量子力学 壊変

β壊変が中性子が陽子と電子に変わる理由がなぜか分からないです、そう教わったのですが、改めてなぜそうなるのかを誰か教えてください。

できれば高校生にもわかるように教えてほしいのですが、高校の範囲を超える、と化学の先生が言っていたのでそれを超えても構いません。

No.2 回答者： puyo3155 回答日時： 2017/07/01 21:11

不思議ですね。

高校生では、中性子も、陽子も、原子を構成する最小単位だと習うわけで、変わってしまったら最小単位じゃないじゃん・・・・・・ってことかと思います。

ベータ崩壊は、

中性子　＞＞＞＞　陽子　＋　電子　＋　反電子ニュートリノ

という反応ですが、実は中性子や陽子は、物質の最小単位ではなく、

中性子　：アップクオーク１　ダウンクオーク２　の３つのクオークから出来ています。
陽子　　：アップクオーク２　ダウンクオーク１　の３つのクオークから出来ています。

つまり、ベータ崩壊は、中性子や陽子を構成する素粒子であるクオークの１つが、

ダウンクオーク　＞＞＞　アップクオーク　＋　電子　＋　反電子ニュートリノ

とい種類を変える反応なのです。でもこれでも不思議ですよね。だって、素粒子なら、物質を作る根源なのに、それが形を替えたり、なかった電子やニュートリノが飛び出したりするわけですから。だったら、クオークは、電子で出来ていたの？？？そう考えるのが普通ですね。ところが違うのです。この反応を引き起こす、特別な力を、弱い力といいますが、素粒子間の非常に近距離でのみ働く力で、もとは電磁気力の仲間でしたが、宇宙の歴史のなかで、弱い力となりました。電磁気力、強い力、重力と並んで、この世の４つの力の１つです。

弱い力の不思議なところは、素粒子の種類を変えてしまうことです。なぜかって言われると非常に説明しにくいのですが、誤解を恐れずに端折って言えば、そもそも物資の根源は、我々の思う粒のようなものではなく、存在と非存在を行ったり来たりするあいまいな存在で、空間の振動というか、エネルギーの塊のようなものなのです。なので、弱い力を受けると、その振動の方向を変え素粒子の種類が変わり、エネルギーが別の形の物質として無から作り出され、電子や反電子ニュートリノとなって飛び出すのです。

でも不思議ですね。我々が普段見る物質は安定しています。それは、

・３つのクオークが強い力によって安定的に中性子や、陽子となり。
・それが、核力（これもクオークと強い力）によって安定した核子となり。
・そのまわりに、きわめて安定した電子が、電磁気力によってまとわりついて、原子となり。
・原子の組み合わせで、いろいろな物質が出来るからです。

化学反応は、原子の組み換えが起こるだけで、構成要素原子は一切変化しないし、原子力反応など重たい元素の一部に、核子を変える反応（ベータ崩壊はその１つ）はあるものの、自然な状態（原子炉や原爆でも作らない限り）では、極めて希な反応のため気がつきません。結果として、見ている物質は、安定して未来永劫存在し、その構成要素は細かい粒のであるというイメージを、だれも持つわけです。

それが、量子論等、最先端の物理学によって、そうではなかったことがわかった、そういうことなのです。

No.1 回答者： むらさめ 回答日時： 2017/06/30 22:49

β崩壊は核種が崩壊して電子を放出する現象ですが、全てが解明されている訳ではないです。

中性子のβ崩壊は、
n　→　p+　+　e-　+　νe　①
(β崩壊で放出される電子ニュートリノは反電子ニュートリノでνの上に”ー”が付きます)
となります。

中性子は内部構造にクォークを持ち、udd(アップ、ダウン、ダウン)という3つのクォークから出来ているバリオンです。
また陽子も、uud(アップ、アップ、ダウン)という3つのクォークから出来ているバリオンです。
中性子のβ崩壊では、2つのダウンクォークのうち一つがアップクォークに変化しないといけないです。

d(1/3)-　→　u(2/3)+　+　e-　+　νe　②　(反電子ニュートリノで上に”－”が付く)
②は、①の変化する中性子の中の、ダウンクォークがアップクォークへの変化を示していて、
後半部の　”　+　e-　+　νe　”　は変化していないですね。

普通、量子力学では何かの変化が起きるとき、飛び飛びの値を撮ることが多いのですが、β崩壊では電子は連続的なエネルギーを持ち、
それは、β崩壊で出てくる半電子ニュートリノが別にエネルギーを持ち出すためと考えられています。
中性子のようにダウンクォークが2つだと強い相互作用によりダウンクォークを安定させられないようです。

中性子は寿命が10分程度と言われているのですが、中性子のβ崩壊の機構についてはまだ解らない部分があります。