A neutron bomlása
|
A szabad neutron kb. 10,3 perces felezési idővel bomlik, de stabil, ha maggal egyesül. Ez a bomlás a béta-bomlás példája egy elektron és egy elektron antineutrínó kibocsátásával. A neutron bomlásában a gyenge kölcsönhatás játszik szerepet, amint azt a jobb oldali Feynman-diagram mutatja. |
 |
 |
A neutron bomlásának részletesebb diagramja a neutron egyik down kvarkjának up kvarkká történő átalakulásaként azonosítja. Ez egy példa arra a fajta kvarkátalakulásra, amely számos nukleáris folyamatban, így a béta-bomlásban is szerepet játszik. |
A neutron bomlása jó példája azoknak a megfigyeléseknek, amelyek a neutrínó felfedezéséhez vezettek. A bomlás energetikájának elemzésével szemléltetni lehet azokat a dilemmákat, amelyekkel e folyamat korai kutatói szembesültek.
 |
A kötési energia fogalmát felhasználva és a részecskék tömegét nyugalmi tömegenergiájukkal ábrázolva a részecskék tömegéből kiszámítható a neutron bomlásából származó energiakihozatal. Az energiahozamot hagyományosan a Q szimbólummal ábrázolják. Mivel a bomlás során az energiának és az impulzusnak meg kell maradnia, megmutatjuk, hogy a kinetikus energia nagy részét a könnyebb elektron viszi el. Ilyen nagyságrendű mozgási energia esetén a relativisztikus mozgási energia kifejezést kell használni. |
Egyelőre feltételezzük (tévesen), hogy a bomlásban csak a proton és az elektron vesz részt termékként. A Q energiakihozatal ekkor a proton és az elektron között oszlana meg. Az elektron kapja a legtöbb mozgási energiát, és relativisztikus lesz, de a proton nem relativisztikus. Az energiamérleg ekkor
A neutron nyugalmi rendszerében, az impulzusmegmaradás megköveteli
és a pcelektron kifejezhető az elektron kinetikus energiájával
 |
Mutasd |
Az energiamérleg ekkor
Ha behelyettesítjük a számokat Q ezen értékére, azt látjuk, hogy a KEe2 kifejezés elhanyagolható, így kiszámítható az elektron szükséges mozgási energiája. Az elektron szükséges mozgási energiája ehhez a kétrészecske-bomlási sémához
Az elektron impulzusát ehhez a kétrészecske-bomláshoz
A kétrészecske-bomláshoz szükséges impulzus és energia ezekre az értékekre van korlátozva, de a természet nem így viselkedik. Az elektron megfigyelt impulzus és energia eloszlása az alábbiakban látható.
A tény, hogy a neutron bomlásából keletkező elektronok energia és impulzus eloszlása folyamatos volt, egyértelműen jelzi, hogy az elektron és a proton mellett egy másik részecske is kibocsátásra került. Ennek semleges részecskének kellett lennie, és bizonyos bomlásokban szinte az egész bomlási energiát és impulzust magával vitte. Ez nem is lett volna olyan rendkívüli, hacsak nem az a tény, hogy amikor az elektron maximális mozgási energiával rendelkezett, a bomláshoz rendelkezésre álló összes Q energiát magáénak tudhatta. Így nem maradt energia a másik kibocsátott részecske tömegenergiájának elszámolására. A korai kísérletezők egy olyan részecske dilemmájával szembesültek, amely a bomlás majdnem teljes energiáját és lendületét képes volt hordozni, de nem volt töltése és látszólag tömege sem!
A titokzatos részecskét neutrínónak nevezték el, de huszonöt évbe telt, amíg Cowan és Reines a neutrínó egyértelmű kísérleti megfigyelését elvégezte. A neutron bomlásának jelenlegi megértése
Ez a bomlás illusztrál néhányat a részecskék bomlását szabályozó megőrzési törvények közül. A termékben lévő proton kielégíti a barionszám megőrzését, de az elektron kísérő nélküli megjelenése sértené a leptonszám megőrzését. A harmadik részecskének egy elektron-antineutrínónak kell lennie ahhoz, hogy a bomlás megfeleljen a leptonszám megőrzésének. Az elektron leptonszáma 1, az antineutrínóé pedig -1 leptonszámú.
Neutrínók kísérleti kimutatása
A neutron stabilitása a deuteronban