¿Pueden un electrón y un protón fusionarse artificial o naturalmente para formar un neutrón?

Question

Mi sensación es que aunque los neutrones se descomponen en un protón y un electrón están formados por quarks, no se trata de una partícula "fusionada" en la que, por ejemplo, el electrón está orbitando muy cerca del protón o algo así (lo que sería básicamente un átomo de hidrógeno).

De todos modos, ¿hay alguna manera de simplemente disparar un chorro de electrones a los iones de hidrógeno (que creo que son fáciles de hacer y son sólo protones) y observar, si lo haces lo suficientemente rápido y en un volumen lo suficientemente grande, que se producen algunos neutrones, además de un gran número de nuevos átomos de hidrógeno?

¿Quizás esto ocurra en la fusión? Se producen nuevos neutrones, ya que recuerdo que una objeción a la fusión fría es que de hecho no se encontraron neutrones.

Answer 1

La respuesta en una sola palabra es sí.

También tienes razón en que el neutrón no es sólo un protón y un electrón conviviendo. El proceso de fusión de un protón y un electrón procede a través de la fuerza débil. En concreto, un quark up en el protón intercambia un bosón W con el electrón. El bosón W transporta una unidad de carga positiva del quark al electrón. En ese proceso, el quark up (carga +2/3) se convierte en un quark down (carga -1/3), de modo que el protón (uud) se convierte en un neutrón (udd). El electrón con carga negativa se convierte en un neutrino. Este es un punto importante que se ha omitido en tu pregunta. La reacción completa es $p+e^-\to n+\nu_e$ .

Existe un principio general de la teoría cuántica de campos llamado simetría de cruce que a grandes rasgos establece que para cualquier proceso puedo intercambiar lo que llamo partículas iniciales y finales. Así que es correcto que la desintegración de neutrones $n\to p+ e^- + \bar\nu_e$ implica que el proceso $p+e^-\to n+\nu_e$ también puede ocurrir.

Este proceso también ocurre en la naturaleza. Es un modo de la desintegración radiactiva de los núcleos. Algunos núcleos con un número suficientemente grande de protones pueden volverse más estables absorbiendo uno de sus electrones y convirtiendo un protón en un neutrón. Esto puede ocurrir porque los orbitales de los electrones tienen un solapamiento pequeño pero no nulo con el núcleo, de modo que "a veces entran en contacto" con los protones.

Este proceso también puede producirse de forma artificial, como usted sugiere. De hecho, parece que los aceleradores utilizados en las instalaciones médicas producen neutrones como subproducto, exactamente como usted sugiere, y esto es aparentemente una dificultad que debe ser tratada, ver este documento .

En general, dado que la diferencia de masa entre el protón y el neutrón es de aproximadamente un MeV, en cualquier sistema que incluya protones y electrones a una temperatura del orden de un MeV o superior, habrá necesariamente poblaciones tanto de neutrones como de protones conectadas entre sí por dichos procesos, con cantidades relativas determinadas por los factores de Boltzmann pertinentes. Esto debería incluir los sistemas en los que tiene lugar la fusión térmica.

Sin embargo, el proceso real de producción de helio a partir de hidrógeno, según tengo entendido, no depende de la captura de un electrón en un protón para formar un neutrón. En la nucleosíntesis estelar dos protones se fusionan para formar el deuterio. Es decir, en el proceso de fusión, un protón se convierte en un neutrón por la emisión de un positrón y un neutrino. El helio-2 (dos protones) es muy inestable, por lo que esta conversión de protón a neutrón que produce deuterio estable es más importante.

Answer 2

La desintegración del neutrón es invariable en el tiempo, por lo que si se tiene

$$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}$$

también el proceso inverso

$$e^- + \bar{\nu} + p \rightarrow n$$

es posible. En realidad el antineutrino entrante no es necesario, porque debido a la simetría de cruce también el proceso

$$e^- + p \rightarrow n + \nu $$

es posible. Lo único que hay que asegurar es que la energía del electrón esté en el rango adecuado, es decir, que tenga una energía de un par de MeV, para compensar la diferencia de masa entre el protón, que es más ligero en unos 1,3MeV que el neutrón, y para proporcionar algo de energía (en realidad sólo es necesaria una pequeña energía) al neutrino que sale. La energía del electrón no debe ser excesivamente alta para evitar la dispersión inelástica profunda.

Hay que plantear la cuestión de cómo producir eficazmente los neutrones. Disparar electrones sobre átomos de hidrógeno es bastante ineficaz, ya que la mayoría de los electrones no se acercan realmente al protón/núcleo. Disparar electrones sobre núcleos de uranio es más eficaz, ya que el núcleo ya contiene 92 protones. Sin embargo, podrían surgir otros problemas (radiactividad).

Answer 3

Para responder a la pregunta de si esto ocurre de forma natural: Sí. Esto es lo que ocurre con degeneración de neutrones en estrellas de neutrones :

La degeneración de neutrones es análoga a la degeneración de electrones y se demuestra en las estrellas de neutrones, que se sostienen parcialmente por la presión de un gas de neutrones degenerado. El colapso se produce cuando el núcleo de una enana blanca supera aproximadamente 1,4 masas solares que es el Límite de Chandrasekhar por encima de la cual el colapso no se detiene por el presión de los electrones degenerados . Al colapsar la estrella, el Energía de Fermi de los electrones aumenta hasta el punto en que es energéticamente favorable que se combinen con protones para producir neutrones (vía inversa desintegración beta También se denomina captura de electrones ). El resultado es una estrella extremadamente compacta compuesta por materia nuclear que es predominantemente un gas neutrónico degenerado, a veces llamado neutronio con una pequeña mezcla de gases degenerados de protones y electrones.

Answer 4

Tienes razón, que un neutrón no es simplemente la "fusión" de electrón y protón, pero existe tal proceso cuando un electrón y un protón forman un neutrón. Por ejemplo, es una posible forma de desintegración para los átomos ricos en protones, y se llama Captura de electrones (K) en ese caso.

Pero a mí me parece un proceso muy raro crear neutrones en colisión electrón-protón disparando electrones en el gas/plasma de hidrógeno. Creo que los electrones y los protones deben estar muy cerca el uno del otro durante un tiempo "largo", lo que no es el caso en esta configuración, pero no estoy completamente seguro.

En la fusión, la fuente de neutrones es la desintegración de protones (en núcleos ricos en protones) en neutrones y positrones (positivos). desintegración beta ) o las "colisiones" protón-protón que producen deuterio.