Dezintegrarea neutronului
|
Un neutron liber se va dezintegra cu un timp de înjumătățire de aproximativ 10,3 minute, dar este stabil dacă este combinat într-un nucleu. Această dezintegrare este un exemplu de dezintegrare beta cu emiterea unui electron și a unui antineutrino de electron. Dezintegrarea neutronului implică interacțiunea slabă, așa cum este indicat în diagrama Feynman din dreapta. |
 |
 |
O diagramă mai detaliată a dezintegrării neutronului o identifică ca fiind transformarea unuia dintre quarcii down ai neutronului într-un quarc up. Acesta este un exemplu al tipului de transformări de quark care sunt implicate în multe procese nucleare, inclusiv în dezintegrarea beta. |
Dezintegrarea neutronului este un bun exemplu al observațiilor care au dus la descoperirea neutrinului. O analiză a energeticii dezintegrării poate fi folosită pentru a ilustra dilemele cu care s-au confruntat primii cercetători ai acestui proces.
 |
Utilizând conceptul de energie de legătură și reprezentând masele particulelor prin energiile lor de masă în repaus, randamentul energetic al dezintegrării neutronului poate fi calculat pornind de la masele particulelor. Randamentul energetic este reprezentat în mod tradițional prin simbolul Q. Deoarece energia și impulsul trebuie să fie conservate în dezintegrare, se va arăta că electronul mai ușor va transporta cea mai mare parte a energiei cinetice. Cu o energie cinetică de această mărime, trebuie utilizată expresia energiei cinetice relativiste. |
Pentru moment presupunem (incorect) că dezintegrarea implică doar protonul și electronul ca produse. Randamentul energetic Q ar fi atunci împărțit între proton și electron. Electronul va primi cea mai mare parte a energiei cinetice și va fi relativist, dar protonul este nerelativist. Bilanțul energetic este atunci
În cadrul de repaus al neutronului, conservarea impulsului necesită
și pcelectronul poate fi exprimat în termeni de energie cinetică a electronului
 |
Află |
Bilanțul energetic devine atunci
Când înlocuiți numerele pentru această valoare a lui Q, se observă că termenul KEe2 este neglijabil, astfel încât se poate calcula energia cinetică necesară a electronului. Energia cinetică necesară a electronului pentru această schemă de dezintegrare cu două particule este
La fel, momentul electronului pentru această dezintegrare cu două particule este constrâns să fie
Momentul și energia pentru dezintegrarea cu două particule sunt constrânse la aceste valori, dar nu așa se comportă natura. Distribuțiile observate ale momentului și energiei pentru electron sunt așa cum se arată mai jos.
Faptul că electronii produși în urma dezintegrării neutronului au avut distribuții continue ale energiei și momentului a fost o indicație clară că a existat o altă particulă emisă împreună cu electronul și protonul. Aceasta trebuia să fie o particulă neutră și, în anumite dezintegrări, purta aproape toată energia și impulsul dezintegrării. Acest lucru nu ar fi fost atât de extraordinar dacă nu ar fi fost faptul că, atunci când electronul avea energia cinetică maximă, el reprezenta toată energia Q disponibilă pentru dezintegrare. Prin urmare, nu a mai rămas energie pentru a lua în considerare energia de masă a celeilalte particule emise. Primii experimentatori s-au confruntat cu dilema unei particule care putea transporta aproape toată energia și impulsul dezintegrării, dar care nu avea sarcină și, aparent, nici masă!
Particula misterioasă a fost numită neutrino, dar au trebuit să treacă douăzeci și cinci de ani până când observarea experimentală lipsită de ambiguitate a neutrinoului a fost făcută de Cowan și Reines. Înțelegerea actuală a dezintegrării neutronului este
Această dezintegrare ilustrează unele dintre legile de conservare care guvernează dezintegrarea particulelor. Protonul din produs satisface conservarea numărului de barioni, dar apariția electronului neînsoțit ar încălca conservarea numărului de leptoni. A treia particulă trebuie să fie un antineutrino de electron pentru ca dezintegrarea să satisfacă conservarea numărului de leptoni. Electronul are numărul de leptoni 1, iar antineutrino are numărul de leptoni -1.
Detecția experimentală a neutrinilor
Stabilitatea neutronului în deuteron