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Solución:
Un neutrón no es “un protón y un electrón”. Un neutrón no está compuesto por un protón y un electrón dentro del neutrón.
En la mecánica cuántica, las partículas pueden aparecer y desaparecer o transformarse en otras partículas. Con el neutrón, uno de los quarks down puede decaer y convertirse en un quark up emitiendo un bosón W, convirtiéndose en un protón. El bosón W decae rápidamente en un electrón y un antineutrino electrónico. El nuevo quark up no existía hasta que el quark down se convirtió en él. El bosón W es lo que se llama una partícula virtual. No existe en el sentido clásico, simplemente está en la ambigua región del espacio-tiempo donde ocurre la descomposición. El electrón y el antineutrino no existían hasta la desintegración.
Aquí hay un diagrama de Feynman del proceso, desde aquí:
un neutrón no es un protón y un electrón.
La reacción involucrada en la desintegración beta es $$n to p + e^- + barnu_e$$ donde $barnu_e$ es un antineutrino electrónico.
Pero incluso eso no significa que un neutrón sea un protón más un electrón más un antineutrino. Significa que los números cuánticos de un neutrón son los mismos que los de un estado que consta de un protón, un electrón y un antineutrino electrónico con la relación de momento angular adecuada. Y ese además, el hecho de que la energía de masa de un neutrón exceda la de los productos significa que la descomposición es tanto permitida como obligatoria.
Las otras respuestas son correctas, pero también me gustaría ofrecer la declaración opuesta: un neutrón es un protón más un electrón.
Una cosa maravillosa sobre la física nuclear y de partículas es que puedes hacer “aritmética” con partículas. En cierto sentido, puedes decir que un protón y un electrón suman un neutrón, $p + e^-= n$. Esto es lo que tienes en decaimiento beta (si te falta algo, ten paciencia conmigo). Pero también puedes “hacer lo mismo en ambos lados” como en matemáticas (también conocidas como transformaciones de equivalencia). Agreguemos un positrón:
$$beginalineado n &= p + e^- qquad &big|_+e^+ \ Rightarrow quad n + e^+ &= p + e ^- + e^+ = p & endalineado$$
Tenga en cuenta que el positrón y el electrón se cancelan. La fórmula resultante $p = n + e^+$ también puede ocurrir en la naturaleza y se llama decaimiento beta-plus. Puedes hacer todo tipo de transformaciones, por ejemplo restar partículas (que es lo mismo que sumar antipartículas). También puedes convertir un electrón en un muón quitando un neutrino electrónico y añadiendo un neutrino muónico. Me gusta pensar que elimina la electronidad y agrega la muonidad:
$$e – nu_e + nu_mu = mu$$ o más convencionalmente: $$e + barnu_e + nu_mu = mu$$
Este cálculo funciona en la escala de núcleos, nucleones e incluso quarks. Este es el diagrama de Feynman de la respuesta de Johnathan Gross:
$$beginalineado p &= u+u+d \ &= u+d+(u+W^-) \ &= u+d+u+(barnu_e+e^-) \ &= n + barnu_e+e^- endalineado$$
Ahora vemos que la fórmula del principio está incompleta, nos faltaba el neutrino. La razón por la que parecía funcionar sin él es que solo estábamos considerando la carga eléctrica, pero el neutrino no tiene carga eléctrica.
La razón por la que estos lindos cálculos funcionan es esencialmente una propiedad llamada simetría cruzada y el hecho de que los números cuánticos se conservan. Pienso en esto como una versión para principiantes de los diagramas de Feynman (y de hecho creo que esto generalmente se enseña primero. Descubrí esto en la escuela, en el contexto de la descomposición nuclear, y este fue un gran momento “wow” que aumentó mi interés. en física de partículas).
Por supuesto, hay algunas desventajas en esta visión simplista. Lo más importante es que no hay consideración de masas y defectos de masa. Solo las partículas más pesadas pueden descomponerse en otras más ligeras, más energía. Pero aparte de eso, este “calcular con partículas” puede ser muy útil, por ejemplo si olvidaste si poner un neutrino o un anti-neutrino.
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