Neutronen in Kernen

[Sino]

Ok, ich frag mal hier, da das bestimmt einfach für viele Physiker ist.

1. Was verhindert den Zerfall des Neutrons im Kern. Freie Neutronen haben ja eine relativ kleine Halbwertszeit, gebunden im Kern halten sie ja aber fast ewig. Die müssen ja irgendwie durch die äussere Bindung stabilisiert werden.

2. In stabilen Isotopen stehen die Anzahl der Neutronen mit der Anzahl der Protonen ja in einem gewissen Verhältnis, weil in einem grossen Kern mit zuvielen Protonen und zu wenig Neutronen dazwischen die elektrostatische Abstossung so gross wäre, dass es ihn zerreisst. Soweit, so logisch.

Nun macht die starke Kraft ja angeblich keinen Unterschied zwischen Neutronen und Protonen, also könnte man doch theoretisch einen Kern aus vielen Neutronen zusammenbauen. Elektrische Abstossung wäre nicht vorhanden, starke Kraft würde sie zusammenhalten, solang man sie nur nah genug zusammenbringt.

Warum geht das nicht ? Also z.b. so etwas wie ein elektronenfreies 5-Neutronen-Atom müsste man doch bauen können, oder nicht ?

( Mal davon abgesehen, dass Neutronen als ungeladene Teilchen nur schwer zu dirigieren sind, was dann eher ein praktisches Problem wäre. )

[Sino]

Danke EMI mal schauen...
Die Frage hat sich mir z.b. beim Beta-Zerfall des Tritiums aufgedrängt. Da wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, man erhält 3He und das letzte Neutron ist "glücklich" und bleibt wie es ist.

Da fragt man sich schon, woher das erste Neutron dann "weiss", dass die Situation vielleicht energetisch günstiger wär, wenn es zerfallen würde und das andere Neutron im neu entstandenen He3-Kern sich denkt: "Ok, so gefällts mir, ich zerfall mal nicht." ;)
Also Halbwertszeit des freien Neutrons 15min, Neutron im Tritium ca. 12 Jahre, im He-3 dann stabil.

[George]

Moin Sino,


1. Was verhindert den Zerfall des Neutrons im Kern. Freie Neutronen haben ja eine relativ kleine Halbwertszeit, gebunden im Kern halten sie ja aber fast ewig. Die müssen ja irgendwie durch die äussere Bindung stabilisiert werden.
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2. [...] Warum geht das nicht ? Also z.b. so etwas wie ein elektronenfreies 5-Neutronen-Atom müsste man doch bauen können, oder nicht ?


Ein solches imaginäres Atom wäre viel zu unstabil und könnte seine form erst garnicht annehmen. Bedingt ist es durch die masselosen Gluonen (http://de.wikipedia.org/wiki/Gluon), die die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks ausmachen (siehe QCD (http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenchromodynamik)). Die QCD erklärt auch somit, warum ein Neutron innerhalb eines stabilen Atoms nicht zerfällt.

Gruß

[Uli]

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Nun macht die starke Kraft ja angeblich keinen Unterschied zwischen Neutronen und Protonen, also könnte man doch theoretisch einen Kern aus vielen Neutronen zusammenbauen. Elektrische Abstossung wäre nicht vorhanden, starke Kraft würde sie zusammenhalten, solang man sie nur nah genug zusammenbringt.

Warum geht das nicht ? Also z.b. so etwas wie ein elektronenfreies 5-Neutronen-Atom müsste man doch bauen können, oder nicht ?
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Zur Ladungsunabhängigkeit: die starke Kraft (QCD) ist zwar unabhängig von der elektrischen Ladung. Dies gilt sowohl für die starke Wechselwirkung zwischen Quarks als auch für Protonen und Neutronen im Kern. Dabei ist aber zu bedenken, dass die Wechselwirkung zwischen den farbneutralen Nukleonen wesentlich schwächer ist als die zwischen den "farbigen" Quarks; die Kernkräfte enthalten daher nur noch einen "winzigen Rest" der starken Kraft. Aus diesem Grund spielt die elm. Wechselwirkung auch noch eine gewisse Rolle und ist nicht ganz vernachlässigbar, obwohl sie viel schwächer als die starke Kraft ist. Das legt schon eine gewisse Ladungsabhängigkeit der Kernkräfte nahe.

Ein anderer wichtiger Effekt: Neutronen sind Fermionen und das Paulische Ausschließungsprinzip verhindert, dass diese sich in energetisch günstigen Orbitalen des Kerns anhäufen. Es drängt sie aus diesen günstigen Zuständen heraus; dieser Effekt wird manchmal auch Austauschwechselwirkung (http://de.wikipedia.org/wiki/Austauschwechselwirkung) genannt. Aus diesem Grund enthalten die energetisch günstigen Orbitale immer eher gleiche Anzahlen von Protonen und Neutronen. Ein Übergewicht einer Sorte führt immer dazu, dass höhere Zustände besetzt werden müssen ==> Instabilität.

Das, was die Nukleonen in Kernen zusammenhält, ist eben nicht starke Wechselwirkung pur. Die Kernkräfte enthalten Anteile der starken, der elm. und der schwachen Wechselwirkung; dazu kommen noch solche Effekte wie die genannte Austauschwechselwirkung.

Gruß,
Uli

[Sino]

Danke. Ich muss da wohl mal tiefer einsteigen und mir auch mal ein paar Beispiele mathematisch vorknöpfen.
Das Problem ist halt, dass man sowas wie Pauli-Prinzip, Fermi-Dirac-Statistik usw. (phenomenologisch) kennt und auch über die QCD schon bischen was gelesen hat, aber das alles lange noch nicht reicht, um 'ne Vorstellung zu haben, was da genau in so einem Fall passiert, also wie man das Ganze zu einem aussagefähigen Modell zusammenbaut.
Da muss man wohl mal ein paar einfache Beispiele zu den Themen durchgerechnet haben, damit man weiss, was man wie und wo anzuwenden hat, damit man sich solche Sachen dann selber beantworten kann.

Ist ja leider mit allem so. Hehe. Zur allgemeinen Relativitätstheorie darf man mich auch nur das fragen, was allgemein populärwissenschaftlich bekannt ist. Wenn ich mir dann aber mal speziellere Fragen dazu stelle, dann muss ich wegen der Mathematik erstmal passen. :o

[Uli]

Danke. Ich muss da wohl mal tiefer einsteigen und mir auch mal ein paar Beispiele mathematisch vorknöpfen.
Das Problem ist halt, dass man sowas wie Pauli-Prinzip, Fermi-Dirac-Statistik usw. (phenomenologisch) kennt und auch über die QCD schon bischen was gelesen hat, aber das alles lange noch nicht reicht, um 'ne Vorstellung zu haben, was da genau in so einem Fall passiert, also wie man das Ganze zu einem aussagefähigen Modell zusammenbaut.
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Naja, das ist in dem Fall der Kernkräfte aber auch nicht so simpel: für die Kernkräfte haben wir keine wirklich fundamentale Theorie - es gibt zwar etliche Modelle, die aber alle ihre Grenzen haben. Das Problem ist, dass die Kopplungskonstante der starken WW (QCD) für diesen - aus Sicht der Teilchenphysik - niedrigen Energiebereich zu groß ist; man kann deshalb keinen störungstheoretischen Ansatz machen (Entwicklung nach Feynman-Graphen oder so).

Gruß,
Uli