许多首次研究普通物质性质的人感到困惑的事实是，任何原子的核都比氢重，既包含质子又包含中子，但同时中子平均在15分钟内衰减（分解成其他粒子）！ 如果由碳，氧，氮，硅组成的中子不能独自生存，那么碳核，氧，氮，硅的原子核怎么能如此稳定呢？
在您了解了能源的工作原理之后，这个问题的答案非常简单：这就是纯粹的簿记。 但是了解能量绝非易事。 首先，您需要阅读
有关能量类型的文章 。 在此之前，您需要阅读
有关能量，动量和质量的
文章 。 在理解问题的答案之前，必须先提出这些概念。
如果您阅读有关相互作用能的文章，您会知道氢原子由质子和电子组成，由于负结合能，它们彼此不能逃逸-它们被锁在原子内。 负的结合能来自负的相互作用能，部分被电子（和质子）的正运动能量部分平衡。 相互作用能来自电子对质子附近电场的作用（反之亦然）。
在本文中，我将解释为什么中子在下一个最简单的原子核（氘核，“重氢”或“氘”核）中稳定。 氘核由一个中子和一个质子组成-原理上很简单，与带有一个电子和一个质子的氢原子没有太大区别。 了解中子为什么在氘核中稳定，您将了解中子在所有稳定核内部稳定的基本原理。 底线是：质子与中子的相互作用能是负的，并且非常大，因此，在某些原子核中，中子的衰变会导致系统能量的增加（由原子核衰变后的其余部分以及衰变过程中发射的所有粒子组成），这违反了能量守恒定律。 由于必须保存能量，因此衰减是不可能的。
我不会描述中子与质子的相互作用，因为强相互作用是造成这种情况的原因，它比质子和构成氢原子的电子之间的电（和磁）相互作用复杂得多。 这种复杂性的部分原因是由于相互作用的复合性质-有点像电磁相互作用可以将两个氢原子结合成一个氢分子，尽管两个原子都是电中性的。 但是，此类推论并未涵盖一些重要的细节。 核物理是一个单独的问题。
图 1个幸运的是，我们不需要这些困难。 我们需要知道，这些力会为质子，中子和各种复杂场的系统产生负的相互作用能，从而使它们相互影响。 结果是稳定的氘核。 正如氢原子不会突然衰变为电子和质子一样，氘核也不会突然衰变为中子和质子。
这并不意味着氘原子或氢原子不能被破坏。 如果您添加外部能量（例如以相当高能的光子的形式），则可以“电离”氢原子（在质子上敲除电子）。 可以使用相同的方法分解氘并在质子上敲除中子。 但是为此必须从系统外部获取能量。 氢和氘核都不会自行衰变。
中子会衰变
让我们回想一下物体衰变的必要（但不是充分）条件-初始物体的质量必须超过其衰变的物体质量的总和。 这种情况从何而来？ 从能量守恒定律。 很快，我们将看到如何以及为什么（通常，通常，我指的是“和平质量”）。
图 2让我们验证中子是否可以满足此条件，中子可以衰变成质子，电子和电子反中微子。 衰减如图2所示。 中子自发地变成这三个粒子。 中子和质子实际上比电子和反中微子要大-尽管图像仍未按比例绘制。 中子或质子的直径约为十亿分之一米的十亿分之一（比原子小十万倍），而电子或中微子的直径至少比其小千倍。
在图。 图3描绘了能源核算（见图1）。 在中子衰变之前，整个系统的能量等于中子的质量能（E = mc
2 ）。 中子质量为0.939565 ... GeV / c
2 。
省略号表示这不是一个精确值，但到目前为止，我们不需要更高的精度。 因此，中子质量能
0.939565 ... GeV / c
2中子衰减后，整个系统的能量是多少？ 因为能量是保守的，但没有外部能量供应，所以系统的能量将等于0.939565 ... GeV！
但是如何分配？
首先，我们将没有互动的能量。 这并不明显，但非常重要。 当质子，电子和反中微子飞散时，它们相互作用的能量可以忽略不计。
其次，每个粒子都有质量能。 多少钱？
•质子的质量能为0.938272 ... GeV。
•电子质量能为0.000511 ... GeV。
•抗中微子质量的能量可以忽略不计，它是如此之小。
这很好，因为我们还不知道中微子的质量。 我们知道它至少远小于0.000001 GeV。
产生的质量能等于
（0.938272 ... + 0.000511 ... + 0.000000 ...）GeV = 0.938783 ... GeV
这比我们开始使用的中子的质量能小0.000782 ... GeV。 到目前为止，我们还没有看到它是如何保存的。 中子的质量能尚未完全转变为质子，电子和中微子的质量能。 图中的多余能量 3以黄色显示。
图 3差异可以由运动的能量来弥补。 她总是很积极。 我们只需要在粒子的运动之间分配额外的0.000782 ... GeV，这样就可以保留系统的动量（相信我，这是可能的）。 然后，由于中子质量的能量已转化为质量的能量以及质子，电子和中微子的运动能量，能量将得以保存。
