中性子星

質問

中性子星はブラックホールの一歩手前。
と聞いたのですが、中性子ってすぐ崩壊してしまうのではないんですか？
中性子星というのは一体どんなものなのでしょうか？
また、陽子+電子＝中性子　と言われたのですがこれもなんだかしっくりしません。原子を構成する電子の扱いを考えると、中性子も原子みたいなイメージでとらえるのかなぁあ？と思ったり・・。
中性子をイメージ的にとらえるにはどうしたらいいでしょうか？

回答No.5

noname#5646

まず、整理しておきましょう。
〈陽子・電子・中性子〉は〈原子〉を構成している部品であって、原子を野球場とすると、陽子・中性子からなる原子核はピッチャマウンドに置いたマッチ棒の頭くらいのものです。電子は球場の外周をロケットより速い速度でぐるぐる回る、けし粒みたいなものと思ってください。原子はそのくらいスカスカなのです！

そして、陽子と中性子はほぼ同じ大きさと重さ。
電子の質量は陽子・中性子の１８４０分の１しかないので、ほぼ”なし”と考えましょう。

中性子に＋の電荷を持たせたものが陽子、その陽子に、”質量のない－の電荷”である”電子”をくっつけると、電気的に打ち消しあって中性子に戻る。厳密には誤りですが、感覚的にはこれで充分だと思います。

中性子星では前述のようなスカスカ野球場の原子がマッチ棒の頭くらいに潰れてしまうので、とてつもない密度になるわけです。そして、陽子と電子は同じ数ずつありますから、全部打ち消しあって中性子になるわけです。

いかがでしょう？　つかめましたか？

回答No.4

noname#108554

No.3の補足です。私の試算では、
中性子星の場合、
一核子あたり重力エネルギー/（中性子の質量-陽子質量-電子質量；陽子+電子系が中性子になるのに必要なおおよそのエネルギー）～100
程度になるので、原子は潰れてしまった方がエネルギー的に得すると考えられます。
ちなみに白色矮星では、この比は1程度です。

回答No.3

noname#108554

こんな回答でいいですかね？

参考URL：

http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=206523

回答No.2

starflora

イメージをということなので、イメージ的な説明をしてみたく思います。わたし自身、よく分からないことがありますので、イメージで分かる所だけを読みとってください。

　　普通の原子は、原子核と電子から成り立っています。そして、大抵の原子核には、二子以上の陽子と、幾つかは分かりませんが、中性子が含まれています（一個の陽子は水素ですが、中性子星は、水素の星から造られるのではありません。水素を燃やす尽くし、更に別の原子も燃やした後で、超新星化が起こり、この過程で中性子星ができます）。陽子はプラスの電荷を持つので、原子核のような小さな領域に、何故複数の陽子が収まっているのか理由が分からなかったのです。普通だと、クーロン力（電気の力）で、反発し合って、原子核はばらばらになるはずです。

　　そうならないのは、湯川先生が提唱した中間子による「核力」が働くからです。核力は、陽子間のクーロン斥力に対抗して、陽子をまとめる引力としてあり、もしこういう力があると、どれぐらいの大きさが必要か、また、こういう力が、他の原子内の陽子や、電子などに影響を与えている気配はないので、距離が少し離れると、すぐゼロに近づくなどの条件から、核力ポテンシャルの形を決めました。このようなポテンシャルを造るには、必要な媒介粒子は、陽子や電子の中間の質量でなければならないというので、この媒介粒子を、「中間子」と名付けたのです。

　　原子核内に、中性子が束縛されている理由も、この「核力」によったと思うのですが、違っていたかも知れません。

　　ところで、重要なもう一つのことは、何故、電子は、マイナスの電気を持っているのに、プラスの電気の塊である原子核に落下しないのかという問題があります。古典的には、これは、電子が回転運動をしていて、遠心力が働き、この遠心力が、クーロン引力と均衡しているので、電子は核に落下しないというイメージになります。古典力学では、電子の回転運動量は、任意の値が取れ、電子と原子核のあいだの距離も、電子の角運動量に応じて、任意の値が取れるはずでした。しかし、こういうモデルは、原子核分裂とか、原子核融合などを考えると、どうも違う訳です。

　　物理学は、量子力学の導入で、この問題を整理しました。電子は、自由な軌道を取れる訳ではなく、最低のエネルギー軌道というものがあることが分かりました。つまり、電子は、通常の場合、この最低のエネルギー軌道を越えて、更に低いエネルギー軌道に移動して、原子核に近づくことはないのです。もし近づくことがあれば、「最低のエネルギー軌道」が別にあることになり、「最低の軌道」は「最低」でなくなるのです。

　　量子力学的に、電子は、原子核に対し、一定の距離より近くには落下しないということが保証されたのです。もしそうでなければ、電子からエネルギーを奪って行くと、原子は、電子の核への落下で、壊れることになります。

　　中性子星では、何故、中性子が崩壊しないのかと考えるより、何故、中性子星では、物質がみな中性子になっているのかと問う方がイメージ的に分かり易いです。中性子星は、もの凄い重力によって、白色矮星よりも、更に物質密度が高くなっている訳で、何故こんなに物質密度が高くなっているかです。原子が、圧力で圧縮されて、互いの距離が近寄っても、電子軌道に「最低軌道」がある以上、或る原子の電子が他の原子のこの「最低軌道」の内側には入らないはずです。つまり、原子が「普通の原子」でいる限り、圧縮には限界があるということになります。

　　しかし、この限界を超える圧縮が可能であるというのが中性子星です。この場合、何が起こっているかと考えると、原子の最低の大きさを維持する、「電子の最低エネルギー軌道」が、膨大な重力で、変化させられ、より原子核に近い軌道になっているのだと考えるのがイメージ的に納得が行きます。「最低軌道」が小さくなると、他の原子の電子が、より、原子に近寄りやすくなり、結果的に、原子間の距離は縮まります。しかし、こういうことが起こると、原子自体で見ると、原子の本来の最低半径というものが、より小さくなっている訳で、電子は、「元の自然状態の最低軌道」よりも「内側の軌道」にあることになります。

　　こういうことが、もっと極端になって来ると、どういうことが起こるかと言うと、電子の「最低軌道」が、原子核の半径まで圧縮されるということです。こんなことが本当に起こるかどうか分からなかったのですが、中性子星の発見により、そういう状態が、原子において起こり得るということが逆に分かった訳です。

　　原子核まで押し込められた軌道電子はどうなるかというのは、色々な解釈や解があったのだと思いますが、核にある陽子と結合し、中性子を形成するという素粒子反応が起こると考えるのが妥当だとされ、中性子星が、その実証を与えてくれたことにもなります。

　　中性子星では、何故、中性子が崩壊しないかではなく、本来、電子と陽子であったものが、もの凄い重力で、無理に中性子に纏められているのだと考えるのがよいのではないでしょうか。

回答No.1

Mell-Lily

中性子星というのは、星の重力崩壊によってできた超高密度の天体のことです。さらに重力崩壊が進んだ場合、ブラックホールになります。中性子星の中性子は、重力による圧力によって崩壊が抑えられています。
原子核や中性子星の内部などで束縛されていない中性子は、約15分で崩壊します。この崩壊の反応式は、
　n → p + e + ν*　(n:中性子,p:陽子,e:電子,ν*:反ニュートリノ)
となります。
中性子は、原子核を構成する粒子であり、陽子とともに核子と呼ばれています。中性子は、アップクウォーク一つとダウンクウォーク二つから成り立っています。一方、陽子は、アップクウォーク二つとダウンクウォーク一つから成り立っています。