Neutrón

Subatomic particle with no charge

El neutrón es una partícula subatómica , símbolo
norte
o
norte⁰
, que no tiene carga eléctrica y una masa ligeramente mayor que la de un protón . Los protones y los neutrones constituyen los núcleos de los átomos . Dado que los protones y los neutrones se comportan de manera similar dentro del núcleo, a ambos se los conoce como nucleones . Los nucleones tienen una masa de aproximadamente una unidad de masa atómica, o dalton (símbolo: Da). Sus propiedades e interacciones están descritas por la física nuclear . Los protones y los neutrones no son partículas elementales ; cada uno está compuesto por tres quarks .

Las propiedades químicas de un átomo están determinadas principalmente por la configuración de los electrones que orbitan alrededor del núcleo pesado del átomo. La configuración electrónica está determinada por la carga del núcleo, que a su vez está determinada por el número de protones o número atómico . El número de neutrones es el número de neutrones . Los neutrones no afectan la configuración electrónica.

Los átomos de un elemento químico que difieren solo en el número de neutrones se denominan isótopos . Por ejemplo, el carbono , con número atómico 6, tiene un isótopo abundante, el carbono-12, con 6 neutrones, y un isótopo raro, el carbono-13, con 7 neutrones. Algunos elementos se presentan en la naturaleza con un solo isótopo estable , como el flúor . Otros elementos se presentan con muchos isótopos estables, como el estaño, con diez isótopos estables, o sin ningún isótopo estable, como el tecnecio .

Las propiedades de un núcleo atómico dependen tanto del número atómico como del de neutrones. Con su carga positiva, los protones dentro del núcleo son repelidos por la fuerza electromagnética de largo alcance, pero la fuerza nuclear , mucho más fuerte, pero de corto alcance, une estrechamente a los nucleones. Los neutrones son necesarios para la estabilidad de los núcleos, con la excepción del núcleo de hidrógeno de un solo protón . Los neutrones se producen copiosamente en la fisión y fusión nucleares . Son un contribuyente principal a la nucleosíntesis de elementos químicos dentro de las estrellas a través de procesos de fisión, fusión y captura de neutrones .

El neutrón es esencial para la producción de energía nuclear. En la década posterior a su descubrimiento por James Chadwick en 1932, los neutrones se utilizaron para inducir muchos tipos diferentes de transmutaciones nucleares . Con el descubrimiento de la fisión nuclear en 1938, rápidamente se comprendió que, si un evento de fisión producía neutrones, cada uno de estos neutrones podría causar más eventos de fisión, en una cascada conocida como reacción nuclear en cadena . Estos eventos y hallazgos condujeron al primer reactor nuclear autosostenible ( Chicago Pile-1 , 1942) y a la primera arma nuclear ( Trinity , 1945).

Las fuentes de neutrones dedicadas , como los generadores de neutrones , los reactores de investigación y las fuentes de espalación, producen neutrones libres para su uso en experimentos de irradiación y dispersión de neutrones . Un neutrón libre se desintegra espontáneamente en un protón, un electrón y un antineutrino , con una vida media de unos 15 minutos. Los neutrones libres no ionizan directamente los átomos, pero sí causan radiación ionizante indirectamente , por lo que pueden ser un peligro biológico, dependiendo de la dosis. En la Tierra existe un pequeño flujo natural de "fondo neutrónico" de neutrones libres, causado por las lluvias de rayos cósmicos y por la radiactividad natural de los elementos espontáneamente fisionables en la corteza terrestre .

Neutrones en un núcleo atómico

Un núcleo atómico está formado por un número de protones, Z (el número atómico ), y un número de neutrones, N (el número neutrónico ), unidos entre sí por la fuerza nuclear . Los protones y los neutrones tienen cada uno una masa de aproximadamente un dalton . El número atómico determina las propiedades químicas del átomo, y el número neutrónico determina el isótopo o nucleido . ^{[7] : 4} Los términos isótopo y nucleido se utilizan a menudo como sinónimos , pero se refieren a propiedades químicas y nucleares, respectivamente. ^{[7] : 4} Los isótopos son nucleidos con el mismo número atómico, pero diferente número de neutrones. Los nucleidos con el mismo número de neutrones, pero diferente número atómico, se denominan isótonos . ^[8] El número de masa atómica , A , es igual a la suma de los números atómico y neutrónico. Los nucleidos con el mismo número de masa atómica, pero diferente número atómico y neutrónico, se denominan isóbaros . ^[8] La masa de un núcleo es siempre ligeramente menor que la suma de las masas de sus protones y neutrones: la diferencia de masa representa la masa equivalente a la energía de enlace nuclear, la energía que sería necesario añadir para desmembrar el núcleo. ^{[9] : 822}

El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (con el símbolo químico ¹ H) es un protón solitario. ^{[7] : 20} Los núcleos de los isótopos pesados ​​del hidrógeno deuterio (D o ² H) y tritio (T o ³ H) contienen un protón unido a uno y dos neutrones, respectivamente. ^{[7] : 20} Todos los demás tipos de núcleos atómicos están compuestos por dos o más protones y varios números de neutrones. El nucleido más común del elemento químico común plomo , ²⁰⁸ Pb, tiene 82 protones y 126 neutrones, por ejemplo. ^[10] La tabla de nucleidos comprende todos los nucleidos conocidos. Aunque no es un elemento químico, el neutrón está incluido en esta tabla. ^[11]

Fisión nuclear causada por la absorción de un neutrón por el uranio 235. El nucleido pesado se fragmenta en componentes más ligeros y neutrones adicionales.

Los protones y los neutrones se comportan de forma casi idéntica bajo la influencia de la fuerza nuclear dentro del núcleo. Por lo tanto, ambos se denominan colectivamente nucleones . ^[12] El concepto de isospín , en el que el protón y el neutrón se consideran dos estados cuánticos de la misma partícula, se utiliza para modelar las interacciones de los nucleones mediante las fuerzas nucleares o débiles. ^{[13] : 141}

Energía nuclear

Debido a la fuerza de la fuerza nuclear a distancias cortas, la energía nuclear que une a los nucleones es muchos órdenes de magnitud mayor que la energía electromagnética que une a los electrones en los átomos. ^{[7] : 4} En la fisión nuclear , la absorción de un neutrón por algunos nucleidos pesados ​​(como el uranio-235 ) puede hacer que el nucleido se vuelva inestable y se rompa en nucleidos más ligeros y neutrones adicionales. ^[7] Los nucleidos ligeros cargados positivamente, o "fragmentos de fisión", se repelen, liberando energía potencial electromagnética . ^[14] Si esta reacción ocurre dentro de una masa de material fisible , los neutrones adicionales causan eventos de fisión adicionales, induciendo una cascada conocida como reacción nuclear en cadena . ^{[7] : 12–13} Para una masa dada de material fisible, tales reacciones nucleares liberan energía que es aproximadamente diez millones de veces mayor que la de una masa equivalente de un explosivo químico convencional . ^{[7] : 13  [15]} En última instancia, la capacidad de la fuerza nuclear para almacenar energía que surge de la repulsión electromagnética de los componentes nucleares es la base de la mayor parte de la energía que hace posibles los reactores nucleares o las bombas; la mayor parte de la energía liberada de la fisión es la energía cinética de los fragmentos de fisión. ^{[14] [7] : 12}

Un esquema del núcleo de un átomo que indica
β⁻
Radiación, emisión de un electrón rápido desde el núcleo. La desintegración también crea un antineutrino (omitido) y convierte un neutrón en un protón dentro del núcleo.
El recuadro muestra la desintegración beta de un neutrón libre; en este proceso se crean un electrón y un antineutrino.

Desintegración beta

Los neutrones y los protones dentro de un núcleo se comportan de manera similar y pueden intercambiar sus identidades mediante reacciones similares. Estas reacciones son una forma de desintegración radiactiva conocida como desintegración beta . ^[16] La desintegración beta, en la que los neutrones se desintegran en protones, o viceversa, está gobernada por la fuerza débil y requiere la emisión o absorción de electrones y neutrinos, o sus antipartículas. ^[17] Las reacciones de desintegración de neutrones y protones son:

norte⁰
→
pag⁺
+
mi⁻
+
no
_mi

dónde
pag⁺
,
mi⁻
, y
no
_midenotan los productos de desintegración del protón, el electrón y el antineutrino electrónico, [ ^18] y

pag⁺
→
norte⁰
+
mi⁺
+
no
_mi

dónde
norte⁰
,
mi⁺
, y
no
_midenotan los productos de desintegración de neutrones, positrones y neutrinos electrónicos.

El electrón y el positrón producidos en estas reacciones se conocen históricamente como partículas beta , denominadas β ⁻ o β ⁺ respectivamente, lo que da nombre al proceso de desintegración. ^[17] En estas reacciones, la partícula original no está compuesta por las partículas del producto; más bien, las partículas del producto se crean en el instante de la reacción. ^{[19] : 369–370}

El neutrón "libre"

Los neutrones o protones "libres" son nucleones que existen independientemente, libres de cualquier núcleo.

El neutrón libre tiene una masa de939 565 413 .3  eV/ c ² , o939,565 4133  MeV/ c ² . Esta masa es igual a1.674 927 471 × 10 ⁻²⁷  kg , o1.008 664 915 88  Da . ^{[4] El neutrón tiene un} radio cuadrático medio de aproximadamente0,8 × 10 ⁻¹⁵  m , o0,8  fm , ^[20] y es un fermión de espín ½ . ^[21] El neutrón no tiene carga eléctrica medible. Con su carga eléctrica positiva, el protón está directamente influenciado por los campos eléctricos , mientras que el neutrón no se ve afectado por los campos eléctricos. ^[22] Sin embargo, el neutrón tiene un momento magnético , por lo que está influenciado por los campos magnéticos . ^[23] Las propiedades específicas del neutrón se describen a continuación en la sección Propiedades intrínsecas.

Fuera del núcleo, los neutrones libres sufren una desintegración beta con una vida media de unos 14 minutos y 38 segundos, ^[24] lo que corresponde a una vida media de unos 10 minutos y 11 s. La masa del neutrón es mayor que la del protón en1.293 32  MeV/ c ² , ^[25] por lo tanto, la masa del neutrón proporciona energía suficiente para la creación del protón, el electrón y el antineutrino. En el proceso de desintegración, el protón, el electrón y el antineutrino electrónico conservan la energía, la carga y el número leptónico del neutrón. ^[26] El electrón puede adquirir una energía cinética de hasta0,782 ± 0,013 MeV . ^[25]

Aún sin explicación, diferentes métodos experimentales para medir la vida útil del neutrón, el método de la "botella" y el método del "haz", producen valores diferentes para él. ^[27] El método de la "botella" emplea neutrones "fríos" atrapados en una botella, mientras que el método del "haz" emplea neutrones energéticos en un haz de partículas. Las mediciones realizadas con los dos métodos no han convergido con el tiempo. La vida útil del método de la botella es actualmente de 877,75 s ^{[28] [29]} , que es 10 segundos inferior al valor del método del haz de 887,7 s ^[30].

Una pequeña fracción (aproximadamente uno por mil) de neutrones libres se desintegra con los mismos productos, pero agrega una partícula extra en forma de un rayo gamma emitido: ^[31]

norte⁰
→
pag⁺
+
mi⁻
+
no
_mi+
gamma

El rayo gamma, llamado "modo de desintegración radiativa" del neutrón, puede considerarse como el resultado de una " radiación de frenado interna " que surge de la interacción electromagnética de la partícula beta emitida con el protón. ^[31]

Una fracción más pequeña (aproximadamente cuatro por millón) de neutrones libres se desintegran en las llamadas "desintegraciones de dos cuerpos (neutrones)", en las que se producen un protón, un electrón y un antineutrino como de costumbre, pero el electrón no logra ganar la13,6  eV de energía necesaria para escapar del protón (la energía de ionización del hidrógeno ) y, por lo tanto, simplemente permanece ligado a él, formando un átomo de hidrógeno neutro (uno de los "dos cuerpos"). En este tipo de desintegración libre de neutrones, casi toda la energía de desintegración de neutrones es transportada por el antineutrino (el otro "cuerpo"). (El átomo de hidrógeno retrocede con una velocidad de sólo aproximadamente (energía de desintegración)/(energía en reposo del hidrógeno) veces la velocidad de la luz, o(250  kilómetros por segundo .)

Neutrones y protones unidos en un núcleo

Los neutrones son un componente necesario de cualquier núcleo atómico que contenga más de un protón. Como resultado de sus cargas positivas, los protones que interactúan tienen una repulsión electromagnética mutua que es más fuerte que su interacción nuclear atractiva , por lo que los núcleos de solo protones son inestables (ver diprotón y relación neutrón-protón ). ^[32] Los neutrones se unen a los protones y entre sí en el núcleo a través de la fuerza nuclear , moderando efectivamente las fuerzas repulsivas entre los protones y estabilizando el núcleo. [ ^{19] : 461} Los núcleos pesados ​​​​tienen una gran carga positiva, por lo tanto, requieren neutrones "adicionales" para ser estables. ^{[19] : 461}

Mientras que un neutrón libre es inestable y un protón libre es estable, dentro de los núcleos los neutrones suelen ser estables y los protones a veces inestables. Cuando están ligados dentro de un núcleo, los nucleones pueden desintegrarse mediante el proceso de desintegración beta. Los neutrones y protones en un núcleo forman un sistema mecánico cuántico según el modelo de capas nucleares . Los protones y neutrones de un nucleido están organizados en niveles de energía jerárquicos discretos con números cuánticos únicos . La desintegración de nucleones dentro de un núcleo puede ocurrir si lo permiten las restricciones básicas de conservación de energía y mecánica cuántica. Los productos de desintegración, es decir, las partículas emitidas, se llevan el exceso de energía a medida que un nucleón cae de un estado cuántico a uno con menos energía, mientras que el neutrón (o protón) cambia a un protón (o neutrón).

