón dentro de un deuterón?
Digamos que se rompió: ¿qué queda? Entonces tendremos dos protones, un electrón y un antineutrino; ver foto 6. Dos protones se repelen: tienen una carga eléctrica positiva y la fuerza eléctrica los empuja. Una interacción nuclear fuerte, tratando de unirlos, no es tan fuerte como la de un neutrón con un protón, y el efecto combinado de las dos fuerzas será repulsivo. Como resultado, esta interacción repelerá a los protones. Mientras tanto, el electrón y el antineutrino también abandonarán la escena.
Fig. 6 6Cuando las cuatro partículas están muy separadas (como se muestra más o menos en la Fig. 6, pero imagina que se dispersaron aún más), no habrá energía de interacción significativa entre ellas. La energía del sistema consistirá solo en la suma de las energías de las masas de partículas y las energías del movimiento. Como la energía del movimiento es siempre positiva, la energía mínima que pueden tener las partículas será igual a la suma de sus energías de masa. ¡Pero esta energía es mayor que la energía de masa de deuterón (Fig. 7)! Incluso la energía de masa de dos protones, 1.876544 ... GeV ya es mayor que la energía de masa del deuterón. Y un 0.000511 GeV adicional solo vierte sal sobre la herida.
Por lo tanto, el neutrón dentro del deuterón no puede descomponerse; La energía de interacción que sostiene el deuterón baja su masa, ¡lo suficientemente bajo como para que la descomposición de neutrones dentro del deuterón viole la conservación de energía!
Fig. 7 7Otros núcleos atómicos
Y así sucede con todos los núcleos estables en la naturaleza. ¡Pero no piense que cuando combina neutrones y protones, el resultado es un núcleo estable! Los núcleos estables son extremadamente raros.
Si tomas Z protones y N neutrones e intentas hacer un núcleo con ellos, entonces para la mayoría de las variantes Z y N no tendrás éxito. La mayoría de estos núcleos se descompondrán instantáneamente; no se formarán en absoluto. En términos generales, la fuerza de atracción entre los protones Z y los neutrones N es más fuerte cuando Z es aproximadamente igual a N. Por otro lado, los protones se repelen entre sí debido a la interacción electromagnética. Esta fuerza aumenta con el aumento de Z. La competencia de estos dos efectos sugiere que es probable que el núcleo sea estable cuando Z es ligeramente menor que N; y cuanto más grandes sean Z y N, mayor será la diferencia entre Z y N. Esto se puede ver en la Fig. 8. Solo los núcleos marcados en negro son estables; están ubicados en lo que poéticamente se llama el "valle de la estabilidad".
¿Y qué tipo de núcleos se indican por color? Resulta que hay bastantes núcleos que aún se descomponen, pero pueden vivir durante bastante tiempo. A menudo llamamos a estos objetos "inestables", y los que viven lo suficiente son "metaestables". El uso de palabras depende del contexto. El neutrón vive 15 minutos. Hay núcleos que viven unos pocos milisegundos, días, décadas, milenios e incluso miles de millones de años. Llamamos a estos núcleos radioactivos; Estas son las consecuencias peligrosas de los casos que involucran radiación o armas, y las herramientas utilizadas en los detectores de humo y para combatir el cáncer, entre otros.
Hay muchas formas en que estos núcleos pueden descomponerse, pero algunos de ellos se descomponen, convirtiendo un neutrón en un protón dentro del núcleo. Sabemos esto al aumentar la carga del núcleo y por el hecho de que un electrón sale volando junto con el antineutrino. ¡Otros incluso pueden descomponerse, convirtiendo un protón en un neutrón! Sabemos esto porque la carga del núcleo disminuye y un positrón (anti-electrón) sale volando. La física nuclear muy complicada está involucrada en el cálculo de cuánto puede vivir un determinado núcleo y cómo se descompondrá; aquí no daré un curso sobre él (y no soy un experto).
Fig. 8Baste decir que la energía negativa de la interacción de partículas, combinada con la conservación de energía, puede cambiar todo el juego, haciendo imposible ciertos procesos que son posibles en condiciones normales, y viceversa.