परमाणु नाभिक में न्यूट्रॉन स्थिरता

तथ्य यह है कि जो लोग पहली बार सामान्य पदार्थ की प्रकृति का अध्ययन करते हैं उनमें से कई चकित है कि किसी भी परमाणु का नाभिक हाइड्रोजन की तुलना में भारी है, इसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों शामिल हैं, लेकिन एक ही समय में न्यूट्रॉन क्षय (अन्य कणों में विघटित) औसतन 15 मिनट में होता है! कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सिलिकॉन के नाभिक इतने स्थिर कैसे हो सकते हैं यदि वे जिस न्यूट्रॉन से बने हैं वे अपने आप जीवित नहीं रह सकते?

इस सवाल का जवाब बहुत सरल हो जाता है जब आप समझते हैं कि ऊर्जा कैसे काम करती है: यह शुद्ध बहीखाता है। लेकिन ऊर्जा को समझना आसान से बहुत दूर है। पहले आपको ऊर्जा के प्रकारों पर एक लेख पढ़ने की आवश्यकता है। इससे पहले, आपको ऊर्जा, गति और द्रव्यमान पर लेख पढ़ने की आवश्यकता है। प्रश्न के उत्तर को समझने से पहले इन अवधारणाओं को प्रस्तुत किया जाना चाहिए।

यदि आप इंटरैक्शन ऊर्जा पर एक लेख पढ़ते हैं, तो आप जानते हैं कि हाइड्रोजन परमाणु में एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो कि नकारात्मक बाध्यकारी ऊर्जा के कारण एक दूसरे से बच नहीं पा रहे हैं - वे परमाणु के अंदर बंद हैं। नकारात्मक बाध्यकारी ऊर्जा नकारात्मक बातचीत ऊर्जा से आती है, आंशिक रूप से इलेक्ट्रॉन की गति की सकारात्मक ऊर्जा (और थोड़ा - प्रोटॉन) द्वारा संतुलित होती है। इंटरैक्शन एनर्जी एक प्रोटॉन (और इसके विपरीत) के पास एक विद्युत क्षेत्र पर एक इलेक्ट्रॉन की कार्रवाई से आती है।

इस लेख में, मैं बताऊंगा कि क्यों न्यूट्रॉन अगले सबसे सरल परमाणु नाभिक में स्थिर है: एक ड्यूटेरॉन, "भारी हाइड्रोजन" या "ड्यूटेरियम" का एक नाभिक। एक ड्यूटेरॉन में एक न्यूट्रॉन और एक प्रोटॉन होते हैं - सिद्धांत रूप में यह सरल है, और एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रोटॉन के साथ हाइड्रोजन परमाणु से बहुत अलग नहीं है। यह समझना कि न्यूट्रॉन एक ड्यूटेरॉन में स्थिर क्यों है, आप मूल सिद्धांत को समझेंगे जिसके द्वारा न्यूट्रॉन सभी न्यूक्लियर न्यूक्लियर के अंदर स्थिर हो सकते हैं। लब्बोलुआब यह है: प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की अंतःक्रियात्मक ऊर्जा नकारात्मक होती है, और काफी बड़ी होती है, इसलिए कुछ नाभिकों में न्यूट्रॉन के क्षय से सिस्टम की ऊर्जा में वृद्धि होती है (इस क्षय के बाद नाभिक शेष रह जाता है और क्षय के दौरान उत्सर्जित सभी कण), जो ऊर्जा के संरक्षण के नियमों का उल्लंघन होगा। चूंकि ऊर्जा को संरक्षित किया जाना चाहिए, इसलिए क्षय संभव नहीं है।

मैं एक प्रोटॉन के साथ एक न्यूट्रॉन की बातचीत का वर्णन नहीं करूंगा, क्योंकि एक मजबूत बातचीत इसके लिए जिम्मेदार है, एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन के बीच विद्युत (और चुंबकीय) इंटरैक्शन की तुलना में बहुत अधिक जटिल है जो हाइड्रोजन परमाणु बनाते हैं। इस जटिलता का एक हिस्सा बातचीत की समग्र प्रकृति के कारण है - यह थोड़ा सा है जैसे विद्युत चुम्बकीय बातचीत दो हाइड्रोजन परमाणुओं को एक हाइड्रोजन अणु में बांध सकती है, हालांकि दोनों परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ हैं। लेकिन कुछ महत्वपूर्ण विवरण इस सादृश्य द्वारा कवर नहीं किए गए हैं। परमाणु भौतिकी एक अलग मुद्दा है।


