נוסח השאלה המלא: החוק אומר כי מספר הפרוטונים והנויטרונים לפני תגובה גרעינית שווה לסכומם אחרי התגובה. האם קיים חוק יסודי הדורש כי מספר הנויטרונים יישמר בנפרד?
כל גרעיני האטומים בטבע (חוץ ממימן) מכילים שני סוגים של חלקיקים יסודיים: פרוטונים ונויטרונים. תגובות גרעיניות – דהיינו תגובות בהן מעורבים פרוטונים ונויטרונים – שונות במהותן מתגובות כימיות, בהן מעורבים רק אלקטרונים (וברוב המקרים, רק אלקטרוני הערכיות). תגובות אלה מתרחשות בדרך כלל כתוצאה מחוסר היציבות המתקיים בגרעין האטום. צפיפות המסה בגרעין היא עצומה: אם נחלק את מסת האטום בנפחו נקבל 2*1014 גרם למיליליטר (לשם השוואה, הצפיפות של מים היא 1 גרם למיליליטר, ואילו צפיפותו של היסוד הצפוף ביותר – אוסמיום – היא 22.6 גרם למיליליטר). היינו מצפים שהפרוטונים, בעלי מטען חיובי זהה, ידחו זה את זה בעוצמה והגרעין יתפרק. אלא שבנוסף לדחייה האלקטרוסטטית בין הפרוטונים, ישנה גם משיכה קצרת-טווח בין פרוטון לפרוטון, פרוטון ונויטרון, ונויטרון ונויטרון. יציבותו של הגרעין נקבעת בעיקר ע"י היחס בין מספר הנויטרונים למספר הפרוטונים, n/p. עבור הגרעינים הקלים, ככל שיחס זה קרוב יותר ל-1, כך הגרעין יציב יותר. ככל שמתקדמים במערכה המחזורית, דרוש יחס גדול יותר (כלומר יותר נויטרונים לכל פרוטון) על מנת להתגבר על הדחייה בין הפרוטונים. אם משרטטים גרף של מספר הנויטרונים כפונקציה של מספר הפרוטונים, ניתן לזהות חגורת יציבות, אשר מחוצה לה נמצאים היסודות הרדיואקטיביים.
חגורת היציבות (מסומנת בקו מדורג. הקו הישר מתאים ליסודות בהם מספר הפרוטונים שווה למספר הנויטרונים). התמונה לקוחה מויקיפדיה
מעל לחגורת היציבות נמצאים היסודות בעלי יחס n/p גדול מטווח היציבות. על מנת להוריד את היחס הזה, הגרעינים עוברים תהליך המכונה דעיכת בטא, שבו הופך נויטרון לפרוטון ומשתחרר חלקיק בטא – אלקטרון אשר מקורו בגרעין ולא באורביטל אטומי (אם כי הוא זהה פיזיקלית לאלקטרון). התהליך מנוסח כך:
הספרה העילית מייצגת את מספר המסה (מספר הפרוטונים+נויטרונים בכל חלקיק), והספרה התחתית – את המספר האטומי (מספר הפרוטונים). עבור חלקיק בטא (כמו עבור אלקטרון "רגיל") המספר האטומי הוא -1, כי הוא נושא מטען שלילי. דעיכת בטא מתרחשת למשל כאשר האיזוטופ הרדיואקטיבי של פחמן הופך לחנקן יציב:
גרעינים המצויים מתחת לחגורת היציבות עשויים לפלוט פוזיטרון, כמו בתגובה הבאה:
או ללכוד אלקטרון:
בבואנו לאזן תגובות גרעיניות עלינו לשמור על שני כללים:
1) המטען הכולל צריך להישמר
2) המספר הכולל של פרוטונים פלוס נויטרונים צריך להישמר (שימור מספר המסה)
הן בדעיכת בטא והן בלכידת פוזיטרון שהוזכרו לעיל נויטרון עשוי להפוך לפרוטון. כלומר אין שימור נפרד של מספר הפרוטונים או הנויטרונים. אבל מדוע סכומם צריך להישאר זהה? כלומר מדוע במקום כל נויטרון במגיבים צריך להופיע פרוטון או נויטרון בתוצרים?
הסיבה נעוצה בחוק שימור פיזיקלי יסודי, שעל פי רוב אינו נזכר בלימודי הכימיה, והוא חוק שימור המספר הבריוני. פרוטונים ונויטרונים הינם חלקיקים המאופיינים במספר בריוני 1 (אלקטרונים ופוטונים, למשל, הם בעלי מספר בריוני 0). המספר הבריוני חייב להישמר ולכן עבור כל נויטרון בצד ימין של המשוואה חייב להופיע פרוטון או נויטרון בצד שמאל של המשוואה. חוק שימור המספר הבריוני נובע מכך שהנויטרון והפרוטון אינם חלקיקים אלמנטריים והם מורכבים מקווארקים, שהם אבני הבניין של כל החומר בטבע. בריונים מורכבים משלושה קווארקים כל אחד, כאשר הנויטרון מורכב משני קווארקי "מטה"
(down quarks) וקווארק "מעלה" אחד, ואילו הפרוטון מורכב משני קווארקי "מעלה" וקווארק "מטה" אחד. נויטרון הופך לפרוטון תוך הפיכת קווארק מעלה אחד לקווארק מטה, ומלווה בשחרור אנרגיה המתאימה להפרש המסות בין הנויטרון לפרוטון. הנויטרון כבד מהפרוטון ב- 0.2%, ועל מנת לקיים את חוק שימור המסה-אנרגיה משתחררים בתהליך 1.29מגה אלקטרון וולט (אנרגיה בשיעור של פי מיליון מתגובה כימית רגילה). משערים שבשלבים המוקדמים של המפץ הגדול היתה אנרגיה תרמית זמינה בשיעור זה, כך שהמעבר בין פרוטונים לנויטרונים התרחש במידה שווה בשני הכיוונים, ומספרם היה זהה.
איור סכמטי של המבנה הפנימי של הנויטרון. "u" מסמל קווארק "מעלה" ו- "d" מסמל קווארק "מטה". התמונה לקוחה מויקיפדי
