Barrera de Coulomb y evaporación de protones

Question

¿Por qué los neutrones se evaporan de los núcleos más fácilmente que los protones?

Intuitivamente, dado que los protones se repelen electrostáticamente (además de las fuerzas nucleares que tienen en común con los neutrones), cabría esperar que los protones fueran expulsados más fácilmente que los neutrones. (Puede que esto sea incluso lo que ocurre con los núcleos pequeños, pero aparentemente no con los grandes).

Parece que se dice en el lenguaje común que la fuerza/barrera de Coulomb actúa para contener los protones. Lo cual es contrario a la intuición.

Por otra parte, al menos algunos libros de texto reconocen que la fuerza del culombio intenta alejar a los protones de otros en el núcleo, por lo que deducen que la fuerza nuclear (por ejemplo, la fuerza fuerte residual) debe actuar con más fuerza sobre los protones que la que ejerce sobre los neutrones. (Al menos en los núcleos grandes, los "núcleos estables beta", los núcleos con exceso de neutrones..) Entonces, ¿cómo distingue esta fuerza nuclear entre protones y neutrones?

Answer 1

"¿Por qué los neutrones se evaporan de los núcleos más fácilmente que los protones?"

Esto no es cierto en general. Depende en gran medida de dónde se encuentre el núcleo en relación con la línea de goteo del neutrón y la línea de goteo del protón. También depende de Z y de lo excitado que esté el núcleo.

Un núcleo frío que está más allá de la línea de goteo del neutrón emitirá un neutrón en un tiempo muy corto, del orden del tiempo necesario para que un neutrón recorra una distancia igual al diámetro del núcleo. Un núcleo frío que está más allá de la línea de goteo del protón normalmente decaerá por emisión de protones, pero la escala de tiempo será mucho más larga, porque el protón tiene que atravesar la barrera de Coulomb.

Es contraintuitivo pero cierto que, aunque la fuerza eléctrica entre protones es repulsiva, la existencia de la barrera de potencial eléctrico reduce la tasa de emisión de protones. Esta pregunta se refiere a eso: Túnel de partículas alfa

"al menos algunos libros de texto [...] infieren que la fuerza nuclear [...] debe actuar más fuertemente sobre los protones que lo que hace sobre los neutrones. [...] Entonces, ¿cómo distingue esta fuerza nuclear entre protones y neutrones?".

No, esto es incorrecto, y los libros de texto no dicen esto. Lo que rompe la simetría (simetría de isospín) entre neutrones y protones es la interacción electromagnética, no ninguna violación de isospín por la fuerza fuerte.

Answer 2

Tu intuición sobre la repulsión de la carga y la fuerza fuerte que actúa sobre los protones más es menos importante de lo que crees. La fuerza nuclear fuerte es unos cuantos órdenes de magnitud mayor que el electromagnetismo por lo que la repulsión coulombiana no contribuye mucho.

Lo más importante es la energía de enlace nuclear para separar un protón del núcleo. Si el sistema resultante está por debajo de la energía de separación del protón, es posible que el protón haga un túnel hacia fuera. Véase Emisión de protones y Línea de goteo Proton para obtener más información al respecto. Sí ocurre, pero recuerde que la emisión de neutrones también es rara. $\beta^+$ y $\beta^-$ y la emisión Alfa son mucho más comunes.