Если вы постоянно читаете мои статьи, то уже точно выучили, что атом состоит из ядра и электронов, а ядро атома собрано из протонов и нейтронов. Про протон мы как-то уже беседовали и выяснили, что это если и не вечная частица, то очень и очень стабильная. Может ли нейтрон потягаться с протоном существовать так же долго? Тут всё очень интересно.
Частица, которая работает как клей в атоме и чрезвычайно важна, сама по себе очень нестойкая. Нейтроны скрепляют ядро и делают его устойчивым, но не могут стать устойчивыми сами. Напомню, что протоны в ядре все положительно заряжены, и по законам электростатики должны бы отталкиваться друг от друга, как одинаковые полюса магнитов. Но нейтроны, не имея заряда, вступают в сильное ядерное взаимодействие, которое действует только на очень малых расстояниях и притягивает как протоны, так и других нейтронов. Они как бы проклеивают ядро, гася электростатическое отталкивание между протонами.
Стабильность нейтрона и... парадокс времени жизни
Собственно, в атомном ядре нейтрон действительно кажется вполне стабильным - миллиарды лет ничего с ним не происходит, если, конечно стабилен сам атом (изотопы бывают разные).
Но стоит ему оказаться в свободном состоянии (например, при ядерном распаде) и в среднем через 879 секунд (примерно 14,7 минут) нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Или это случается через 888 секунд?
Удивительно, но это чрезвычайно важный вопрос, на который нет простого ответа. Для того, чтобы понять почему это проблема и зачем нам такая точность, давайте сначала детально распишем весь механизм.
Период полураспада нейтрона составляет примерно 10 минут, что соответствует характерному времени жизни около 15 минут. И да, время жизни чаще всего не равно времени полураспада. Период полураспада - это время, за которое распадается половина всех частиц в образце, а время жизни - средняя продолжительность существования одной частицы до распада. Но обратите внимание на данные чуть выше. Давайте разбираться.
Процесс распада нейтрона
Процесс распада нейтрона называют бета-распадом. Вы хорошо помните это название и оно было в ролике о радиации на канале. Там ещё бета-частицы или электроны летят в разные стороны.
Но как так получается, что протон невероятно стабилен, а нейтрон, который ПОЧТИ такой же, разваливается на части, когда он один? Всё это наука объясняет, как раз-таки, сочетанием кварков.
Нейтрон состоит из трёх кварков: одного up-кварка (верхнего) и двух down-кварков (нижних). Протон из двух up и одного down.
Чтобы стать стабильным протоном, нейтрону нужно, чтобы один его down-кварк превратился в up-кварк. Но кварки не могут просто взять и поменяться или бы и протон был нестабилен. Это требует вмешательства слабого ядерного взаимодействия - одной из четырёх фундаментальных сил природы.
Слабое взаимодействие довольно интересно. Без него не было бы ядерного синтеза в звёздах, радиоактивных распадов и даже разнообразия химических элементов. По сути, слабое взаимодействие - это квантовый механизм, через который Вселенная умеет превращать материю из одного состояния в другое.
Сам по себе процесс описан довольно мутно. Это происходит за счёт обмена особыми частицами-переносчиками - W-бозонами. Когда нейтрон распадается, один из его двух down-кварков испускает W⁻-бозон и превращается в up-кварк. Таким образом, нейтрон (состав: udd) становится протоном (uud). Сам W⁻-бозон при этом не живёт долго - он тут же распадается на электрон и антинейтрино.
Почему тогда внутри протона кварки не распадаются, хотя и там есть нижний кварк?
И, конечно же, тут возникает не менее интересный вопрос. Пусть протон стабилен в такой конфигурации кварков, но почему в нём, как и в нейтроне, не распадаются кварки?
Наука говорит, что внутри протона кварки не превращаются друг в друга, потому что такой процесс нарушил бы закон сохранения энергии. Если один up-кварк стал бы down-кварком, получилась бы более тяжёлая и нестабильная частица (дельта-барион), а распад возможен только в сторону меньшей энергии. В нейтроне всё наоборот - его масса чуть больше, чем у протона, поэтому превращение одного down-кварка в up-кварк энергетически выгодно, и слабое взаимодействие позволяет распад.
Единственный нижний кварк в протоне не превращается в верхний, потому что для такого превращения нужна дополнительная энергия - масса частицы, которая получилась бы после такого распада, была бы меньше, чем сумма исходных частиц, то есть нарушился бы закон сохранения энергии.
В нейтроне ситуация обратная - его нижний кварк сидит на более высокой энергетической ступеньке, и превращение в верхний кварк приводит к снижению энергии системы, высвобождая её в виде электрона и антинейтрино. В протоне же такого энергетического выигрыша нет, поэтому слабое взаимодействие, хотя и способно менять тип кварков, просто не может сделать это внутри стабильного протона.
Почему внутри ядра нейтрон стабилен?
Внутри ядра атома расклад меняется. Если бы он попытался распасться, получившийся протон изменил бы баланс зарядов и энергии, и ядро стало бы нестабильным. То есть внутри ядра нейтрону энергетически невыгодно разваливаться - законы сохранения просто не позволяют ему распасться. Поэтому, например, в углероде или железе нейтроны живут миллиарды лет, пока атом не разрушится другими путями.
Оказывается... Время жизни нейтрона - парадокс
Физики знают как именно нейтрон распадается, но почему именно с такой скоростью - вопрос, который всё ещё не имеет ответа. Продолжительность жизни нейтрона определяется вероятностью того, что слабое взаимодействие произойдёт за определённое время.
И хотя теория предсказывает число, эксперименты не сходятся идеально. Если измерять нейтроны, пойманные в ловушке, выходит около 879 секунд, если считать нейтроны в потоке - это примерно 888 секунд.
Эти 9 секунд разницы кажутся мелочью, но в физике частиц это как если бы ты нашёл расхождение в возрасте Вселенной на миллион лет.
Некоторые физики даже шутят (а другие не шутят), что, возможно, часть нейтронов исчезает в тёмную материю. И это может быть намёком на новую физику.
Это не просто странность ядерной физики. От его точного времени распада зависит вся химия ранней Вселенной. Через несколько минут после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что протоны и нейтроны начали объединяться в первые атомные ядра. Если бы нейтрон жил хоть немного дольше во Вселенной образовалось бы больше гелия и меньше водорода.
Если бы он жил меньше, то наоборот. То есть всё, что мы знаем о составе звёзд и планет, зависит от этих "10 минут" жизни нейтрона.
Нейтрон, безусловно, остаётся одной из самых загадочных частиц, даже несмотря на кажущуюся простоту.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями