Neutrón
Definición
 El contenido del quark del neutrón. La asignación de color de los quarks individuales es arbitraria, pero los tres colores deben estar presentes. Las fuerzas entre los quarks están mediadas por gluones. | |
Las propiedades químicas y nucleares del núcleo están determinadas por el número de protones, llamado número atómico, y el número de neutrones, llamado número de neutrones. El número de masa atómica es el número total de nucleones. Por ejemplo, el carbono tiene el número atómico 6, y su abundante isótopo de carbono 12 tiene 6 neutrones, mientras que su raro isótopo de carbono 13 tiene 7 neutrones. Algunos elementos ocurren en la naturaleza con solo un isótopo estable, como el flúor. Otros elementos ocurren con muchos isótopos estables, como el estaño con diez isótopos estables.
Dentro del núcleo, los protones y los neutrones están unidos a través de la fuerza nuclear. Se requieren neutrones para la estabilidad de los núcleos, con la excepción del átomo de hidrógeno de un solo protón. Los neutrones se producen copiosamente en fisión nuclear y fusión. Son los principales contribuyentes a la nucleosíntesis de los elementos químicos dentro de las estrellas a través de la fisión, la fusión y los procesos de captura de neutrones.
El neutrón es esencial para la producción de energía nuclear. En la década posterior al descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932, se utilizaron neutrones para inducir muchos tipos diferentes de transmutaciones nucleares. Con el descubrimiento de la fisión nuclear en 1938, rápidamente se dio cuenta de que, si un evento de fisión producía neutrones, cada uno de estos neutrones podría causar más eventos de fisión, etc., en una cascada conocida como reacción nuclear en cadena. Estos eventos y hallazgos condujeron al primer reactor nuclear autosostenible (Chicago Pile-1, 1942) y la primera arma nuclear (Trinity, 1945).
Los neutrones libres, aunque no ionizan directamente los átomos, causan radiación ionizante. Como tales, pueden ser un riesgo biológico, dependiendo de la dosis. Existe un pequeño flujo natural de "neutrones de fondo" de neutrones libres en la Tierra, causado por las lluvias de rayos cósmicos, y por la radiactividad natural de los elementos espontáneamente fisionables en la corteza terrestre. 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 la irradiación y en experimentos de dispersión de neutrones.
Descripción
Los núcleos atómicos están formados por una serie de protones, Z el número atómico y una cantidad de neutrones, N el número de neutrones, unidos por la fuerza nuclear. El número atómico define las propiedades químicas del átomo, y el número de neutrones determina el isótopo o núclido. Los términos isótopo y núclido a menudo se usan como sinónimos, pero se refieren a propiedades químicas y nucleares, respectivamente. Estrictamente hablando, los isótopos son dos o más núclidos con el mismo número de protones; Los núclidos con el mismo número de neutrones se llaman isotones. El número de masa atómica, símbolo A, es igual a Z + N. Los nucleidos con el mismo número de masa atómica se llaman isobaras. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (con el símbolo químico H) es un protón solitario. Los núcleos de los isótopos de hidrógeno pesados deuterio (D o H) y tritio (T o H) contienen un protón unido a uno y dos neutrones, respectivamente. Todos los otros tipos de núcleos atómicos están compuestos de dos o más protones y varios números de neutrones. El núclido más común del plomo del elemento químico común, Pb, tiene 82 protones y 126 neutrones, por ejemplo. La tabla de nucleidos comprende todos los núclidos conocidos. Aunque no es un elemento químico, el neutrón está incluido en esta tabla.
El neutrón libre tiene una masa de 939,565,413.3 eV / c, o 1,674 927 471 × 10 kg , o 1.008 664 915 88 u . El neutrón tiene un radio cuadrado medio de aproximadamente 0.8 × 10 m , o 0.8 fm, y es un spin-½ fermión. El neutrón no tiene carga eléctrica mensurable. 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. El neutrón tiene un momento magnético, sin embargo, por lo que el neutrón está influenciado por campos magnéticos. El momento magnético del neutrón tiene un valor negativo, porque su orientación es opuesta al giro del neutrón.
Un neutrón libre es inestable, se descompone en un protón, electrón y antineutrino con una vida útil media de poco menos de 15 minutos ( 881,5 ± 1,5 s ). Esta desintegración radiactiva, conocida como desintegración beta, es posible porque la masa del neutrón es ligeramente mayor que el protón. El protón libre es estable. Los neutrones o protones unidos en un núcleo pueden ser estables o inestables, dependiendo del nucleido. La descomposición beta, en la cual los neutrones se descomponen en protones, o viceversa, se rige por la fuerza débil, y requiere la emisión o absorción de electrones y neutrinos, o sus antipartículas.
