Protonenzerfall?
Der Protonenzerfall ist bisher nur ein hypothetisches Konzept und mit einer t(1/2) von mindestens 10^34 Jahren wohl kaum experimentell überprüfbar. Nun ist die Zerfallsdauer eines freien Neutrons mit 15 Minuten etwas kürzer als jede für das freie Proton denkbare. Die Baryonenzahl des Protons und des Neutrons ist allerdings gleich.
Daher: Könnte mir jemand (am besten als wäre ich 5 Jahre alt) erklären wodurch dieser leichte Stabilitätsunterschied zustande kommen könnte?
5 Antworten
Ein Neutron ist geringfügig schwerer als ein Proton. Daher kann zwar ein Neutron in ein Proton (plus zwei weitere Teilchen) zerfallen, aber nicht umgekehrt. Mit dem Proton ist dann die tiefste Stufe erreicht, es geht nicht mehr weiter nach unten.
Stelle es Dir vor wie ein Sturz die Kellertreppe nach unten: Man kann von oben nach unten fallen, aber nicht von unten nach oben. Ist man unten angekommen, geht's nicht mehr weiter.
Ja, es gibt den "Elektroneneinfang" in Atomkernen. Dabei wird aus einem Proton und einem Elektron ein Neutron.
Ja, das weiß ich, ich rede aber von freien Protonen.
Von selber zerfällt das freie Proton nicht. Es von außen dazu zu bringen, stelle ich mir schon rein kinematisch anspruchsvoll vor. Es gibt aber Elektron-Proton Streuexperimente, kannst Du Dir ja mal näher anschauen.
Im CERN wurden freie Protonen mit energiereichen Elektronen beschossen. Die daraus entstehenden Hadronen-Jets erzeugen dann auch u.a. Neutronen. Ein Elektronen-Einfang ohne hochenergetischen Einschuss ist genau das, was bei den Protonenzerfallsexperimenten gesucht wird.
Der Protonenzerfall kann möglicherweise schon nachgewiesen werden. Es ist das einzelne Proton, das wohl etwa 10^34 Jahre braucht, bis es zerfällt. Wenn du aber einen genügend grossen Tank mit Wasser nimmst, sind da vielleich 10^33 Protonen drin. Dann kann schon mal ein Zerfall passieren. Meines Wissens werden solche Experimente in Seen in alten Bergwerken gemacht.
Ein Mol Wasser wiegt 18 Gramm und enthält 6*10^23 Moleküle, also 1.2*10^24 Protonen, bzw. 6*10^24, wenn man die im Kern des Sauerstoffs gebundenen mitzählt. Für 10^33 Protonen würde man deshalb 10^9*18 Gramm Wasser benötigen. Das sind 18 Millionen kg bzw. 18'000 m^3. Das ist ein Würfel mit 26 m Seitenlänge, also technisch machbar.
Die "mindestens 10^34 Jahre" Halbwertszeit wurden genau so bestimmt. Das bedeutet aber nur: Wenn die Halbwertszeit kürzer wäre, wäre das in der Messung bemerkt worden. 10^134 Jahre oder niemals ist also auch möglich.
Wenn ein Neutron zerfallt, ist das ein Beta-Zerfall, der von radioaktiven Zerfällen wohl bekannt ist.
Das Neutron wandelt sich in ein Proton um, dabei entsteht ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Weil dabei ein negatives Elektron entsteht, nennt man das speziell Beta-minus-Zerfall.
Umgekehrt kann sich in Atomkernen auch ein Proton in ein Neutron, ein Positron (das Antiteilchen zum Elektron) und ein Elektron-Neutrino [nicht, wie ich zuerst fälschlich schrieb, ein Elektron-Antineutrino] umwandeln. Weil das Positron positiv ist, nennt man das auch Beta-plus-Zerfall.
All das ist sozusagen das tägliche Brot der Kernphysiker. Beta-Zerfälle werden über die Schwache Wechselwirkung oder Schwache Kernkraft vermittelt. Die Teilchenanzahl ändert sich dabei nicht, weil Antiteilchen als negativ in der Anzahl gelten. In welche Richtung der Zerfall geht, ist eine ganz simple Sache der Stabilität oder Masse. Ein freies Proton ist etwas leichter=stabiler. In Kernen ist ein bestimmtes Verhältnis Protonen zu Neutronen am stabilsten. Sind es zu viele Protonen, wandeln sie sich in Neutronen um, und andersrum.
Der Zerfall eines Protons ist spekulativ und ganz was anders. Ein Proton zerfällt dabei über Zwischenstufen (die ich grad nicht kenne) letzlich in ein Positron, und das zerstahlt mit einem Elektron quasi zu Nichts, nur ein paar Photonen, also reine Energie.
Damit ist also ein komplettes Wasserstoffatom einfach weg. Das widerspricht den bekannten Erhaltungssätzen, ist also eine neue Stufe der Physik, genauer die SUSY, Supersymmetrie.
