De zwakke wisselwerking

Josje stelde deze vraag op 20 mei 2017 om 21:29.

Beste iedereen,

Bijgevoegd een citaat uit mijn natuurkundeboek. Dit begrijp ik helemaal niet, ik loop er echt vast. Kan iemand het me in andere woorden uitleggen?

Alvast bedankt

'In een kern kunnen neutronen door de aanwezigheid van voldoende protonen wel stabiel worden. Dit laatste lijkt vreemd, maar als door bèta-verval een neutron verandert in een proton, verandert ook het energieniveau van de kern als geheel. Als het energieniveau van de kern hoger wordt en de energie die bij het verval van het neutron hier niet tegenop weegt, dan kan het verval niet plaatsvinden.'


Reacties

Theo de Klerk op 20 mei 2017 om 22:19
Het is "populair" om te zeggen dat de reactie
neutron --> proton + elektron
gebeurt. Het neutron valt dan in die visie "uiteen". En omgekeerd kan het ook. Behoud van lading, niet geheel van massa. Daar zit een energie verschil (E = mc2).
Protonen (of gelijkgeladen deeltjes) kunnen niet naast/tegen elkaar zitten omdat de elektrische afstoting steeds groter wordt - tot oneindig bij r = 0.
Maar naast elektrische afstoting is er ook nog een andere kracht in het spel die niet "geleidelijk" toeneemt, maar alleen op korte afstand werkt (daarbuiten effectief nul is). Maar als die werkt is hij veel sterker aantrekkend dan de elektrische afstoting op zelfde afstand.
Twee protonen kunnen elkaar niet voldoende naderen om die kracht effectief te laten zijn tegen de elektrische afstoting. Maar zet er een neutron tussen en het werkt wel: neutronen hebben geen elektrische afstoting maar wel de sterke kernkracht aantrekking als neutronen of neutron/proton paren elkaar voldoende dicht naderen.
Een neutron en een proton kunnen elkaar "raken" en trekken elkaar dan sterk aan. Zo sterk, dat beiden samen blijven zitten, ook als van wat verderaf een proton nadert. Die stoot het "vastgeplakte" proton af maar die zit aan het neutron vast. En als dat 2e proton het neutron nadert dan plakt ook dat tweede proton zich aan het neutron vast. Met het neutron in het midden is de kernkracht neutron-protonen sterker dan de afstoting tussen de protonen. Zo kan een kern worden opgebouwd als je maar voldoende"lijm" van neutronen inbrengt. Aanvankelijk gaat het gelijkelijk op (lage Z-waarden hebben even grote N waarden, bij hoge Z-waarden neemt N sterker toe).
Je zou denken dat dan een kern van alleen neutronen helemaal stabiel moet zijn. Alleen maar kernkrachten. Inderdaad, alleen blijkt dat een element en zijn eigenschappen bepaald wordt door het aantal protonen in de kern. Er is geen element bekend met alleen maar neutronen. Da's een constatering - er zal vast een theorie voor zijn die mij onbekend is.

Een instabiele kern kan teveel neutronen of protonen hebben en een neutron kan dan in een proton omgezet worden en een elektron uitstoten (beta deeltje).  Bij lage Z waarden kan zo een teveel aan neutronen (ipv gelijk aantal Z en N) gerepareerd worden door een neutron in een proton om te zetten. Bij te zware kernen (hoge Z, te weinig N) kan een proton in een neutron omgezet worden (alfa deeltje eruit: 2 protonen weg, 2 neutronen weg, verhouding achterblijvende protonen/neutronen is in voordeel van neutronen). 

Omdat de nieuwe kern meer gebonden is, komt het overschot aan bindingsenergie vrij en wordt dit aan het elektron meegegeven waardoor dit een zo hoge kinetische energie krijgt dat het aan de kern ontsnapt (want elektronen en protonen trekken elkaar aan maar een elektron kan de "ontsnappingssnelheid" bereiken).

Processen in de natuur (atoomkernen, maar ook macroscopische gassen) streven naar evenwicht en dat wordt bereikt bij een minimale hoeveelheid energie  Op die plaats is de ΔE/Δr - verandering van energie tov verandering van afstand - dan 0: elke grotere/kleinere afstand doet de energie toenemen. (iets wat vwo examenkandidaten dit jaar zich ook moesten realiseren!).

Aangezien energie niet ontstaat of verloren gaat en alleen in vorm en van eigenaar kan wisselen, geldt bij een verval van een neutron naar een proton en elektron dat dit alleen gebeurt als de nieuwe toestand beter gebonden is (minder energie heeft en het teveel "weggeeft"). Als die nieuwe toestand alleen bereikt kan worden door energie op te nemen (minder gebonden) dan  zal het verval niet optreden. Er is namelijk geen donateur om die energie aan de kern te geven.
En bovendien: stel dat die er zou zijn, dan vervalt de kern snel terug naar de lagere energiewaarde (en komt die bindingsenergie weer vrij) en zijn we terug bij af.
Josje op 26 mei 2017 om 11:49
Ik snap het, bedankt!

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Ariane heeft zevenentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Ariane nu over?

Antwoord: (vul een getal in)