अंजीर। 1

सौभाग्य से, हमें इन कठिनाइयों की आवश्यकता नहीं है। हमें यह जानने की जरूरत है कि ये बल प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और विभिन्न जटिल क्षेत्रों की एक प्रणाली के लिए नकारात्मक संपर्क ऊर्जा बनाते हैं, जिससे वे एक दूसरे को प्रभावित कर सकते हैं। परिणाम एक स्थिर ड्यूटेरॉन है। जिस तरह एक हाइड्रोजन परमाणु अचानक एक इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन में क्षय नहीं कर सकता है, एक ड्यूटेरॉन अचानक एक न्यूट्रॉन और प्रोटॉन में क्षय नहीं कर सकता है।

इसका मतलब यह नहीं है कि एक ड्यूटेरॉन या हाइड्रोजन परमाणु को नष्ट नहीं किया जा सकता है। यदि आप बाहरी ऊर्जा को जोड़ते हैं, तो आप एक हाइड्रोजन परमाणु ("एक प्रोटॉन पर एक इलेक्ट्रॉन को बाहर निकाल सकते हैं") को एक काफी ऊर्जावान फोटॉन कह सकते हैं। एक ही विधि का उपयोग ड्यूटेरियम को तोड़ने के लिए किया जा सकता है और एक प्रोटॉन पर एक न्यूट्रॉन को बाहर करने के लिए किया जा सकता है। लेकिन इसके लिए ऊर्जा प्रणाली के बाहर प्राप्त की जानी चाहिए; न तो हाइड्रोजन और न ही ड्यूटेरॉन अपने आप ही सड़ जाएगा।

न्यूट्रॉन का क्षय हो सकता है

हमें एक वस्तु के क्षय के लिए आवश्यक (लेकिन पर्याप्त नहीं) स्थिति को याद करना चाहिए - प्रारंभिक वस्तु का द्रव्यमान उस वस्तु के द्रव्यमान के योग से अधिक होना चाहिए जिसमें यह घटता है। यह स्थिति कहां से आती है? ऊर्जा के संरक्षण के कानून से। जल्द ही हम देखेंगे कि कैसे और क्यों (हमेशा की तरह, द्रव्यमान से मेरा मतलब "शांति का द्रव्यमान") है।


अंजीर। 2

हमें सत्यापित करें कि यह स्थिति एक न्यूट्रॉन के लिए संतुष्ट है, जो एक प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो में क्षय हो सकता है। क्षय को चित्र 2 में दिखाया गया है; न्यूट्रॉन अनायास इन तीन कणों में बदल जाता है। न्यूट्रॉन और प्रोटॉन वास्तव में इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो से बड़े होते हैं - हालांकि तस्वीर अभी भी पैमाने पर नहीं खींची गई है। न्यूट्रॉन या प्रोटॉन का व्यास मीटर के एक ट्रिलियनवें के एक बिलियनवें (परमाणु से 100,000 गुना छोटा) के बारे में है, और एक इलेक्ट्रॉन या न्यूट्रिनो के व्यास के बारे में यह ज्ञात है कि यह इससे कम से कम 1,000 गुना छोटा है।

अंजीर में। 3 ऊर्जा लेखांकन को दर्शाता है (चित्र 1 देखें)। न्यूट्रॉन क्षय से पहले, पूरे सिस्टम की ऊर्जा न्यूट्रॉन के बड़े पैमाने पर ऊर्जा (ई = एमसी ² ) के बराबर है। न्यूट्रॉन द्रव्यमान 0.939565 ... GeV / c ^{2 है} ।

दीर्घवृत्त इंगित करता है कि यह एक सटीक मूल्य नहीं है, लेकिन अभी तक हमें अधिक सटीकता की आवश्यकता नहीं है। इसलिए, न्यूट्रॉन द्रव्यमान ऊर्जा

0.939565 ... जीवी / सी ²

न्यूट्रॉन क्षय के बाद, पूरे सिस्टम की ऊर्जा क्या होगी? चूंकि ऊर्जा संरक्षित है, लेकिन कोई भी ऊर्जा बाहर से आपूर्ति नहीं की गई थी, सिस्टम की ऊर्जा समान होगी - 0.939565 ... 1V!