Para que un neutrón se desintegre, el protón resultante requiere un estado disponible de menor energía que el estado inicial del neutrón. En los núcleos estables, todos los posibles estados de menor energía están ocupados, lo que significa que cada estado está ocupado por un par de protones, uno con espín hacia arriba y otro con espín hacia abajo. Cuando todos los estados de protones disponibles están ocupados, el principio de exclusión de Pauli impide la desintegración de un neutrón en un protón. ^{[33] : §3.3} La situación es similar a la de los electrones de un átomo, donde el principio de exclusión impide que los electrones que ocupan orbitales atómicos distintos se desintegren en estados de energía más bajos, ya ocupados. ^{[33] : §3.3} La estabilidad de la materia es una consecuencia de estas restricciones. ^{[34] [35] [36]}

La desintegración de un neutrón en un nucleido se ilustra con la desintegración del isótopo de carbono 14 , que tiene 6 protones y 8 neutrones. Con su exceso de neutrones, este isótopo se desintegra por desintegración beta en nitrógeno 14 (7 protones, 7 neutrones), un proceso con una vida media de aproximadamente5.730 años . ^[37] El nitrógeno-14 es estable. ^[38]

Las reacciones de "desintegración beta" también pueden ocurrir por captura de un leptón por el nucleón. La transformación de un protón en un neutrón dentro de un núcleo es posible mediante la captura de un electrón : ^[39]

pag⁺
+
mi⁻
→
norte⁰
+
no
_mi

Una reacción más rara, la desintegración beta inversa , implica la captura de un neutrino por un nucleón. ^[40] Más rara aún, la captura de positrones por neutrones puede ocurrir en el entorno de alta temperatura de las estrellas. ^[41]

Competencia de tipos de desintegración beta

Tres tipos de desintegración beta en competencia se ilustran con el isótopo único cobre-64 (29 protones, 35 neutrones), que tiene una vida media de aproximadamente 12,7 horas. ^[42] Este isótopo tiene un protón desapareado y un neutrón desapareado, por lo que tanto el protón como el neutrón pueden desintegrarse. ^[43] Este nucleido en particular tiene casi la misma probabilidad de sufrir desintegración de protones (por emisión de positrones , 18% o por captura de electrones , 43%; ambas formando64Ni) o desintegración neutrónica (por emisión de electrones, 39%; formando⁶⁴
Zinc
). ^{[42] [43]}

El neutrón en la física de partículas elementales: el Modelo Estándar

El diagrama principal de Feynman para
β⁻
 desintegración de un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico a través de un átomo pesado intermedio
Yo⁻
bosón

El diagrama principal de Feynman para
β⁺
 desintegración de un protón en un neutrón, positrón y neutrino electrónico a través de un átomo pesado intermedio
Yo⁺
bosón

Dentro del marco teórico del Modelo Estándar de física de partículas, un neutrón está formado por dos quarks down con carga − ⁠1/3⁠ e y un quark up con carga + ⁠2/3⁠ e . El neutrón es, por tanto, una partícula compuesta clasificada como hadrón . El neutrón también se clasifica como barión , porque está compuesto de tres quarks de valencia . ^[44] El tamaño finito del neutrón y su momento magnético indican que el neutrón es unapartícula compuesta , en lugar de elemental .

Los quarks del neutrón se mantienen unidos por la fuerza fuerte , mediada por los gluones . ^[45] La fuerza nuclear resulta de los efectos secundarios de la fuerza fuerte más fundamental .

El único modo de desintegración posible para el neutrón que conserva el número bariónico es que uno de los quarks del neutrón cambie de sabor a través de la interacción débil . La desintegración de uno de los quarks down del neutrón en un quark up más ligero se puede lograr mediante la emisión de un bosón W. Mediante este proceso, la descripción del Modelo Estándar de la desintegración beta, el neutrón se desintegra en un protón (que contiene un quark down y dos up), un electrón y un antineutrino electrónico .

La desintegración del protón en un neutrón se produce de forma similar a través de la fuerza débil. La desintegración de uno de los quarks up del protón en un quark down se puede lograr mediante la emisión de un bosón W. El protón se desintegra en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico. Esta reacción solo puede ocurrir dentro de un núcleo atómico que tenga un estado cuántico a menor energía disponible para el neutrón creado.

Descubrimiento

La historia del descubrimiento del neutrón y sus propiedades es central para los extraordinarios avances en física atómica que ocurrieron en la primera mitad del siglo XX, que condujeron finalmente a la bomba atómica en 1945. En el modelo de Rutherford de 1911 , el átomo consistía en un pequeño núcleo masivo cargado positivamente rodeado por una nube mucho más grande de electrones cargados negativamente. En 1920, Ernest Rutherford sugirió que el núcleo consistía en protones positivos y partículas cargadas neutramente, sugiriendo que eran un protón y un electrón unidos de alguna manera. ^[46] Se suponía que los electrones residían dentro del núcleo porque se sabía que la radiación beta consistía en electrones emitidos desde el núcleo. ^[46] Aproximadamente en la época en que Rutherford sugirió el compuesto neutro protón-electrón, aparecieron varias otras publicaciones que hacían sugerencias similares, y en 1921 el químico estadounidense WD Harkins nombró por primera vez a la partícula hipotética "neutrón". ^{[47] [48]} El nombre deriva de la raíz latina para neutralis (neutro) y el sufijo griego -on (un sufijo utilizado en los nombres de partículas subatómicas, es decir, electrón y protón ). ^{[49] [50]} Sin embargo, se pueden encontrar referencias a la palabra neutrón en relación con el átomo en la literatura ya en 1899. ^[48]

A lo largo de la década de 1920, los físicos asumieron que el núcleo atómico estaba compuesto de protones y "electrones nucleares", ^{[51] [52]} pero esto planteó problemas obvios. Era difícil conciliar el modelo protón-electrón del núcleo con la relación de incertidumbre de Heisenberg de la mecánica cuántica. ^{[53] [54]} La paradoja de Klein , ^[55] descubierta por Oskar Klein en 1928, presentó más objeciones de la mecánica cuántica a la noción de un electrón confinado dentro de un núcleo. ^[53] Las propiedades observadas de los átomos y las moléculas eran inconsistentes con el espín nuclear esperado de la hipótesis protón-electrón. Tanto los protones como los electrones tienen un espín intrínseco de ⁠1/2⁠ ħ , y se encontró que los isótopos de la misma especie tenían espín entero o fraccionario. Según la hipótesis, los isótopos estarían compuestos por la misma cantidad de protones, pero diferentes cantidades de "partículas" protón+electrón ligadas neutras. Esta imagen física era una contradicción, ya que no hay forma de ordenar los espines de un electrón y un protón en un estado ligado para obtener un espín fraccionario.

En 1931, Walther Bothe y Herbert Becker descubrieron que si la radiación de partículas alfa del polonio caía sobre berilio , boro o litio , se producía una radiación inusualmente penetrante. La radiación no estaba influenciada por un campo eléctrico, por lo que Bothe y Becker asumieron que era radiación gamma . ^{[56] [57]} El año siguiente, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot-Curie en París demostraron que si esta radiación "gamma" caía sobre parafina o cualquier otro compuesto que contuviera hidrógeno , expulsaba protones de muy alta energía. ^[58] Ni Rutherford ni James Chadwick en el Laboratorio Cavendish en Cambridge estaban convencidos de la interpretación de los rayos gamma. ^[59] Chadwick realizó rápidamente una serie de experimentos que demostraron que la nueva radiación consistía en partículas sin carga con aproximadamente la misma masa que el protón. ^{[60] [61] [62]} Estas propiedades coincidían con la hipótesis del neutrón de Rutherford. Chadwick ganó el Premio Nobel de Física en 1935 por este descubrimiento. ^[2]

Modelos que representan los niveles de energía del núcleo y de los electrones en átomos de hidrógeno, helio, litio y neón. En realidad, el diámetro del núcleo es aproximadamente 100.000 veces menor que el diámetro del átomo.

