Stabilitas neutron dalam inti atom

Fakta bahwa banyak dari mereka yang mempelajari sifat materi biasa untuk pertama kalinya bingung adalah bahwa nukleus atom apa pun lebih berat daripada hidrogen mengandung proton dan neutron, tetapi pada saat yang sama peluruhan neutron (hancur menjadi partikel lain) dalam rata-rata 15 menit! Bagaimana inti karbon, oksigen, nitrogen, silikon bisa begitu stabil jika neutron yang dikomposisikan tidak dapat bertahan hidup sendiri?

Jawaban atas pertanyaan ini ternyata sangat sederhana setelah Anda memahami bagaimana energi bekerja: ini adalah pembukuan murni. Tetapi memahami energi jauh dari mudah. Pertama, Anda perlu membaca artikel tentang jenis energi . Sebelum itu, Anda perlu membaca artikel tentang energi, momentum, dan massa . Konsep-konsep ini harus disajikan sebelum memahami jawaban atas pertanyaan.

Jika Anda membaca artikel tentang energi interaksi, Anda tahu bahwa atom hidrogen terdiri dari proton dan elektron, yang, karena energi pengikatan negatif, tidak dapat lepas satu sama lain - mereka terkunci di dalam atom. Energi pengikat negatif berasal dari energi interaksi negatif, sebagian diimbangi oleh energi positif dari gerakan elektron (dan sedikit - proton). Energi interaksi berasal dari aksi elektron pada medan listrik dekat proton (dan sebaliknya).

Dalam artikel ini, saya akan menjelaskan mengapa neutron stabil di inti atom paling sederhana berikutnya: deuteron, inti "hidrogen berat" atau "deuterium." Deuteron terdiri dari satu neutron dan satu proton - pada prinsipnya itu sederhana, dan tidak terlalu berbeda dari atom hidrogen dengan satu elektron dan satu proton. Memahami mengapa neutron stabil dalam deuteron, Anda akan memahami prinsip dasar dimana neutron dapat stabil di dalam semua inti stabil. Intinya adalah: energi interaksi proton dan neutron negatif, dan cukup besar, oleh karena itu, dalam beberapa nukleus, peluruhan neutron akan menyebabkan peningkatan energi sistem (terdiri dari sisa nukleus setelah peluruhannya dan semua partikel yang dipancarkan selama peluruhan), yang akan melanggar hukum konservasi energi. Karena energi harus dilestarikan, pembusukan tidak mungkin terjadi.

Saya tidak akan menjelaskan interaksi neutron dengan proton, karena interaksi yang kuat bertanggung jawab untuk ini, jauh lebih kompleks daripada interaksi listrik (dan magnetik) antara proton dan elektron yang membentuk atom hidrogen. Bagian dari kompleksitas ini adalah karena sifat gabungan dari interaksi - agak seperti interaksi elektromagnetik dapat mengikat dua atom hidrogen menjadi molekul hidrogen, meskipun kedua atom tersebut netral secara elektrik. Tetapi beberapa detail penting tidak dicakup oleh analogi ini. Fisika nuklir adalah masalah yang terpisah.


Fig. 1

Untungnya, kita tidak membutuhkan kesulitan-kesulitan ini. Kita perlu tahu bahwa gaya-gaya ini menciptakan energi interaksi negatif untuk sistem proton, neutron, dan berbagai bidang kompleks, yang memungkinkan mereka saling memengaruhi. Hasilnya adalah deuteron yang stabil. Seperti halnya atom hidrogen yang tiba-tiba tidak dapat membusuk menjadi elektron dan proton, deuteron tidak dapat secara tiba-tiba membusuk menjadi neutron dan proton.

Ini tidak berarti bahwa deuteron atau atom hidrogen tidak dapat dihancurkan. Anda dapat "mengionisasi" atom hidrogen (merobohkan elektron pada proton) jika Anda menambahkan energi eksternal - dalam bentuk, katakanlah, foton yang cukup energik. Metode yang sama dapat digunakan untuk memecah deuterium dan merobohkan neutron pada proton. Tetapi energi untuk ini harus diperoleh di luar sistem; hidrogen atau deuteron tidak akan membusuk sendiri.

Neutron dapat membusuk

Mari kita ingat kondisi yang diperlukan (tetapi tidak cukup) untuk pembusukan suatu benda - massa benda awal harus melebihi jumlah massa benda yang meluruhinya. Dari mana kondisi ini berasal? Dari hukum kekekalan energi. Segera kita akan melihat bagaimana dan mengapa (seperti biasa, dengan massa yang saya maksud adalah "massa kedamaian")


Fig. 2

Mari kita verifikasi bahwa kondisi ini memuaskan untuk neutron, yang dapat membusuk menjadi proton, elektron, dan elektron antineutrino. Peluruhan ditunjukkan pada Gambar 2; neutron secara spontan berubah menjadi tiga partikel ini. Neutron dan proton sebenarnya lebih besar dari elektron dan antineutrino - meskipun gambarnya masih belum tergambar. Diameter neutron atau proton adalah sekitar sepermilyar dari satu triliun meter (100.000 kali lebih kecil dari atom), dan sekitar diameter elektron atau neutrino diketahui bahwa setidaknya 1.000 kali lebih kecil dari ini.