लेकिन यह कैसे वितरित किया जाता है?

सबसे पहले, हम बातचीत की ऊर्जा नहीं होगी। यह स्पष्ट नहीं है, लेकिन बहुत महत्वपूर्ण है। जब एक प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो अलग हो जाते हैं, तो उनकी बातचीत की ऊर्जा नगण्य हो जाती है।

दूसरे, प्रत्येक कण में द्रव्यमान ऊर्जा होती है। यह कितना है?
• प्रोटॉन की द्रव्यमान ऊर्जा 0.938272 ... GeV है।
• इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान ऊर्जा 0.000511 ... GeV है।
• एंटीन्यूट्रिनो द्रव्यमान की ऊर्जा को उपेक्षित किया जा सकता है, यह इतना छोटा है।

और यह अच्छा है, क्योंकि न्यूट्रिनो का द्रव्यमान हमें अभी तक ज्ञात नहीं है। हम जानते हैं कि यह कम से कम 0.000001 GeV से बहुत कम है।

परिणामस्वरूप द्रव्यमान-ऊर्जा के बराबर है

(0.938272 ... + 0.000511 ... + 0.000000 ...) GeV = 0.938783 ... GeV

जो 0.000782 ... GeV द्वारा शुरू किए गए न्यूट्रॉन की द्रव्यमान ऊर्जा से कम है। अब तक, हम यह नहीं देखते हैं कि यह कैसे संरक्षित है। एक न्यूट्रॉन की द्रव्यमान ऊर्जा पूरी तरह से एक प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो की सामूहिक ऊर्जा में नहीं बदल गई है। अंजीर में अतिरिक्त ऊर्जा। 3 पीले रंग में दिखाए गए हैं।


अंजीर। 3

अंतर को आंदोलन की ऊर्जा के साथ बनाया जा सकता है। वह हमेशा सकारात्मक रहती है। हमें केवल अतिरिक्त 0.000782 को वितरित करने की आवश्यकता है ... कणों के आंदोलनों के बीच जीईवी ताकि सिस्टम की गति संरक्षित हो (मेरा विश्वास करो, यह संभव है)। तब ऊर्जा संरक्षित होगी, चूंकि न्यूट्रॉन द्रव्यमान की ऊर्जा द्रव्यमान की ऊर्जा और प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो की गति की ऊर्जा में बदल गई है।

मैं आंदोलन की ऊर्जा की सटीक मात्रा को इंगित नहीं करता हूं जो प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो के लिए खर्च किया गया था, क्योंकि न्यूट्रॉन क्षय के प्रत्येक मामले में ऊर्जा को अलग-अलग तरीकों से वितरित किया जाएगा, बस यादृच्छिक रूप से (जैसे क्वांटिटी मैकेनिक्स है)। केवल गति की कुल ऊर्जा हमेशा समान होगी, 0.000782 ... GeV।

ड्यूटेरॉन स्थिर है

वापस ड्यूटेरॉन पर जाएं। किसी ड्यूटेरॉन की कुल ऊर्जा, जैसे कि हाइड्रोजन परमाणु, उसके दो घटकों (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) के द्रव्यमान की सकारात्मक ऊर्जा, दो घटकों की गति की सकारात्मक ऊर्जा और नकारात्मक अंतःक्रिया ऊर्जा, गति की ऊर्जा को कवर करने से अधिक होती है। इसके अलावा, किसी भी कण या प्रणाली के लिए, ड्यूटेरॉन का द्रव्यमान उसकी कुल ऊर्जा के बराबर होगा (अधिक सटीक - कुल ऊर्जा जिसे आप मापते हैं जब वह आपके सापेक्ष नहीं चलती है), सी ² , प्रकाश की गति के वर्ग से विभाजित। तदनुसार, अगर ड्युटेरोन आप के सापेक्ष आराम कर रहा है, तो उसके मापा द्रव्यमान के आधार पर 1.875612 के बराबर ... GeV / s ² , हम कह सकते हैं कि इसकी ऊर्जा है

ड्यूटेरॉन की द्रव्यमान ऊर्जा = 1.875612 ... GeV =
• प्रोटॉन द्रव्यमान ऊर्जा + न्यूट्रॉन द्रव्यमान ऊर्जा,
• प्रोटॉन गति की ऊर्जा + न्यूट्रॉन गति की ऊर्जा,
• बातचीत की ऊर्जा (नकारात्मक, और गति की ऊर्जा से अधिक परिमाण में)।