Werner Heisenberg ^{[63] [64] [65]} y otros desarrollaron rápidamente modelos para un núcleo atómico formado por protones y neutrones . ^{[66] [67] El modelo protón-neutrón explicó el enigma de los espines nucleares.} Enrico Fermi explicó los orígenes de la radiación beta en 1934 mediante el proceso de desintegración beta , en el que el neutrón se desintegra en un protón creando un electrón y un neutrino (en ese momento no descubierto). ^[68] En 1935, Chadwick y su estudiante de doctorado Maurice Goldhaber informaron de la primera medición precisa de la masa del neutrón. ^{[69] [70]}

En 1934, Fermi había bombardeado elementos más pesados ​​con neutrones para inducir radiactividad en elementos de alto número atómico. En 1938, Fermi recibió el Premio Nobel de Física "por sus demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de las reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos". ^[71] En diciembre de 1938 , Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear , o el fraccionamiento de núcleos de uranio en elementos más ligeros, inducido por bombardeo de neutrones. ^{[72] [73] [74] [75] En 1945, Hahn recibió el} Premio Nobel de Química de 1944 "por su descubrimiento de la fisión de núcleos atómicos pesados". ^{[76] [77] [78]}

El descubrimiento de la fisión nuclear conduciría al desarrollo de la energía nuclear y la bomba atómica a finales de la Segunda Guerra Mundial. Rápidamente se comprendió que, si un evento de fisión producía neutrones, cada uno de estos neutrones podría causar más eventos de fisión, en una cascada conocida como reacción nuclear en cadena. ^{[19] : 460–461  [7]} Estos eventos y hallazgos llevaron a Fermi a construir el Chicago Pile-1 en la Universidad de Chicago en 1942, el primer reactor nuclear autosostenible . ^[79] Solo tres años después, el Proyecto Manhattan pudo probar la primera bomba atómica , la prueba nuclear Trinity en julio de 1945. ^[79]

Propiedades

Masa

La masa de un neutrón no se puede determinar directamente mediante espectrometría de masas , ya que no tiene carga eléctrica. Pero como las masas de un protón y de un deuterón se pueden medir con un espectrómetro de masas, la masa de un neutrón se puede deducir restando la masa del protón de la masa del deuterón, siendo la diferencia la masa del neutrón más la energía de enlace del deuterio (expresada como energía emitida positiva). Esta última se puede medir directamente midiendo la energía ( ) del único neutrón. ${\displaystyle B_{d}}$Fotón gamma de 2,224 MeV emitido cuando un protón captura un neutrón y forma un deuterón (esto es exotérmico y ocurre con neutrones de energía cero). También debe tenerse en cuenta la pequeña energía cinética de retroceso ( ) del deuterón (aproximadamente el 0,06 % de la energía total). ${\displaystyle E_{rd}}$

${\displaystyle m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}}$

La energía de los rayos gamma se puede medir con gran precisión mediante técnicas de difracción de rayos X, como hicieron por primera vez Bell y Elliot en 1948. Los mejores valores modernos (1986) para la masa de neutrones mediante esta técnica son proporcionados por Greene, et al. ^[80] Estos dan una masa de neutrón de:

m _neutrón =1.008 644 904 (14)  Desde

El valor de la masa del neutrón en MeV se conoce con menos precisión, debido a la menor precisión en la conversión conocida de Da a MeV/ c ² : ^{[33] : 18–19}

m _neutrón =939,565 63 (28)  MeV/ c ² .

Otro método para determinar la masa de un neutrón parte de la desintegración beta del neutrón, cuando se miden los momentos del protón y el electrón resultantes.

Girar

El neutrón es un  espín1/2⁠ partícula, es decir, es un fermión con momento angular intrínseco igual a ⁠1/2⁠  ħ , donde ħ es la constante de Planck reducida . Durante muchos años después del descubrimiento del neutrón, su giro exacto fue ambiguo. Aunque se suponía que era un giro  ⁠1/2 Partícula de Dirac , la posibilidad de que el neutrón fuera un  espín3/2⁠ La partícula permaneció allí. Las interacciones del momento magnético del neutrón con un campo magnético externo se explotaron para determinar finalmente el espín del neutrón. ^[81] En 1949, Hughes y Burgy midieron los neutrones reflejados desde un espejo ferromagnético y descubrieron que la distribución angular de las reflexiones era consistente con el espín  .1/2⁠ . ^[82] En 1954, Sherwood, Stephenson y Bernstein emplearon neutrones en un experimento de Stern-Gerlach que utilizó un campo magnético para separar los estados de espín de los neutrones. Registraron dos de esos estados de espín, consistentes con un espín  ⁠1/2⁠ partícula. ^{[81] [83]}

Como fermión, el neutrón está sujeto al principio de exclusión de Pauli ; dos neutrones no pueden tener el mismo número cuántico. Esta es la fuente de la presión de degeneración que contrarresta la gravedad en las estrellas de neutrones y evita que formen agujeros negros. ^[84]

Momento magnético

Aunque el neutrón es una partícula neutra, el momento magnético de un neutrón no es cero. El neutrón no se ve afectado por los campos eléctricos, pero sí por los campos magnéticos. El valor del momento magnético del neutrón fue medido directamente por primera vez por Luis Álvarez y Félix Bloch en Berkeley, California , en 1940. ^[85] Álvarez y Bloch determinaron que el momento magnético del neutrón era μ _n =−1,93(2)  μ _N , donde μ _N es el magnetón nuclear . El momento magnético del neutrón tiene un valor negativo, porque su orientación es opuesta al espín del neutrón. ^[86]

El momento magnético del neutrón es una indicación de su subestructura de quarks y la distribución de carga interna. ^[87] En el modelo de quarks para hadrones , el neutrón está compuesto de un quark up (carga +2/3  e ) y dos quarks down (carga −1/3  e ). ^[87] El momento magnético del neutrón se puede modelar como una suma de los momentos magnéticos de los quarks constituyentes. ^[88] El cálculo supone que los quarks se comportan como partículas de Dirac puntuales, cada una con su propio momento magnético. De manera simplista, el momento magnético del neutrón se puede ver como el resultado de la suma vectorial de los tres momentos magnéticos de los quarks, más los momentos magnéticos orbitales causados ​​por el movimiento de los tres quarks cargados dentro del neutrón.

En uno de los primeros éxitos del Modelo Estándar, en 1964, Mirza AB Beg, Benjamin W. Lee y Abraham Pais calcularon que la relación entre los momentos magnéticos de protones y neutrones era −3/2 (o una relación de −1,5), lo que coincide con el valor experimental dentro del 3%. ^{[89] [90] [91]} El valor medido para esta relación es−1.459 898 05 (34) . ^[4]

El tratamiento anterior compara neutrones con protones, lo que permite restar el comportamiento complejo de los quarks entre los modelos y simplemente explorar cuáles serían los efectos de diferentes cargas de quarks (o tipos de quarks). Estos cálculos son suficientes para demostrar que el interior de los neutrones es muy similar al de los protones, salvo por la diferencia en la composición de quarks, ya que un quark down en el neutrón reemplaza a un quark up en el protón.

El momento magnético del neutrón se puede calcular de forma aproximada suponiendo una función de onda mecánica cuántica no relativista simple para bariones compuestos por tres quarks. Un cálculo sencillo proporciona estimaciones bastante precisas de los momentos magnéticos de neutrones, protones y otros bariones. ^[88] Para un neutrón, el resultado de este cálculo es que el momento magnético del neutrón está dado por μ _n = 4/3 μ _d − 1/3 μ _u , donde μ _d y μ _u son los momentos magnéticos para los quarks down y up, respectivamente. Este resultado combina los momentos magnéticos intrínsecos de los quarks con sus momentos magnéticos orbitales, y supone que los tres quarks están en un estado cuántico dominante particular.