Der Protonenzerfall wäre so unnachweisbar nicht. Die Zahl 10³⁴ klingt erst mal hoch. Aber in 18 Gramm Wasser, einem Mol, sind schon 1,2*10²⁴ einzelne Protonen (in den Wasserstoffkernen) und 8*10²⁴ in den Sauerstoffkernen. In einem Liter sind 55,5 mol Wasser, also 9,2*10²⁴*55,5 =5*10²⁶, in einem Kubikmeter 5*10²⁹ und in einem würfelförmigen Becken von 100 Meter Kantenlänge 5*10³⁵. Da müsste also jede Woche ein Protonenzerfall stattfinden. Upps, Korrektur, es ist ja die Halbwertszeit angegeben, also alle 2 Wochen.
P.S. Wenn du ein fünfjähriges Kind wärst oder hättest, das die Baryonenzahl kennt, hättest du ganz andere Probleme. Ich kann nur hoffen, deinen Stand des Wissens getroffen zu haben.
Ich hätte erst deine Antwort lesen sollen, bevor ich meine Kommentare verfasse.
Ich weiß wie die verschiedenen Zerfallsarten im Atomkern funktionieren, damit habe ich kein Problem. Ich habe nur ein Problem mit freien Kernteilchen, vor allem deswegen weil ich mir isolierte Kernteilchen und deren Verhalten schlecht vorstellen kann.
Die Sache mit den 10^34 Jahren ist die: Angenommen die ältesten Protonen sind 1,38*10^10 Jahre alt, dann wäre noch kein einziges Proton überhaupt alt genug um zerfallen zu können, zumindest in meiner Vorstellung.
Protonen oder auch Kerne haben kein "Alter". Ein instabiler Kern wandelt sich mit der selben Wahrscheinlichkeit um, egal ob gerade erst entstanden ist oder schon 100 Halbwertszeiten heil überstanden hat.
Der Protonenzerfall ist bisher nur ein hypothetisches Konzept und mit einer t(1/2) von mindestens 10^34 Jahren wohl kaum experimentell überprüfbar.
warum nicht? die von dir angegebene zahl ist sogar die untere schranke die von einem experiment gefunden wurde (Super-Kamiokande)
Könnte mir jemand (am besten als wäre ich 5 Jahre alt) erklären wodurch dieser leichte Stabilitätsunterschied zustande kommen könnte?
das neutron ist schwerer. daher kann es (unter erhaltung der baryonen zahl) in ein proton und noch etwas zerfallen. aber ein proton ist bereits das leichteste baryon. also muss jeder zerfall die baryonen-zahl erhaltung verletzen. und solche prozesse gibt es im standardmodell nicht. sondern nur in hypothetischen neuen modellen.
Das ist inhaltlich korrekt. Ich denke, das eine oder andere 5 jährige Kind ist mit dem Ausdruck "Verletzung der Baryonenzahlerhaltung" überfordert.
Eine kindgerechte Erklärung ist verblüffend schwierig.
Die Baryonenzahl taucht allerdings schon in der Frage auf. Ein fünfjähriges Kind stellt auch solche Fragen nicht, außer vielleicht es stößt auf das Wort.
Die Erklärung für einen Fünfjährigen ist ganz einfach: Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde...
Das ist ein schon mal ganz gutes Erklärungsmodell, wenn man nicht den Anspruch hat, daraus Voraussagen über das Ergebnis von Experimenten ableiten zu wollen. (Später wurden andere Erklärungsmodelle entwickelt, die das mehr oder weniger gut ermöglichen)
Die Erklärung für Quantenphysiker ist für uns Normalos eher nicht nachvollziehbar, lässt aber, da bin ich mir sicher, ziemlich gute Voraussagen zu.
Für alle anderen muss reichen, dass die Mischung von up-Quark und down-Quark besser klebt, wenn man zwei Becher Up und nur einen Becher Down nimmt. Die Mischung von zwei Down und einem Up klebt halt nicht so gut. (https://de.wikipedia.org/wiki/Baryon) Das ist ein bisschen wie beim Zwei- Komponentenkleber. Zuviel Härter macht die Klebestelle weich!
Das ist zwar grob falsch, aber es ist auch nur eine Erklärungsmodell, eben nur ein wenig einfacher gestrickt als das mit den Stinkefüßen und Milchprodukten. Denn niemand der auch nur ein bisschen Ahnung von Physik hat glaubt wirklich, dass die Materie aus Quanten und Quarks BESTEHT. Es ist aber so, dass wenn man es sich so VORSTELLT, dann kann man (mit Hilfe der Mathematik) viele Ergebnisse von unzähligen Experimenten ganz gut erklären und sogar mit guter Genauigkeit Voraussagen machen, was bei einem bestimmten Experiment herauskommen wird, auch wenn das vorher noch nie ein Mensch ausprobiert hatte.
Okay, danke für die Antwort. Dann frage ich mich aber, was passiert wenn ich Energie in das Proton stecke, wodurch ich seine Masse erhöhen könnte. Wenn das Proton die Masse eines Neutrons erreichte, fände dann eine Quarkumwandlung statt, so dass ein Neutron entstehen würde? Ich steig bei Teilchenphysik nicht durch, Chemie ist so viel einfacher. ^^