我没有指出质子，电子和中微子所排出的运动能量的确切数量，因为在每种中子衰变情况下，能量将以不同的方式分布，只是随机分布（例如量子力学）。 仅运动的总能量将始终相同，0.000782 ... GeV。
氘核稳定
回到氘核。 氘核的总能量与氢原子的总能量一样，由其两个组成部分（质子和中子）质量的正能量，两个组成部分的运动的正能量和负的相互作用能组成，不仅仅包括运动能。 此外，对于任何粒子或系统，氘核的质量将等于其总能量（更确切地说是氘在不相对于您运动时测得的总能量）除以光速的平方c
2 。 因此，如果氘核相对于您静止，则基于其测得的质量等于1.875612 ... GeV / s
2 ，我们可以说其能量为
氘核的质量能= 1.875612 ... GeV =
•质子质量能+中子质量能，
•质子运动的能量+中子运动的能量，
•交互作用的能量（负的，并且比运动的能量更大）。
<质子质量能+中子质量能
= 0.938272 ... GeV + 0.939565 ... GeV = 1.877837 ... GeV
因此，氘核结合能为
1.875612 ... GeV-1.877837 ... GeV = -0.002225 ... GeV
图 4负结合能意味着氢原子不能简单地塌陷成中子和质子，就像氢原子一样。 4.这将违反能量守恒，能量守恒规定了一个正在衰变的粒子必须比其衰变的粒子更大。 如图所示。 5，您无法以任何方式节省能源。 中子和质子比氘核具有更多的质量能，并且没有负能量的源可以吸收能量不足，因为相距较远的质子和中子之间没有相互作用能，并且运动也没有负能量。 这意味着图中的过程。 4不可能发生。
图 5
氘核中的中子不会衰减
剩下的一步，与之前的步骤相比，非常简单。 问题是：为什么中子不能在氘核中衰变？
假设它破裂了：还剩下什么？ 然后我们将有两个质子，一个电子和一个反中微子。 看图片 6.两个质子相互排斥-它们具有正电荷，而电力将其推开。 试图将它们聚集在一起的强大核相互作用不如具有质子的中子那么强，并且两种力的组合作用将产生排斥作用。 结果，这种相互作用将排斥质子。 同时，电子和反中微子也将离开现场。
图 6当所有四个粒子相距很远时（如图6所示，但可以想象它们进一步分散），它们之间将没有明显的相互作用能。 系统的能量将仅由粒子质量的能量与运动的能量之和组成。 由于运动的能量始终为正，因此粒子可以具有的最小能量将等于其质量能之和。 但是，该能量大于氘核的质量能（图7）！ 甚至两个质子的质量能为1.876544 ... GeV已经大于氘核的质量能。 另外，0.000511 GeV仅将盐倒在伤口上。
因此，氘核内的中子不会衰减； 保持氘核的相互作用能将其质量拉低-足够低，以至于氘核内部的中子衰变会违反能量守恒定律！
图 7其他原子核
自然界中所有稳定核也是如此。 但是不要以为只要将中子和质子结合在一起，结果就是一个稳定的核！ 稳定的内核极为罕见。
如果您使用Z质子和N中子，并尝试从中子中制造出一个核，那么对于大多数Z和N变体，您将不会成功。 这些原子核中的大多数会立即衰减；它们根本不会形成。 粗略地讲，当Z大约等于N时，Z质子与N个中子之间的吸引力最大。另一方面，由于电磁相互作用，质子彼此排斥。 这个力随着Z的增加而增加。这两个作用的竞争表明，当Z略小于N时，岩心很可能是稳定的；反之，则可能会增加。 Z和N越大，Z和N.之差应越大。 8.只有黑色标记的磁芯是稳定的； 它们位于诗意上称为“稳定谷”的地方。
哪种核心用颜色表示？ 事实证明，仍有许多核仍在衰变，但可以存活很长时间。 通常，我们称这类物体为“不稳定”，而寿命足够长的则为“稳态”。 单词的使用取决于上下文。 中子寿命为15分钟。 有些内核可以存活几毫秒，几天，几十年，几千年甚至数十亿年。 我们称这些核为放射性； 这些都是涉及辐射或武器的案件的危险后果，以及烟雾探测器和抗癌工具所使用的工具。
这些原子核可以通过多种方式衰变，但其中一些会衰变，从而将中子变成原子核内的质子。 我们通过增加原子核的电荷以及电子与抗中微子一起飞离原子核这一事实而知道这一点。 其他人甚至可以衰变，将质子变成中子！ 我们知道这一点是因为原子核的电荷减少，并且正电子（反电子）从原子核中飞出。 非常复杂的核物理涉及计算某个核可以存活多少以及如何衰变-在这里，我将不对其进行任何课程（而且我不是专家）。
图 8可以说，粒子相互作用的负能量与能量守恒相结合，可以改变整个游戏过程，使得某些在正常条件下可能发生的过程成为不可能，反之亦然。