Los protones y los neutrones se comportan casi de manera idéntica bajo la influencia de la fuerza nuclear dentro del núcleo. El concepto de isospín, en el cual el protón y el neutrón son vistos como dos estados cuánticos de la misma partícula, se usa para modelar las interacciones de los nucleones por las fuerzas nucleares o débiles. Debido a la fuerza de la fuerza nuclear en distancias cortas, la energía de enlace de los nucleones es más de siete órdenes de magnitud mayor que la energía electromagnética que une los electrones en los átomos. Las reacciones nucleares (como la fisión nuclear) tienen, por lo tanto, una densidad de energía que es más de diez millones de veces la de las reacciones químicas. Debido a la equivalencia de masa-energía, las energías de unión nuclear suman o restan de la masa de núcleos. Por último, 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 posible los reactores nucleares o las bombas. En la fisión nuclear, la absorción de un neutrón por un nucleido pesado (p. Ej., Uranio-235) hace que el núclido se vuelva inestable y se rompa en núclidos ligeros y neutrones adicionales. Los nucleidos ligeros cargados positivamente se repelen, liberando energía del potencial electromagnético.
El neutrón se clasifica como un hadrón , porque es una partícula compuesta hecha de quarks. El neutrón también se clasifica como barión , porque está compuesto por tres quarks de valencia. El tamaño finito del neutrón y su momento magnético indican que el neutrón es una partícula compuesta, en lugar de ser una partícula elemental. Un neutrón contiene dos quarks hacia abajo con carga - / 3 e y un quark hacia arriba con carga + / 3 e .
Al igual que los protones, los quarks del neutrón se mantienen unidos por la fuerza fuerte, mediada por gluones. La fuerza nuclear es el resultado de los efectos secundarios de la fuerza fuerte más fundamental.
Descubrimiento
La historia del descubrimiento del neutrón y sus propiedades es fundamental para los extraordinarios desarrollos en física atómica que ocurrieron en la primera mitad del siglo XX, y que finalmente condujeron a la bomba atómica en 1945. En el modelo 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, Rutherford sugirió que el núcleo consistía en protones positivos y partículas con carga neutra, que se sugería que era un protón y un electrón unido de alguna manera. Se suponía que los electrones residían dentro del núcleo porque se sabía que la radiación beta consistía en electrones emitidos por el núcleo. Rutherford llamó neutrones aestas partículas sin carga , por 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 ). Sin embargo, las referencias a la palabra neutrón en relación con el átomo se pueden encontrar en la literatura desde 1899.
A lo largo de la década de 1920, los físicos asumieron que el núcleo atómico estaba compuesto de protones y "electrones nucleares", pero había problemas obvios. Fue difícil conciliar el modelo de protones y electrones para los núcleos con la relación de incertidumbre de Heisenberg de la mecánica cuántica. La paradoja de Klein, descubierta por Oskar Klein en 1928, presentó otras objeciones mecánicas cuánticas a la noción de un electrón confinado dentro de un núcleo. Las propiedades observadas de los átomos y las moléculas fueron inconsistentes con el espín nuclear esperado de la hipótesis del protón-electrón. Dado que tanto los protones como los electrones tienen un giro intrínseco de ½ ħ , no hay forma de organizar un número impar de giros ± ½ ħ para dar un número entero de giro de ħ . Los núcleos con spin entero son comunes, por ejemplo, N.
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 supusieron que era radiación gamma. Al año siguiente, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot-Curie en París demostraron que si esta radiación "gamma" caía sobre la parafina o cualquier otro compuesto que contenga hidrógeno, expulsaba protones de muy alta energía. Ni Rutherford ni James Chadwick en el Laboratorio Cavendish en Cambridge fueron convencidos por la interpretación de rayos gamma. Chadwick realizó rápidamente una serie de experimentos que demostraron que la nueva radiación consistía en partículas descargadas con aproximadamente la misma masa que el protón. Estas partículas fueron neutrones.
Los modelos para el núcleo atómico que consiste en protones y neutrones fueron desarrollados rápidamente por Werner Heisenberg y otros. El modelo de protones y neutrones explicaba el rompecabezas de los giros nucleares. Los orígenes de la radiación beta fueron explicados por Enrico Fermi en 1934 por el proceso de desintegración beta, en el que el neutrón se descompone en un protón al crear un electrón y un neutrino (aún no descubierto). En 1935 Chadwick y su estudiante de doctorado Maurice Goldhaber, informaron la primera medición precisa de la masa del neutrón.
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 reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos" . En 1938, Otto Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear o el fraccionamiento de los núcleos de uranio en elementos ligeros, inducidos por el bombardeo de neutrones. En 1945, Hahn recibió el Premio Nobel de Química de 1944 "por su descubrimiento de la fisión de núcleos atómicos pesados". El descubrimiento de la fisión nuclear conduciría al desarrollo de la energía nuclear y la bomba atómica para el final de la Segunda Guerra Mundial.
Descomposición beta y la estabilidad del núcleo
Bajo el Modelo Estándar de física de partículas, el único modo de disminución posible para el neutrón que conserva el número de bariones es que uno de los quarks de neutrones cambie el sabor a través de la interacción débil. La desintegración de uno de los quarks descendentes del neutrón en un quark 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 descompone en un protón (que contiene un quark de abajo y dos de arriba), un electrón y un antineutrino de electrones.