Los resultados de este cálculo son alentadores, pero se supuso que las masas de los quarks up o down eran 1/3 de la masa de un nucleón. ^[88] Las masas de los quarks son en realidad solo alrededor del 1% de la de un nucleón. ^[92] La discrepancia se debe a la complejidad del Modelo Estándar para los nucleones, donde la mayor parte de su masa se origina en los campos de gluones , partículas virtuales y su energía asociada que son aspectos esenciales de la fuerza fuerte . ^{[92] [93]} Además, el complejo sistema de quarks y gluones que constituyen un neutrón requiere un tratamiento relativista. ^[94] Pero el momento magnético del nucleón se ha calculado numéricamente con éxito a partir de los primeros principios , incluidos todos los efectos mencionados y utilizando valores más realistas para las masas de los quarks. El cálculo arrojó resultados que concordaban bastante con la medición, pero requirió importantes recursos computacionales. ^{[95] [96]}

Carga eléctrica

La carga eléctrica total del neutrón es0  e . Este valor cero ha sido probado experimentalmente y el límite experimental actual para la carga del neutrón es−2(8) × 10 ⁻²²  e , ^[6] o−3(13) × 10 ⁻⁴¹  C . Este valor es consistente con cero, dadas las incertidumbres experimentales (indicadas entre paréntesis). En comparación, la carga del protón es+1  mi .

Estructura y geometría de la distribución de carga.

Un artículo publicado en 2007 que presenta un análisis independiente del modelo concluyó que el neutrón tiene un exterior cargado negativamente, un medio cargado positivamente y un núcleo negativo. ^[97] En una visión clásica simplificada, la "piel" negativa del neutrón lo ayuda a ser atraído por los protones con los que interactúa en el núcleo; pero la atracción principal entre neutrones y protones es a través de la fuerza nuclear , que no involucra carga eléctrica.

La visión clásica simplificada de la distribución de carga del neutrón también "explica" el hecho de que el dipolo magnético del neutrón apunta en la dirección opuesta a su vector de momento angular de espín (en comparación con el protón). Esto le da al neutrón, en efecto, un momento magnético que se asemeja a una partícula con carga negativa. Esto se puede conciliar clásicamente con un neutrón neutro compuesto por una distribución de carga en la que las subpartes negativas del neutrón tienen un radio de distribución promedio mayor y, por lo tanto, contribuyen más al momento dipolar magnético de la partícula que las partes positivas que están, en promedio, más cerca del núcleo.

Momento dipolar eléctrico

El Modelo Estándar de física de partículas predice una pequeña separación de carga positiva y negativa dentro del neutrón que conduce a un momento dipolar eléctrico permanente . ^[98] Pero el valor predicho está muy por debajo de la sensibilidad actual de los experimentos. A partir de varios acertijos sin resolver en física de partículas , está claro que el Modelo Estándar no es la descripción final y completa de todas las partículas y sus interacciones. Las nuevas teorías que van más allá del Modelo Estándar generalmente conducen a predicciones mucho más grandes para el momento dipolar eléctrico del neutrón. Actualmente, hay al menos cuatro experimentos que intentan medir por primera vez un momento dipolar eléctrico finito del neutrón, incluidos:

• Experimento criogénico de electroerosión por neutrones que se está instalando en el Instituto Laue-Langevin ^[99]
• Experimento n2EDM en construcción en la fuente UCN del Instituto Paul Scherrer ^[100]
• Experimento nEDM previsto en la fuente de neutrones por espalación ^{[101] [102]}
• Experimento nEDM en construcción en el Instituto Laue–Langevin ^[103]

Antineutrón

El antineutrón es la antipartícula del neutrón. Fue descubierto por Bruce Cork en 1956, un año después de que se descubriera el antiprotón . La simetría CPT impone fuertes restricciones a las propiedades relativas de partículas y antipartículas, por lo que el estudio de los antineutrones proporciona pruebas rigurosas sobre la simetría CPT. La diferencia fraccionaria en las masas del neutrón y el antineutrón es(9 ± 6) × 10 ⁻⁵ . Dado que la diferencia está a sólo dos desviaciones estándar de cero, esto no proporciona ninguna evidencia convincente de violación del CPT. ^[104]

Compuestos de neutrones

Dineutrones y tetraneutrones

El dineutrón se considera un isótopo no ligado con tiempos de vida de alrededor de 10 ^-22 segundos. La primera evidencia de este estado fue reportada por Haddock et al. en 1965. ^{[105] : 275} En 2012, Artemis Spyrou de la Universidad Estatal de Michigan y sus colaboradores informaron que observaron, por primera vez, la emisión directa de dineutrones en la desintegración de ¹⁶ Be. El carácter de dineutrón se evidencia por un pequeño ángulo de emisión entre los dos neutrones. Los autores midieron la energía de separación de dos neutrones en 1,35(10) MeV, en buen acuerdo con los cálculos del modelo de capas, utilizando interacciones estándar para esta región de masa. ^[106]

La evidencia de grupos no unidos de 4 neutrones, o tetraneutrones , como resonancias en la desintegración de núcleos de berilio -14, ^[107] en interacciones de ⁸ He- ^{8 Be, [108]} y colisiones de núcleos de ⁴ He dan una vida útil estimada de alrededor de 10 ^-22 segundos. ^[109] Estos descubrimientos deberían profundizar nuestra comprensión de las fuerzas nucleares. ^{[110] [111]}

Estrellas de neutrones y materia neutrónica

Se cree que, a presiones y temperaturas extremadamente altas, los nucleones y los electrones colapsan y forman materia neutrónica en masa, llamada materia neutrónica . Se presume que esto sucede en las estrellas de neutrones . ^[112]

La presión extrema dentro de una estrella de neutrones puede deformar los neutrones en una simetría cúbica, permitiendo un empaquetamiento más compacto de neutrones. ^[113]

Detección

Los métodos habituales para detectar una partícula cargada buscando un rastro de ionización (como en una cámara de niebla ) no funcionan directamente para los neutrones. Los neutrones que se dispersan elásticamente de los átomos pueden crear un rastro de ionización que es detectable, pero los experimentos no son tan sencillos de llevar a cabo; se utilizan con más frecuencia otros medios para detectar neutrones, que consisten en permitirles interactuar con los núcleos atómicos. Por lo tanto, los métodos utilizados habitualmente para detectar neutrones se pueden clasificar según los procesos nucleares en los que se basan, principalmente la captura de neutrones o la dispersión elástica . ^[114]

Detección de neutrones mediante captura de neutrones

Un método común para detectar neutrones implica convertir la energía liberada de las reacciones de captura de neutrones en señales eléctricas. Ciertos nucleidos tienen una sección eficaz de captura de neutrones alta , que es la probabilidad de absorber un neutrón. Tras la captura de neutrones, el núcleo compuesto emite una radiación más fácilmente detectable, por ejemplo una partícula alfa, que luego se detecta. Los nucleidos³
Él
,⁶
Li
,¹⁰
B
,²³³
tú
,²³⁵
tú
,²³⁷
Notario público
, y²³⁹
Pu
son útiles para este propósito.

Detección de neutrones por dispersión elástica

Los neutrones pueden dispersarse elásticamente de los núcleos, lo que hace que el núcleo golpeado retroceda. Cinemáticamente, un neutrón puede transferir más energía a un núcleo ligero, como el hidrógeno o el helio, que a un núcleo más pesado. Los detectores que se basan en la dispersión elástica se denominan detectores de neutrones rápidos. Los núcleos que retroceden pueden ionizar y excitar otros átomos mediante colisiones. La luz de carga y/o centelleo producida de esta manera se puede recolectar para producir una señal detectada. Un desafío importante en la detección de neutrones rápidos es discernir dichas señales de las señales erróneas producidas por la radiación gamma en el mismo detector. Se pueden utilizar métodos como la discriminación de la forma del pulso para distinguir las señales de neutrones de las señales de rayos gamma, aunque se han desarrollado ciertos detectores basados ​​en centelleadores inorgánicos ^{[115] [116]} para detectar selectivamente neutrones en campos de radiación mixta inherentemente sin ninguna técnica adicional.

