¿Se pueden destruir protones o neutrones para liberar energía, de forma similar a las reacciones de fisión que dividen un núcleo? Del mismo modo, ¿podemos ganar energía creando protones o neutrones, de forma similar a las reacciones de fusión que convierten hidrógeno en helio? Sin uso de antimateria.

Answer 1

Los protones y los neutrones están hechos de quarks y gluones. Los quarks y los gluones están confinados, lo que significa que, si tuvieras algún tipo de asa que pudieras unir a un quark, y luego trataras de sacar un quark de un protón o neutrón, nunca podrías tener éxito. La fuerza producida por los gluones simplemente se hace más y más grande hasta que se vuelve más favorable hacer un par de quark antiquark en el medio, entre el quark que se está sacando y los otros dos quarks que quedan atrás.

Eso entonces hace un mesón y un barión de algún tipo: un barión que consta de tres quarks y un mesón de un quark y un antiquark. Entonces este proceso cuesta una gran cantidad de energía.

Tampoco tenemos quarks libres, de los cuales podemos esperar construir protones o neutrones. Se cree que la energía necesaria para crear un quark libre es infinita.

Entonces no: esta idea no puede funcionar. Las fuerzas que mantienen a los quarks dentro de los protones son muy diferentes a las fuerzas que mantienen unidos los protones y los neutrones en el helio, y no hay repulsión intrínseca entre los quarks que hace que los protones y los neutrones en un núcleo grande quieran separarse, como sucede en la fisión, debido al largo alcance de la repulsión de Coulomb entre protones y al corto alcance de la atracción entre protones y neutrones.

Las fuerzas entre los quarks son de naturaleza muy diferente, por lo que, desafortunadamente, excepto tal vez en las estrellas de neutrones o en el universo primitivo, nunca tenemos quarks o gluones libres para trabajar.

Ahora, hay una pequeña excepción aquí: los neutrones pueden descomponerse en protones, emitiendo un poco de energía, y en los núcleos también puede ocurrir lo contrario. Entonces, estos procesos débiles pueden liberar una pequeña cantidad de energía. Pero para aprovecharlos necesitamos usar reactores de fisión ordinarios, ya que los neutrones son inestables y se descomponen en protones en unos diez minutos.

Answer 2

Los protones y los neutrones se pueden convertir solo en bariones de mayor masa porque la ley fundamental de la conservación del número de bariones no permite destruirlos, sino que solo cambia a estados excitados. Bueno, un neutrón libre se descompone en protones, electrones y antineutrinos, pero la energía liberada es relativamente pequeña, especialmente la energía que toma el antineutrino se pierde dada la posibilidad muy pequeña de atrapar esta partícula. Producir protones o neutrones solos no es posible, excepto que también se crea antiprotón o antineutrón al mismo tiempo, nuevamente para respetar la conservación del número bariónico. El helio se produce en reacciones termonucleares dentro de las estrellas y esto se hace en varios pasos como se describe en la nucleosíntesis estelar – Wikipedia

Answer 3

Para agregar una aclaración adicional a la segunda pregunta, la creación de helio a partir de hidrógeno de acuerdo con la fusión en el núcleo de las estrellas no implica la creación de protones o nuetrones, excepto en el sentido de que algunos protones se convierten en nuetrones. La reacción de fusión típica es un proceso de tres pasos, cada paso liberando energía. 1. Los protones colisionan, y a veces la colisión resulta en la conversión de un protón en un nuetrón. Esto crea deuterio y libera un positrón y un nuetrino. 2. Teóricamente, dos átomos de deuterio podrían combinarse para formar helio, pero esta reacción requiere energías muy altas y no es favorecida. La reacción mucho más común es un protón que colisiona con el deuterio, crea helio3 y libera un rayo gamma. 3. Dos átomos de helio3 colisionan y técnicamente forman berilio 6, que se descompone instantáneamente en helio 4 y dos protones. La pequeña diferencia de masa entre 4 protones y helio 4 se convierte en energía. La diferencia de masa que se convierte en energía es solo el 0.7% de la masa inicial, pero sigue siendo una gran cantidad de energía por reacción.