Dalam gbr. 3 menggambarkan penghitungan energi (lihat Gambar 1). Sebelum peluruhan neutron, energi seluruh sistem sama dengan energi massa (E = mc ² ) dari neutron. Massa neutron adalah 0,939565 ... GeV / c ² .

Ellipsis menunjukkan bahwa ini bukan nilai yang tepat, tetapi sejauh ini kami tidak perlu lebih akurat. Karenanya, energi massa neutron

0,939565 ... GeV / c ²

Setelah peluruhan neutron, apa yang akan menjadi energi dari keseluruhan sistem? Karena energi dilestarikan, tetapi tidak ada energi yang dipasok dari luar, energi sistem akan sama dengan yang sama - 0,939565 ... GeV!

Tetapi bagaimana cara didistribusikan?

Pertama, kita tidak akan memiliki energi interaksi. Ini tidak jelas, tetapi sangat penting. Ketika proton, elektron, dan antineutrino terbang terpisah, energi interaksi mereka menjadi kecil.

Kedua, masing-masing partikel memiliki energi massa. Berapa harganya di sana?
• Energi massa proton adalah 0,938272 ... GeV.
• Energi massa elektron adalah 0,000511 ... GeV.
• Energi massa antineutrino dapat diabaikan, sangat kecil.

Dan ini bagus, karena massa neutrino belum diketahui oleh kita. Kita tahu bahwa itu setidaknya jauh kurang dari 0,000001 GeV.

Energi massa yang dihasilkan sama dengan

(0,938272 ... + 0,000511 ... + 0,000000 ...) GeV = 0,938783 ... GeV

Yang kurang dari energi massa neutron yang kita mulai, dengan 0,000782 ... GeV. Sejauh ini, kita tidak melihat bagaimana itu dilestarikan. Energi massa neutron belum sepenuhnya berubah menjadi energi massa proton, elektron, dan neutrino. Kelebihan energi pada Gambar. 3 ditunjukkan dengan warna kuning.


Fig. 3

Perbedaannya dapat dibuat dengan energi gerakan. Dia selalu positif. Kita hanya perlu mendistribusikan 0,000782 ekstra ... GeV di antara pergerakan partikel sehingga momentum sistem dipertahankan (percayalah, ini mungkin). Maka energi akan dihemat, karena energi massa neutron telah berubah menjadi energi massa dan energi gerak proton, elektron, dan neutrino.

Saya tidak menunjukkan jumlah persis energi gerak yang dikeluarkan oleh proton, elektron, dan neutrino, karena dalam setiap kasus peluruhan neutron, energi akan didistribusikan dengan cara yang berbeda, hanya secara acak (seperti mekanika kuantum). Hanya energi total gerak yang akan selalu sama, 0,000782 ... GeV.

Deuteron stabil

Kembali ke deuteron. Energi total deuteron, seperti halnya atom hidrogen, terdiri dari energi positif dari massa dua komponennya (proton dan neutron), energi gerak positif dari dua komponen, dan energi interaksi negatif, lebih dari energi energi gerak. Selain itu, seperti untuk setiap partikel atau sistem, massa deuteron akan sama dengan energi totalnya (lebih tepatnya, energi total yang Anda ukur ketika tidak bergerak relatif terhadap Anda), dibagi dengan c ² , kuadrat dari kecepatan cahaya. Dengan demikian, jika deuteron sedang beristirahat relatif terhadap Anda, berdasarkan massa yang diukur sama dengan 1,875612 ... GeV / s ² , kita dapat mengatakan bahwa energinya adalah

Energi massa deuteron = 1,875612 ... GeV =
• Energi massa proton + energi massa neutron,
• Energi gerak proton + energi gerak neutron,
• Energi interaksi (negatif, dan lebih besar daripada energi gerak).

<energi massa proton + energi massa neutron

= 0,938272 ... GeV + 0,939565 ... GeV = 1,877837 ... GeV

Oleh karena itu, energi pengikat deuteron adalah

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


Fig. 4

Energi pengikat negatif berarti, seperti dalam kasus atom hidrogen, bahwa deuteron tidak dapat dengan mudah runtuh menjadi neutron dan proton, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Ini akan melanggar konservasi energi, yang menyatakan bahwa partikel yang membusuk harus lebih besar daripada partikel yang meluruhinya. Seperti yang ditunjukkan pada gambar. 5, Anda tidak dapat menghemat energi dengan cara apa pun. Neutron dan proton memiliki lebih banyak energi massa daripada deuteron, dan tidak ada sumber energi negatif yang dapat menyerap defisit energi, karena tidak ada energi interaksi antara proton yang terpisah dan neutron, dan tidak ada energi gerak yang negatif. Ini berarti bahwa proses pada Gambar. 4 tidak bisa terjadi.


