Dlaczego neutrony w jądrach nie rozpadają się?

Pytanie

Pyta Robert

Jeśli połowiczny czas rozpadu neutronu wynosi ok. 15 minut, to co się dzieje z jądrami atomowymi i całymi atomami?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Średni czas życia swobodnego neutronu (różniący się od „połowicznego czasu rozpadu” o czynnik $\ln2$) wynosi rzeczywiście około 15 minut. Istotną rolę przy obliczaniu tego czasu gra różnica mas między swobodnym neutronem a swobodnym protonem, wynosząca około 1.4% masy protonu. Gdyby ta różnica była mniejsza, to czas życia byłby dłuższy. Gdy różnica mas między stanem początkowym i końcowym dąży do zera, to czas życia dąży do nieskończoności.

W przypadku rozpadów jądrowych w podobny sposób bierzemy pod uwagę masę jądra rozpadającego się, i masy jąder będących możliwymi produktami reakcji. Masy jąder nie są dokładnie sumami mas składających się na nie protonów i neutronów. Występuje tzw. defekt masy równy energii wiązania podzielonej przez $c^2$ (prędkość światła w kwadracie). Z tego powodu jądra nie mogą się rozpaść na swobodne protony i neutrony. Zamiana związanego neutronu na związany proton często nie jest korzystna energetycznie ze względu na tzw. zakaz Pauliego i/lub odpychanie elektromagnetyczne. Z tego powodu neutrony w bardzo wielu jądrach są stabilne.