En general, para que ocurra una descomposición, el supuesto estado final debe ser más estable que el estado inicial.
Cuando un neutrón está “libre” (es decir, no forma parte de un núcleo), la siguiente reacción hace que se descomponga:
[matemáticas] n ^ 0 \ rightarrow p ^ + + e ^ – + \ bar {\ nu_e} [/ matemáticas]
- ¿Qué materiales pueden proteger bien (1) los rayos gamma y (2) los neutrones?
- ¿Qué fuerza une los neutrones a los protones? ¿Se puede aplicar a escala macroscópica para escalar paredes?
- Si los quarks siempre existen en pares, ¿cómo los protones y los neutrones tienen solo 3 quarks, no 4?
- ¿Los humanos emiten neutrones?
- ¿Por qué un neutrón no pasa a través de la materia tan fácilmente como los neutrinos?
Esta reacción pertenece a la categoría de reacciones nucleares llamada desintegración beta porque hay un electrón, una “partícula beta”, en el estado final. La vida media de esta reacción es de 15 minutos.
Pero esta reacción ya no es estable si el neutrón original no está libre, sino que está “unido” dentro de un núcleo. Todos los núcleos atómicos se mantienen unidos mediante las llamadas interacciones “fuertes” que tienen que superar la repulsión electromagnética entre protones cargados positivamente. Si comienza con núcleos ya estables, que constituyen la gran mayoría de los núcleos en nuestros cuerpos, entonces cambiar un neutrón a un protón dentro de un núcleo aumenta la repulsión electromagnética, lo que lleva a un estado final inestable. Esto significa que la reacción no ocurre dentro de los núcleos.
Hay un par de puntos sutiles aquí.
Primero, puede preguntar: ¿por qué un electrón no puede ser también un nucleón? Es decir, ¿por qué el núcleo no puede capturar el electrón liberado en la desintegración beta, lo que disminuiría la repulsión electromagnética? La respuesta a esa pregunta radica en la mecánica cuántica, en el principio de incertidumbre de Heisenberg. Esencialmente, el electrón es mucho más liviano que los protones o los neutrones, lo que significa que necesita tener un impulso menor que cualquiera de ellos, para moverse tan rápido como los neutrones o protones dentro del núcleo. Pero si quiere encajar en el pequeño núcleo (que requiere una pequeña incertidumbre en la posición), entonces la incertidumbre en el momento debe ser muy alta, lo que contradice nuestro requisito de que su momento debe ser pequeño.
En segundo lugar, también puede preguntarse: ¿por qué importa la estabilidad en primer lugar? ¿Por qué se favorece la estabilidad en la naturaleza? La respuesta es que esto se toma como una hipótesis de nuestro modelo. Puede, si lo desea, formular un modelo más fundamental, en el que proporcione la energía libre en el estado final e inicial de cualquier reacción nuclear; entonces puede ver todos los núcleos como anfitriones constantes de dos reacciones: la reacción directa, en la que un neutrón libera un electrón y un protón, y la reacción inversa, en la que un protón absorbe un electrón y se convierte en un neutrón. En equilibrio, se encuentra que es mucho más probable encontrar un neutrón unido en el estado “neutrón” que en el estado “protón más electrón más antineutrino”.
Dato extra: Pauli propuso el antineutrino, una partícula muy ligera y neutra, porque no quería renunciar a la conservación de la energía, el momento y el momento angular. Más tarde, Fermi, que ya había adquirido una reputación como uno de los más grandes físicos teóricos de su época, escribió un artículo sobre la desintegración beta, que se consideraba “demasiado teórico”. Tomó en serio las críticas y se convirtió en uno de los más grandes físicos experimentales de su época.