Fig. 5

Neutron di dalam deuteron tidak dapat membusuk

Satu langkah tetap, dan itu, dibandingkan dengan yang sebelumnya, cukup sederhana. Pertanyaannya adalah: mengapa neutron tidak dapat membusuk di dalam deuteron?

Katakanlah itu putus: apa yang tersisa? Kemudian kita akan memiliki dua proton, satu elektron dan satu antineutrino; lihat gambar 6. Dua proton mengusir - mereka memiliki muatan listrik positif, dan kekuatan listrik mendorong mereka. Interaksi nuklir yang kuat, mencoba untuk menyatukan mereka, tidak sekuat neutron dengan proton, dan efek gabungan dari dua kekuatan akan menjijikkan. Akibatnya, interaksi ini akan mengusir proton. Sementara itu, elektron dan antineutrino juga akan meninggalkan tempat.


Fig. 6

Ketika keempat partikel berjauhan (seperti ditunjukkan pada Gambar 6, tetapi bayangkan bahwa mereka tersebar lebih jauh), tidak akan ada energi interaksi yang signifikan di antara mereka. Energi sistem hanya akan terdiri dari jumlah energi massa partikel dan energi gerak. Karena energi gerak selalu positif, energi minimum yang dapat dimiliki partikel akan sama dengan jumlah energi massa mereka. Tetapi energi ini lebih besar dari energi massa deuteron (Gbr. 7)! Bahkan energi massa dua proton, 1,876544 ... GeV sudah lebih besar daripada energi massa deuteron. Dan 0,000511 GeV tambahan hanya menuangkan garam ke luka.

Karena itu, neutron di dalam deuteron tidak dapat membusuk; energi interaksi yang menahan deuteron menurunkan massanya - cukup rendah untuk peluruhan neutron di dalam deuteron untuk melanggar konservasi energi!


Fig. 7

Inti atom lainnya

Demikian pula dengan semua nukleus stabil di alam. Tetapi jangan berpikir bahwa setiap kali Anda menggabungkan neutron dan proton, hasilnya adalah nukleus yang stabil! Core yang stabil sangat jarang.

Jika Anda mengambil Z proton dan N neutron dan mencoba membuat inti dari mereka, maka untuk sebagian besar varian Z dan N Anda tidak akan berhasil. Sebagian besar inti ini akan langsung membusuk, mereka tidak akan terbentuk sama sekali. Secara kasar, gaya tarik antara proton Z dan neutron N adalah yang terkuat ketika Z kira-kira sama dengan N. Di sisi lain, proton saling tolak karena interaksi elektromagnetik. Kekuatan ini meningkat dengan meningkatnya Z. Persaingan kedua efek ini menunjukkan bahwa inti cenderung stabil ketika Z sedikit lebih rendah dari N; dan semakin besar Z dan N, semakin besar pula perbedaan antara Z dan N. Hal ini dapat dilihat pada Gambar. 8. Hanya inti yang ditandai hitam yang stabil; mereka berada di tempat yang secara puitis disebut "lembah stabilitas".

Dan inti apa yang ditunjukkan oleh warna? Ternyata ada beberapa inti yang masih membusuk, tetapi dapat hidup cukup lama. Seringkali kita menyebut benda-benda semacam itu "tidak stabil", dan benda-benda yang hidup cukup lama adalah "metastabil". Penggunaan kata-kata tergantung pada konteksnya. Neutron hidup 15 menit. Ada kernel yang hidup selama beberapa milidetik, hari, dekade, milenium, dan bahkan milyaran tahun. Kami menyebut nuklei ini radioaktif; ini adalah konsekuensi berbahaya dari kasus-kasus yang melibatkan radiasi atau senjata, dan alat-alat yang digunakan dalam detektor asap dan untuk melawan kanker, antara lain.

Ada banyak cara bahwa inti ini dapat membusuk, tetapi beberapa di antaranya membusuk, mengubah neutron menjadi proton di dalam inti. Kita tahu ini dengan meningkatkan muatan nukleus dan oleh fakta bahwa sebuah elektron terbang keluar bersama dengan antineutrino. Yang lain bahkan bisa membusuk, mengubah proton menjadi neutron! Kita tahu tentang ini karena muatan inti berkurang, dan positron (anti-elektron) terbang keluar darinya. Fisika nuklir yang sangat rumit terlibat dalam menghitung berapa banyak nukleus tertentu dapat hidup dan bagaimana ia akan membusuk - di sini saya tidak akan memberikan kursus tentang hal itu (dan saya bukan ahli).


Fig. 8

Cukuplah untuk mengatakan bahwa energi negatif dari interaksi partikel, dikombinasikan dengan konservasi energi, dapat mengubah seluruh permainan, membuat proses-proses tertentu tidak mungkin dilakukan dalam kondisi biasa - dan sebaliknya.