問中子的壽命與矛盾？

中子平均壽命約為898±16s。中子衰變為一個質子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。也就是中子很快變成質子，原子核是中子與質子組成的，這樣一來，經過很長時間，原子核都由質子組成了？

關鍵在於，只是自由狀態的中子平均壽命很短，為幾百秒，而原子核中的中子很穩定。可這是為什麼呢？哈哈 你想啊，自由狀態下的熊孩子平均乖巧時間只有3分鐘，可是為什麼課堂上的孩子們卻乖巧得多、屁股坐得很穩當？壓力！這都是壓力啊！在課堂上從乖孩子衰變為熊孩子是要挨訓的呀！咳咳，好像有點跑題了，嗯。處在自由狀態下的中子平均壽命確實很短，可以通過弱相互作用衰變為質子，放出一個電子和一個反中微子，成為一個質子。可是處在原子核中的中子就沒那麼自由了，當它有這個念頭的時候，想了想，難道真的打算衰變成質子嗎？它環顧四周，突然發現，原子核里還有那麼多質子呢，而且大家都擠在這個狹小的空間中，還都帶著正電荷！這麼大的斥力還不得擠死？嗯，我還是靜靜地做個不帶電荷的美男子，哦不，美中子吧。在這個過程中，電荷斥力對應的勢能相當於中子衰變的勢壘，把中子囚禁其中，不突破勢壘就無法衰變。當然，相應的逆過程也是存在的，即自由狀態下穩定的質子有時會在束縛態中轉變為中子，以降低系統的總能量。

本回答原載2017年5月26日中科院物理所微信公眾號周五問答專欄，我是原作者本人，從屬於一個幾十人組成的校園科普社團。

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自由中子衰變和原子核中的中子有一個重要的區別，就是它們的末態相空間是不一樣的。

用量子力學的語言闡述的話，衰變的速率跟兩個量有關：一個是相互作用矩陣元的強度，另一個則是末態相空間的大小。相互作用越強，則衰變速率越快；末態相空間越大，衰變速率也越快。

舉個簡單的例子：自由中子的半衰期是八百秒，K介子的半衰期則是10的負八次方秒。都是弱相互作用衰變，怎麼半衰期差得這麼大？這是因為末態相空間大小的不同。K介子的末態相空間要遠大於自由中子的末態相空間。

具體一點，自由中子可以通過β衰變衰變到質子、電子和反電子中微子。中子的質量比質子的質量大1.3MeV，而電子的質量為0.5MeV，這樣的話衰變末態的粒子總動能加在一起不能超過0.8MeV。這就是中子衰變末態相空間的上限。而K介子呢？K介子質量為490MeV，而它能衰變到μ子和μ子中微子，μ子的質量才100MeV。這樣末態粒子的總動能可以達到近400MeV，上限要比中子大得多。

回過頭來再看原子核，核子在結合成原子核時會發生質量虧損，不同原子核的質量虧損是不一樣的。如果想要發生β衰變，根據能量守恆，必須保證初態原子核的能量大於末態所有粒子的能量和。所以有些核素完全無法發生β衰變，就是因為它的質量虧損太大，自身的能量太小了。所有可能的末態總能量都要比它大，它沒辦法衰變。

而在另外一些原子核中，β衰變是可行的，但是因為結合能的不同，不同原子核的衰變末態相空間大小不同，這也造成了不同原子核之間β衰變的壽命差異。

自由中子衰變時發出電子而變成質子，因此伽莫夫曾經解釋，原子核里的中子與質子在不斷轉化。一個中子衰變成質子，放出的電子被另一個質子吸收後又變成中子。如此往複不斷，中子與質子的數目都保持不變。

自由中子會經過β衰變變成質子，在這個過程中會釋放出電子和中微子。

但原子核中的中子可以是穩定的，到目前為止，並沒有發現穩定原子核中的中子衰變的問題存在。

組成我們的世界的絕大多數原子的原子核都是穩定的，不穩定的原子核就是反射性元素。