<प्रोटॉन द्रव्यमान ऊर्जा + न्यूट्रॉन द्रव्यमान ऊर्जा

= 0.938272 ... GeV + 0.939565 ... GeV = 1.877837 ... GeV

इसलिए, ड्यूटेरॉन बाध्यकारी ऊर्जा है

1.875612 ... GeV - 1.877837 ... GeV = -0.002225 ... GeV


अंजीर। 4

नकारात्मक बाध्यकारी ऊर्जा का अर्थ है, जैसे कि हाइड्रोजन परमाणु के मामले में, कि एक ड्यूटेरोन केवल न्यूट्रॉन और प्रोटॉन में नहीं गिर सकता है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 4. यह ऊर्जा संरक्षण का उल्लंघन करेगा, जिसमें कहा गया है कि एक क्षयकारी कण उन कणों की तुलना में अधिक बड़े पैमाने पर होना चाहिए, जिनमें यह घटता है। जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 5, आप किसी भी तरह से ऊर्जा नहीं बचा सकते हैं। न्यूट्रॉन और प्रोटॉन में ड्यूटेरॉन की तुलना में अधिक द्रव्यमान ऊर्जा होती है, और नकारात्मक ऊर्जा का कोई स्रोत नहीं होता है जो ऊर्जा की कमी को पूरा कर सकता है, क्योंकि दूर से अलग हुए प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के बीच कोई अंतःक्रियात्मक ऊर्जा नहीं होती है, और गति की कोई नकारात्मक ऊर्जा नहीं होती है। इसका मतलब यह है कि अंजीर में प्रक्रिया। 4 नहीं हो सकता।


अंजीर। 5

ड्यूटेरॉन के अंदर का न्यूट्रॉन क्षय नहीं कर सकता है

एक चरण बना रहा, और यह, पिछले वाले की तुलना में, काफी सरल है। सवाल यह है: न्यूट्रॉन क्षय नहीं कर सकता एक ड्यूटेन के अंदर क्यों?

मान लीजिए कि यह टूट गया: क्या शेष है? फिर हमारे पास दो प्रोटॉन, एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो होंगे; तस्वीर देखें 6. दो प्रोटॉन पीछे हटते हैं - उनके पास एक सकारात्मक विद्युत आवेश होता है, और विद्युत बल उन्हें दूर धकेलता है। एक मजबूत परमाणु संपर्क, उन्हें एक साथ खींचने की कोशिश करना, एक प्रोटॉन के साथ न्यूट्रॉन की तरह मजबूत नहीं है, और दो बलों का संयुक्त प्रभाव प्रतिकारक होगा। नतीजतन, यह बातचीत प्रोटॉन को पीछे कर देगी। इस बीच, इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो भी दृश्य छोड़ देंगे।


अंजीर। 6

जब सभी चार कण अलग-अलग होते हैं (जैसा कि चित्र 6 में लगभग दिखाया गया है, लेकिन कल्पना करें कि वे आगे भी बिखरे हुए हैं), उनके बीच कोई महत्वपूर्ण बातचीत ऊर्जा नहीं होगी। सिस्टम की ऊर्जा में कणों के द्रव्यमान की ऊर्जा और गति की ऊर्जा का योग शामिल होगा। चूंकि गति की ऊर्जा हमेशा सकारात्मक होती है, इसलिए न्यूनतम ऊर्जा जो ऊर्जा हो सकती है, उनके द्रव्यमान ऊर्जा के योग के बराबर होगी। लेकिन यह ऊर्जा ड्यूटेरॉन मास एनर्जी (छवि 7) से अधिक है! यहां तक ​​कि दो प्रोटॉन की द्रव्यमान ऊर्जा, 1.876544 ... GeV पहले से ही ड्युट्रॉन की द्रव्यमान ऊर्जा से अधिक है। और एक अतिरिक्त 0.000511 GeV केवल घाव पर नमक डालता है।

इसलिए, डीट्रॉन के अंदर न्यूट्रॉन क्षय नहीं कर सकते हैं; अंतःक्रियात्मक ऊर्जा जो ड्यूटेरॉन को धारण करती है, उसके द्रव्यमान को नीचे खींचती है - ऊर्जा संरक्षण का उल्लंघन करने के लिए ड्युट्रॉन के अंदर न्यूट्रॉन क्षय के लिए पर्याप्त कम!