Los detectores de neutrones rápidos tienen la ventaja de no requerir un moderador y, por lo tanto, son capaces de medir la energía del neutrón, el tiempo de llegada y, en ciertos casos, la dirección de incidencia.

Fuentes y producción

Los neutrones libres son inestables, aunque su vida media es la más larga de todas las partículas subatómicas inestables, con una diferencia de varios órdenes de magnitud. Su vida media sigue siendo de apenas unos 10 minutos, por lo que solo pueden obtenerse de fuentes que los produzcan de forma continua.

Fondo natural de neutrones. Existe un pequeño flujo natural de neutrones libres en todas partes de la Tierra. ^[117] En la atmósfera y en las profundidades del océano, el "fondo de neutrones" es causado por muones producidos por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera. Estos muones de alta energía son capaces de penetrar a profundidades considerables en el agua y el suelo. Allí, al chocar con núcleos atómicos, entre otras reacciones, inducen reacciones de espalación en las que se libera un neutrón del núcleo. Dentro de la corteza terrestre, una segunda fuente son los neutrones producidos principalmente por la fisión espontánea del uranio y el torio presentes en los minerales de la corteza. El fondo de neutrones no es lo suficientemente fuerte como para ser un peligro biológico, pero es importante para los detectores de partículas de muy alta resolución que buscan eventos muy raros, como interacciones (hipótesis) que podrían ser causadas por partículas de materia oscura . ^[117] Investigaciones recientes han demostrado que incluso las tormentas eléctricas pueden producir neutrones con energías de hasta varias decenas de MeV. ^[118] Investigaciones recientes han demostrado que la fluencia de estos neutrones se encuentra entre 10 ⁻⁹ y 10 ⁻¹³ por ms y por m2 ^dependiendo de la altitud de detección. La energía de la mayoría de estos neutrones, incluso con energías iniciales de 20 MeV, disminuye hasta el rango de keV en 1 ms. ^[119]

En la superficie de Marte se produce una radiación de fondo de neutrones aún más intensa, donde la atmósfera es lo suficientemente espesa como para generar neutrones a partir de la producción de muones de rayos cósmicos y la espalación de neutrones, pero no lo suficientemente espesa como para proporcionar una protección significativa contra los neutrones producidos. Estos neutrones no sólo generan un peligro de radiación neutrónica en la superficie marciana debido a la radiación neutrónica directa que se dirige hacia abajo, sino que también pueden generar un peligro significativo debido a la reflexión de neutrones desde la superficie marciana, que producirá radiación neutrónica reflejada que penetrará hacia arriba en una nave o hábitat marcianos desde el suelo. ^[120]

Fuentes de neutrones para la investigación. Entre ellas se incluyen ciertos tipos de desintegración radiactiva ( fisión espontánea y emisión de neutrones ) y ciertas reacciones nucleares . Entre las reacciones nucleares más convenientes se encuentran las reacciones de sobremesa, como el bombardeo alfa y gamma natural de ciertos nucleidos, a menudo berilio o deuterio, y la fisión nuclear inducida, como la que se produce en los reactores nucleares. Además, las reacciones nucleares de alta energía (como las que se producen en las lluvias de radiación cósmica o en las colisiones de aceleradores) también producen neutrones a partir de la desintegración de los núcleos objetivo. Los aceleradores de partículas pequeños (de sobremesa) optimizados para producir neutrones libres de esta manera se denominan generadores de neutrones .

En la práctica, las fuentes de neutrones de laboratorio más utilizadas utilizan la desintegración radiactiva para alimentar la producción de neutrones. Un radioisótopo productor de neutrones conocido , el californio -252, se desintegra (vida media de 2,65 años) mediante fisión espontánea el 3% del tiempo con una producción de 3,7 neutrones por fisión, y se utiliza solo como fuente de neutrones en este proceso. Las fuentes de reacción nuclear (que involucran dos materiales) alimentadas por radioisótopos utilizan una fuente de desintegración alfa más un objetivo de berilio, o bien una fuente de radiación gamma de alta energía de una fuente que sufre desintegración beta seguida de desintegración gamma , que produce fotoneutrones en la interacción del rayo gamma de alta energía con berilio estable ordinario, o bien con el deuterio en agua pesada . Una fuente popular de este último tipo es el antimonio-124 radiactivo más berilio, un sistema con una vida media de 60,9 días, que puede construirse a partir de antimonio natural (que es 42,8% antimonio-123 estable) activándolo con neutrones en un reactor nuclear, y luego transportándolo al lugar donde se necesita la fuente de neutrones. ^[121]

Instituto Laue-Langevin (ILL) en Grenoble, Francia: una importante instalación de investigación de neutrones

Los reactores de fisión nuclear producen neutrones libres de forma natural, cuya función es mantener la reacción en cadena que produce energía . La intensa radiación de neutrones también se puede utilizar para producir diversos radioisótopos mediante el proceso de activación neutrónica , que es un tipo de captura de neutrones .

Los reactores de fusión nuclear experimentales producen neutrones libres como producto de desecho, pero son estos neutrones los que poseen la mayor parte de la energía, y convertir esa energía en una forma útil ha demostrado ser un desafío de ingeniería difícil. Los reactores de fusión que generan neutrones probablemente generen desechos radiactivos, pero estos desechos están compuestos de isótopos más ligeros activados por neutrones, que tienen períodos de desintegración relativamente cortos (50-100 años) en comparación con las vidas medias típicas de 10.000 años ^[122] para los desechos de fisión, que es larga debido principalmente a la larga vida media de los actínidos transuránicos emisores de alfa. ^[123] Se proponen algunos híbridos de fusión nuclear-fisión para hacer uso de esos neutrones para mantener un reactor subcrítico o para ayudar en la transmutación nuclear de desechos nucleares dañinos de larga duración en nucleidos de vida más corta o estables.

Haces de neutrones y modificación de haces después de la producción

Los haces de neutrones libres se obtienen de fuentes de neutrones mediante transporte de neutrones . Para acceder a fuentes de neutrones intensos, los investigadores deben acudir a una instalación de neutrones especializada que opere un reactor de investigación o una fuente de espalación .

La falta de carga eléctrica total del neutrón hace que sea difícil dirigirlo o acelerarlo. Las partículas cargadas pueden acelerarse, desacelerarse o desviarse mediante campos eléctricos o magnéticos . Estos métodos tienen poco efecto sobre los neutrones. Pero se pueden lograr algunos efectos mediante el uso de campos magnéticos no homogéneos debido al momento magnético del neutrón . Los neutrones pueden controlarse mediante métodos que incluyen moderación , reflexión y selección de velocidad . Los neutrones térmicos pueden polarizarse mediante transmisión a través de materiales magnéticos en un método análogo al efecto Faraday para los fotones . Se pueden producir neutrones fríos de longitudes de onda de 6-7 angstroms en haces de un alto grado de polarización, mediante el uso de espejos magnéticos y filtros de interferencia magnetizados. ^[124]

Aplicaciones

El neutrón desempeña un papel importante en muchas reacciones nucleares. Por ejemplo, la captura de neutrones a menudo da lugar a la activación de los neutrones , lo que induce radiactividad . En particular, el conocimiento de los neutrones y su comportamiento ha sido importante en el desarrollo de reactores nucleares y armas nucleares . La fisión de elementos como el uranio-235 y el plutonio-239 se produce por la absorción de neutrones.

