Почему масса протона не уменьшается при их испускании позитрона? Почему в нейтроне позитроны и электроны не аннигилируют?

Нейтрон может превращаться в протон, испуская бета-частицу (электрон):

0n1 → 1p1 + -1e0

По всей видимости только теоретически (в книге Азимова нет указания на факт, абзац звучит скорее как предположение) протон может превращаться обратно в нейтрон. И сделать он это может двумя способами.

Во-первых, протон может поглотить электрон (аналогично некому К-захвату):

1p1 + -1e0 → 0n1

Во вторых, если нейтрон может превращаться в протон путем испускания электрона, то по аналогии протон может превратиться в нейтрон путем испускания позитрона (₁e⁰):

1p1 → 0n1 + 1e0

Далее по тексту книги идет фактически доказательство возможности испускания позитронов путем превращения протонов в нейтроны:

Фосфор-30 - самый первый полученный искусственны путем радиоизотоп - имел дефицит нейтронов в ядре. В то время как ядро стабильного фосфора-31 состоит из 15 протонов и 16 нейтронов, ядро фосфора-30 состоит из 15 протонов и всего лишь 15 нейтронов. Фосфор-30, период полураспада которого 2,6 минут, испускает позитрон и превращается в стабильный кремний-30 (14 протонов, 16 нейтронов). Получив фосфор-30, супруги Жолио-Кюри предвосхитили открытие позитрона Андерсоном.

В лабораторных условиях было получено большое количество излучающих позитроны радиоизотопов. Наиболее известным из них является, пожалуй, углерод-11, использовавшийся в качестве изотопного маркера вплоть до открытия углерода-14.

В природе позитроны образуются в основном в ходе реакций ядерного синтеза с участием водорода на Солнце и других звездах. В процессе слияния четырех ядер водорода-1 в одно ядро гелия-4, которое имеет 2p/2n структуру, два протона преобразуются в нейтроны, испуская два позитрона:

1H1 + 1H1 + 1H1 + 1H1 → 2He4 + 1e0 + 1e0

Отсюда следует, что протон действительно может превращаться в нейтрон, испуская позитрон.

Теперь предположим, что один конкретный нейтрон сначала испустил электрон и превратился в протон. Потом этот, полученный из нейтрона, протон испустил позитрон и превратился обратно в нейтрон. Если это будет повторяться многократно, то по-идее должна произойти потеря массы частицы. Потому что, несмотря на незначительность массы электрона и позитрона по отношению к нейтрону и протону, она все же есть.

Но массы данных частиц выражаются числами: нейтрон=1839, протон=1836, электрон=1 (по Азимову). То есть нейтрон и протон не меняют свою массу.

Тогда можно сделать вывод, что одна частица не может бесконечно превращаться то в протон, то в нейтрон. И если масса протона меньше массы нейтрона, то как, еще и испуская позитрон, он набирает массу до нейтрона? Если масса может превращаться в энергию, а энергия в массу, то тогда, чтобы обрести массу, должна быть потеря энергии. То есть нейтрон, хоть и больше по массе, но содержит в себе меньше потенциальной энергии. Вроде бы логично, учитывая, что нейтрон нейтрален, а протон обладает зарядом.

При распаде нейтрона до протона масса теряется. Это может значить, что масса переходит в энергию электрона, вылетающего из нейтрона на скорости света. При распаде протона до нейтрона масса приобретается. Если при этом позитрон также вылетает на скорости, то откуда берется энергия, которая должна тратиться на приращение массы и скорость позитрона?

Другая проблема - это аннигиляция.

При обычных земных условиях не проходит и одной миллионной доли секунды, как позитрон сталкивается с электроном. Что же в этом случае происходит?

Сумма зарядов позитрона и электрона равна нулю. Значит, они могут слиться и нейтрализовать заряды друг друга. Кроме того, они компенсируют [что это значит? уничтожают?] и массу друг друга. Такой процесс называется взаимной аннигиляцией. Но это не является аннигиляцией в чистом виде, так как согласно закону сохранения массы и энергии что-то все-таки остается, несмотря на нейтрализацию зарядов. Если пропадает масса электрона и позитрона, значит, должно выделиться соответствующее количество энергии.

...

Было обнаружено, что при взаимной аннигиляции электронов и позитронов выделяются гамма-лучи, энергия которых в точности соответствует расчетной. Это одно из самых красивых доказательств верности специальной теории относительности Эйнштейна, частью которой является формула e = mc2.

Должен существовать и обратный процесс. Энергия должна каким-то образом переходить в массу. Энергия не может образовать электрон или позитрон, так как неоткуда взяться заряду. Нельзя создать и лишь один положительный или отрицательный заряд.

Однако электрон и позитрон могут образоваться одновременно. Общий заряд такой электронно-позитронной пары все равно останется равным нулю. Для этого необходим гамма-луч мощностью по меньшей мере 1,02 Мэв, а в случае использования более мощного луча избыток энергии переходит в кинетическую энергию частиц - все по Эйнштейну.

... Почему электрон легче протона в 1836 раз? Этот вопрос является одним из самых интересных загадок ядерной физики.

Электрон и протон притягиваются друг к другу, как и любые другие объекты с разноименными электрическими зарядами, но они не аннигилируют. В крайнем случае протон захватывает электрон и тот занимает самый нижний электронный уровень, то есть приближается к протону на минимальное расстояние.

Электрон и позитрон, которые могут аннигилировать друг друга, также могут захватывать друг друга на какое-то время без аннигиляции. Такой атом, состоящий из движущихся по орбите друг за другом вокруг общего центра притяжения электрона и позитрона, называется позитронием.

Существует два вида позитрониев: ортопозитроний, частицы которого имеют одноименный спин, и парапозитроний, частицы которого имеют разноименный спин. Ортопозитроний существует в среднем одну десятую долю микросекунды, после чего происходит аннигиляция, а парапозитроний и того меньше - всего одну десятитысячную микросекунды. Позитронии удалось обнаружить по испускаемым ими гамма-лучам при аннигиляции.

Возникает вопрос: почему электроны и позитроны не аннигилируют в нейтроне? Если бы они это делали, то откуда бы взялась масса нейтрона? Ведь нейтрино (предполагаемый) также по всей видимости почти не имеем массы.

Однако в ядре были открыты еще масса разных частиц. И взаимодействие между ними во многом остается загадкой.