अंजीर। 7

अन्य परमाणु नाभिक

और इसलिए यह प्रकृति में सभी स्थिर नाभिकों के साथ है। लेकिन यह मत सोचो कि जब भी आप न्यूट्रॉन और प्रोटॉन को मिलाते हैं, तो परिणाम एक स्थिर नाभिक होता है! स्थिर कोर अत्यंत दुर्लभ हैं।

यदि आप जेड प्रोटॉन और एन न्यूट्रॉन लेते हैं और उनमें से एक नाभिक बनाने की कोशिश करते हैं, तो अधिकांश जेड और एन वेरिएंट के लिए आप सफल नहीं होंगे। इनमें से अधिकांश नाभिक तुरंत क्षय करेंगे, वे बिल्कुल नहीं बनेंगे। मोटे तौर पर, Z प्रोटॉन और N न्यूट्रॉन के बीच आकर्षक बल तब सबसे मजबूत होता है जब Z लगभग N के बराबर होता है। दूसरी तरफ, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरैक्शन के कारण प्रोटॉन एक-दूसरे से निष्कासित होते हैं। यह बल बढ़ते हुए Z के साथ बढ़ता है। इन दोनों प्रभावों की प्रतियोगिता से पता चलता है कि Z के N से थोड़ा कम होने पर कोर स्थिर होने की संभावना है; और बड़ा Z और N, Z और N के बीच का अंतर जितना अधिक होना चाहिए। यह अंजीर में देखा जा सकता है। 8. केवल काले रंग में चिह्नित कोर स्थिर हैं; वे जिसे "स्थिरता की घाटी" कहते हैं, उसे काव्य में स्थित किया जाता है।

और किस तरह के कोर को रंग द्वारा इंगित किया जाता है? यह पता चला है कि काफी कुछ नाभिक हैं जो अभी भी क्षय होते हैं, लेकिन काफी समय तक रह सकते हैं। अक्सर हम ऐसी वस्तुओं को "अस्थिर" कहते हैं, और जो लंबे समय तक जीवित रहते हैं वे "मेटास्टेबल" हैं। शब्दों का उपयोग संदर्भ पर निर्भर करता है। न्यूट्रॉन 15 मिनट रहता है। ऐसी गुठली हैं जो कुछ मिलीसेकंड, दिनों, दशकों, सहस्राब्दी और अरबों वर्षों तक जीवित रहती हैं। हम इन नाभिक रेडियोधर्मी कहते हैं; ये विकिरण या हथियारों से जुड़े मामलों के खतरनाक परिणाम हैं, और धूम्रपान डिटेक्टरों में उपयोग किए जाने वाले उपकरण और कैंसर से लड़ने के लिए, दूसरों के बीच में हैं।

ऐसे तरीकों का एक गुच्छा है जो ये नाभिक क्षय कर सकते हैं, लेकिन उनमें से कुछ क्षय होते हैं, एक नाभिक को नाभिक के अंदर एक प्रोटॉन में बदल देते हैं। हम इसे नाभिक के चार्ज को बढ़ाते हुए और इस तथ्य से जानते हैं कि एक इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो के साथ इसमें से बाहर निकलता है। अन्य भी क्षय कर सकते हैं, एक प्रोटॉन को न्यूट्रॉन में बदल सकते हैं! हम इसके बारे में जानते हैं क्योंकि नाभिक का चार्ज कम हो जाता है, और एक पॉज़िट्रॉन (एंटी-इलेक्ट्रॉन) इससे बाहर निकलता है। बहुत जटिल परमाणु भौतिकी गणना में शामिल है कि एक निश्चित नाभिक कितना रह सकता है और यह कैसे क्षय होगा - यहां मैं इस पर एक कोर्स नहीं दूंगा (और मैं एक विशेषज्ञ नहीं हूं)।


अंजीर। 8

यह कहने के लिए पर्याप्त है कि ऊर्जा के संरक्षण के साथ संयुक्त कण बातचीत की नकारात्मक ऊर्जा, पूरे खेल को बदल सकती है, जिससे असंभव कुछ प्रक्रियाएं होती हैं जो सामान्य परिस्थितियों में संभव हैं - और इसके विपरीत।