La radiación de neutrones fría , térmica y caliente se emplea comúnmente en instalaciones de dispersión de neutrones para difracción de neutrones , dispersión de neutrones de ángulo pequeño y reflectometría de neutrones . Las ondas de materia de neutrones lentos exhiben propiedades similares a la óptica geométrica y ondulatoria de la luz, incluyendo reflexión, refracción, difracción e interferencia. ^[125] Los neutrones son complementarios a los rayos X en términos de contrastes atómicos por diferentes secciones transversales de dispersión ; sensibilidad al magnetismo; rango de energía para espectroscopia de neutrones inelásticos; y penetración profunda en la materia.

El desarrollo de "lentes de neutrones" basadas en la reflexión interna total dentro de tubos capilares de vidrio huecos o por la reflexión de placas de aluminio con hoyuelos ha impulsado la investigación en curso en microscopía de neutrones y tomografía de rayos gamma/neutrones. ^{[126] [127] [128] [129]}

Uno de los usos principales de los neutrones es excitar los rayos gamma retardados y de estímulo de los elementos presentes en los materiales. Esto constituye la base del análisis por activación neutrónica (NAA) y del análisis por activación neutrónica gamma de estímulo (PGNAA). El NAA se utiliza con mayor frecuencia para analizar pequeñas muestras de materiales en un reactor nuclear, mientras que el PGNAA se utiliza con mayor frecuencia para analizar rocas subterráneas alrededor de pozos de sondeo y materiales industriales a granel en cintas transportadoras.

Otro uso de los emisores de neutrones es la detección de núcleos ligeros, en particular el hidrógeno presente en las moléculas de agua. Cuando un neutrón rápido choca con un núcleo ligero, pierde una gran fracción de su energía. Al medir la velocidad a la que los neutrones lentos regresan a la sonda después de reflejarse en los núcleos de hidrógeno, una sonda de neutrones puede determinar el contenido de agua en el suelo.

Terapias médicas

Dado que la radiación neutrónica es penetrante e ionizante, se puede aprovechar para tratamientos médicos. Sin embargo, la radiación neutrónica puede tener el desafortunado efecto secundario de dejar radiactiva la zona afectada. Por lo tanto, la tomografía neutrónica no es una aplicación médica viable.

La terapia con neutrones rápidos utiliza neutrones de alta energía, normalmente mayores de 20 MeV, para tratar el cáncer. La radioterapia de los cánceres se basa en la respuesta biológica de las células a la radiación ionizante. Si la radiación se administra en pequeñas sesiones para dañar las áreas cancerosas, el tejido normal tendrá tiempo para repararse, mientras que las células tumorales a menudo no pueden hacerlo. ^[130] La radiación de neutrones puede suministrar energía a una región cancerosa a una velocidad un orden de magnitud mayor que la radiación gamma . ^[131]

En la terapia de captura de neutrones con boro se utilizan haces de neutrones de baja energía para tratar el cáncer. En esta terapia, se administra al paciente un fármaco que contiene boro y que se acumula preferentemente en el tumor que se desea atacar. A continuación, se bombardea el tumor con neutrones de muy baja energía (aunque a menudo superiores a la energía térmica) que son capturados por el isótopo boro-10 presente en el boro, lo que produce un estado excitado de boro-11 que luego se desintegra para producir litio-7 y una partícula alfa que tienen suficiente energía para matar la célula maligna, pero un alcance insuficiente para dañar las células cercanas. Para que una terapia de este tipo se aplique al tratamiento del cáncer, se prefiere una fuente de neutrones que tenga una intensidad del orden de mil millones (10 ⁹ ) de neutrones por segundo por cm ² . Estos flujos requieren un reactor nuclear de investigación.

Protección

La exposición a neutrones libres puede ser peligrosa, ya que la interacción de los neutrones con las moléculas del cuerpo puede causar la alteración de las moléculas y los átomos , y también puede causar reacciones que dan lugar a otras formas de radiación (como los protones). ^[7] Se aplican las precauciones normales de protección radiológica: evitar la exposición, permanecer lo más lejos posible de la fuente y mantener el tiempo de exposición al mínimo. Pero se debe pensar especialmente en cómo protegerse de la exposición a los neutrones. Para otros tipos de radiación, por ejemplo, partículas alfa , partículas beta o rayos gamma , el material de un número atómico alto y con alta densidad constituye un buen blindaje; con frecuencia, se utiliza plomo . Sin embargo, este enfoque no funcionará con los neutrones, ya que la absorción de neutrones no aumenta directamente con el número atómico, como lo hace con la radiación alfa, beta y gamma. En cambio, es necesario observar las interacciones particulares que tienen los neutrones con la materia (consulte la sección sobre detección anterior). Por ejemplo, los materiales ricos en hidrógeno se utilizan a menudo para protegerse contra los neutrones, ya que el hidrógeno ordinario dispersa y ralentiza los neutrones. Esto suele significar que los bloques de hormigón simples o incluso los bloques de plástico cargados con parafina ofrecen una mejor protección contra los neutrones que otros materiales mucho más densos. Después de la desaceleración, los neutrones pueden ser absorbidos por un isótopo que tiene una alta afinidad por los neutrones lentos sin causar radiación de captura secundaria, como el litio-6.

El agua ordinaria rica en hidrógeno afecta la absorción de neutrones en los reactores de fisión nuclear : por lo general, los neutrones son absorbidos con tanta fuerza por el agua normal que se requiere el enriquecimiento del combustible con un isótopo fisionable. (La cantidad de neutrones producidos por fisión depende principalmente de los productos de fisión. El promedio es de aproximadamente 2,5 a 3,0 y al menos uno, en promedio, debe evadir la captura para mantener la reacción nuclear en cadena ). El deuterio en el agua pesada tiene una afinidad de absorción por los neutrones mucho menor que el protio (hidrógeno ligero normal). Por lo tanto, el deuterio se usa en los reactores de tipo CANDU para reducir ( moderar ) la velocidad de los neutrones, para aumentar la probabilidad de fisión nuclear en comparación con la captura de neutrones .

Temperatura del neutrón

Neutrones térmicos

Los neutrones térmicos son neutrones libres cuyas energías tienen una distribución de Maxwell-Boltzmann con kT = 0,0253  eV (4,0 × 10 ⁻²¹  J ) a temperatura ambiente. Esto da una velocidad característica (no media ni mediana) de 2,2 km/s. El nombre "térmico" proviene de que su energía es la del gas o material a temperatura ambiente que están permeando. (Véase la teoría cinética para las energías y velocidades de las moléculas). Después de una serie de colisiones (a menudo en el rango de 10-20) con núcleos, los neutrones llegan a este nivel de energía, siempre que no sean absorbidos.

En muchas sustancias, las reacciones de neutrones térmicos muestran una sección transversal efectiva mucho mayor que las reacciones que involucran neutrones más rápidos y, por lo tanto, los neutrones térmicos pueden ser absorbidos más fácilmente (es decir, con mayor probabilidad) por cualquier núcleo atómico con el que colisionen, creando como resultado un isótopo más pesado (y a menudo inestable ) del elemento químico .

La mayoría de los reactores de fisión utilizan un moderador de neutrones para ralentizar o termalizar los neutrones emitidos por la fisión nuclear , de modo que se puedan capturar con mayor facilidad y provocar más fisión. Otros, llamados reactores reproductores rápidos , utilizan directamente los neutrones de la energía de fisión.

Neutrones fríos

Los neutrones fríos son neutrones térmicos que se han equilibrado en una sustancia muy fría, como el deuterio líquido . Una fuente de este tipo de neutrones fríos se coloca en el moderador de un reactor de investigación o una fuente de espalación. Los neutrones fríos son particularmente valiosos para los experimentos de dispersión de neutrones . ^[132]

El uso de neutrones fríos y muy fríos (VCN) ha sido un poco limitado en comparación con el uso de neutrones térmicos debido al flujo relativamente menor y la falta de componentes ópticos. Sin embargo, se han propuesto soluciones innovadoras para ofrecer más opciones a la comunidad científica para promover el uso de VCN. ^{[133] [134]}

Fuente de neutrones fríos que proporciona neutrones a una temperatura similar a la del hidrógeno líquido.

Neutrones ultrafríos

Los neutrones ultrafríos se producen por dispersión inelástica de neutrones fríos en sustancias con una sección transversal de absorción de neutrones baja a una temperatura de unos pocos kelvins, como el deuterio sólido ^[135] o el helio superfluido . ^[136] Un método de producción alternativo es la desaceleración mecánica de neutrones fríos explotando el desplazamiento Doppler. ^{[137] [138]}

Neutrones de energía de fisión

Un neutrón rápido es un neutrón libre con un nivel de energía cinética cercano a1  MeV (1,6 × 10 ⁻¹³  J ), por lo tanto una velocidad de ~14 000  km/s (~5% de la velocidad de la luz). Se denominan energía de fisión o neutrones rápidos para distinguirlos de los neutrones térmicos de menor energía y los neutrones de alta energía producidos en lluvias cósmicas o aceleradores. Los neutrones rápidos se producen por procesos nucleares como la fisión nuclear . Los neutrones producidos en la fisión, como se señaló anteriormente, tienen una distribución de Maxwell-Boltzmann de energías cinéticas de 0 a ~14 MeV, una energía media de 2 MeV (para neutrones de fisión de ²³⁵ U) y una moda de solo 0,75 MeV, lo que significa que más de la mitad de ellos no califican como rápidos (y, por lo tanto, casi no tienen posibilidades de iniciar la fisión en materiales fértiles , como ²³⁸ U y ²³² Th).

Los neutrones rápidos pueden convertirse en neutrones térmicos mediante un proceso llamado moderación. Esto se hace con un moderador de neutrones . En los reactores, normalmente se utiliza agua pesada , agua ligera o grafito para moderar los neutrones.

Neutrones de fusión

La velocidad de la reacción de fusión aumenta rápidamente con la temperatura hasta alcanzar su máximo y luego disminuye gradualmente. La velocidad D–T alcanza su punto máximo a una temperatura más baja (alrededor de 70 keV u 800 millones de kelvin) y a un valor más alto que el de otras reacciones que se consideran comúnmente como energía de fusión.

La fusión D–T ( deuterio – tritio ) es la reacción de fusión que produce los neutrones más energéticos, con 14,1  MeV de energía cinética y viajando al 17% de la velocidad de la luz . La fusión D–T es también la reacción de fusión más fácil de encender, alcanzando velocidades cercanas a las máximas incluso cuando los núcleos de deuterio y tritio tienen solo una milésima parte de la energía cinética de los 14,1 MeV que se producirán.

Los neutrones de 14,1 MeV tienen aproximadamente 10 veces más energía que los neutrones de fisión, y son muy eficaces para fisionar incluso núcleos pesados ​​no fisionables . Estas fisiones de alta energía también producen más neutrones en promedio que las fisiones de neutrones de menor energía. Por lo tanto, las fuentes de neutrones de fusión D-T, como los reactores de potencia tokamak propuestos, son útiles para la transmutación de desechos transuránicos. Los neutrones de 14,1 MeV también pueden producir neutrones al desprenderlos de los núcleos .

Por otra parte, es menos probable que estos neutrones de muy alta energía sean capturados sin causar fisión o espalación . Por estas razones, el diseño de armas nucleares utiliza ampliamente neutrones de fusión D-T de 14,1 MeV para causar más fisión . Los neutrones de fusión pueden causar fisión en materiales ordinariamente no fisionables, como el uranio empobrecido (uranio-238), y estos materiales se han utilizado en las camisas de armas termonucleares . Los neutrones de fusión también pueden causar fisión en sustancias que no son adecuadas o que son difíciles de convertir en bombas de fisión primaria, como el plutonio de grado reactor . Por lo tanto, este hecho físico hace que los materiales ordinarios que no son de grado armamentístico se conviertan en motivo de preocupación en ciertas discusiones y tratados sobre proliferación nuclear .

Otras reacciones de fusión producen neutrones mucho menos energéticos. La fusión D–D produce un neutrón de 2,45 MeV y helio-3 la mitad del tiempo y produce tritio y un protón, pero ningún neutrón, el resto del tiempo. La fusión D– ^3He no produce ningún neutrón.

Neutrones de energía intermedia

Flujo de transmutación en un reactor de agua ligera , que es un reactor de espectro térmico

Un neutrón de energía de fisión que ha perdido velocidad pero aún no ha alcanzado energías térmicas se denomina neutrón epitermal.

Las secciones transversales de las reacciones de captura y fisión suelen tener múltiples picos de resonancia a energías específicas en el rango de energía epitermal. Estos son de menor importancia en un reactor de neutrones rápidos , donde la mayoría de los neutrones se absorben antes de desacelerarse a este rango, o en un reactor térmico bien moderado , donde los neutrones epitermales interactúan principalmente con núcleos moderadores, no con nucleidos actínidos fértiles o fisionables . Pero en un reactor parcialmente moderado con más interacciones de neutrones epitermales con núcleos de metales pesados, existen mayores posibilidades de cambios transitorios en la reactividad que podrían dificultar el control del reactor.

Las proporciones de reacciones de captura a reacciones de fisión también son peores (más capturas sin fisión) en la mayoría de los combustibles nucleares, como el plutonio-239 , lo que hace que los reactores de espectro epitermal que utilizan estos combustibles sean menos deseables, ya que las capturas no solo desperdician el neutrón capturado, sino que también suelen dar como resultado un nucleido que no es fisionable con neutrones térmicos o epitermales, aunque todavía fisionable con neutrones rápidos. La excepción es el uranio-233 del ciclo del torio , que tiene buenas proporciones de captura-fisión en todas las energías de neutrones.

Neutrones de alta energía

Los neutrones de alta energía tienen mucha más energía que los neutrones de energía de fisión y se generan como partículas secundarias mediante aceleradores de partículas o en la atmósfera a partir de rayos cósmicos . Estos neutrones de alta energía son extremadamente eficientes en la ionización y tienen muchas más probabilidades de causar la muerte celular que los rayos X o los protones. ^{[139] [140]}

Véase también

• Radiación ionizante
• Isótopo
• Lista de partículas
• Radiación de neutrones y escala de radiación Sievert
• Neutronio
• Reacción nuclear
• Nucleosíntesis
  • Nucleosíntesis por captura de neutrones
  • Proceso R
  • Proceso S
• Reactor de neutrones térmicos

Fuentes de neutrones

• Generador de neutrones
• Fuente de neutrones

Procesos que involucran neutrones

• Bomba de neutrones
• Difracción de neutrones
• Flujo de neutrones
• Imágenes de neutrones
• Transporte de neutrones
• Datación por radionúclidos cosmogénicos

Referencias

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