Dado que los protones que interactúan tienen una repulsión electromagnética mutua que es más fuerte que su atractiva interacción nuclear, los neutrones son un componente necesario de cualquier núcleo atómico que contenga más de un protón (ver relación diprotón y neutrón-protón). Los neutrones se unen con protones y entre sí en el núcleo a través de la fuerza nuclear, moderando eficazmente las fuerzas de repulsión entre los protones y estabilizando el núcleo.
Decaimiento de neutrones libre
Fuera del núcleo, los neutrones libres son inestables y tienen una vida media de 881,5 ± 1,5 s (alrededor de 14 minutos, 42 segundos); por lo tanto, la vida media de este proceso (que difiere de la duración media en un factor de ln (2) = 0.693 ) es 611.0 ± 1.0 s (alrededor de 10 minutos, 11 segundos). La desintegración beta del neutrón, descrita anteriormente, se puede denotar por la desintegración radiactiva:
- n 0 → p + + e - + νmi
dónde
p +
,
e -
y
ν
e denotan protón, electrón y electrón antineutrino, respectivamente. Para el neutrón libre, la energía de desintegración para este proceso (basada en las masas de neutrones, protones y electrones) es 0.782343 MeV. La energía máxima del electrón de desintegración beta (en el proceso en el que el neutrino recibe una cantidad de energía cinética extremadamente pequeña) se ha medido a 0.782 ± 0.013 MeV. Este último número no se mide lo suficiente como para determinar la masa de reposo relativamente pequeña del neutrino (que en teoría debe restarse de la energía cinética máxima del electrón), así como la masa de neutrinos está limitada por muchos otros métodos.
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,
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Una pequeña fracción (aproximadamente uno en 1000) de neutrones libres se descompone con los mismos productos, pero agrega una partícula extra en forma de un rayo gamma emitido:
- n 0 → p + + e - + νe + γ
Se puede pensar que este rayo gamma es una especie de "bremsstrahlung interno" que surge cuando la partícula beta emitida interactúa con la carga del protón de forma electromagnética. La producción de rayos gamma bremsstrahlung internos también es una característica menor de las desintegraciones beta de los neutrones ligados (como se explica más adelante).
Una minoría muy pequeña de las desintegraciones de neutrones (alrededor de cuatro por millón) son las llamadas "desintegraciones de dos cuerpos (neutrones)", en las que se producen un protón, un electrón y un antineutrino, pero el electrón no puede obtener los 13,6 eV necesarios. energía para escapar del protón (la energía de ionización del hidrógeno) y, por lo tanto, simplemente permanece unido a ella como un átomo de hidrógeno neutro (uno de los "dos cuerpos"). En este tipo de descomposición de neutrones libres, casi toda la energía de decaimiento de los neutrones es transportada por el antineutrino (el otro "cuerpo"). (El átomo de hidrógeno retrocede con una velocidad de solo aproximadamente (energía de desintegración) / (energía de reposo de hidrógeno) multiplicada por la velocidad de la luz, o 250 km / s).
La transformación de un protón libre en un neutrón (más un positrón y un neutrino) es energéticamente imposible, ya que un neutrón libre tiene una masa mayor que un protón libre. Pero una colisión de alta energía de un protón y un electrón o neutrino puede resultar en un neutrón.
Decaimiento de neutrones unidos
Mientras que un neutrón libre tiene una vida media de aproximadamente 10.2 minutos, la mayoría de los neutrones dentro de los núcleos son estables. De acuerdo con el modelo de caparazón nuclear, los protones y neutrones de un núclido son un sistema mecánico cuántico organizado en niveles de energía discretos con números cuánticos únicos. Para que un neutrón se descomponga, el protón resultante requiere un estado disponible a una energía más baja que el estado neutrónico inicial. En núcleos estables, los posibles estados de energía más bajos están todos llenos, lo que significa que están ocupados por dos protones con giro hacia arriba y giro hacia abajo. El principio de exclusión de Pauli, por lo tanto, no permite la descomposición de un neutrón en un protón dentro de núcleos estables. La situación es similar a los electrones de un átomo, donde los electrones tienen orbitales atómicos distintos y se les impide que se descompongan a estados de energía más bajos, con la emisión de un fotón, por el principio de exclusión.
Los neutrones en núcleos inestables pueden decaer por desintegración beta como se describió anteriormente. En este caso, un estado cuántico energéticamente permitido está disponible para el protón resultante de la descomposición. Un ejemplo de esta descomposición es el carbono-14 (6 protones, 8 neutrones) que se descompone en nitrógeno-14 (7 protones, 7 neutrones) con una vida media de alrededor de 5.730 años.
Dentro de un núcleo, un protón puede transformarse en un neutrón a través de la desintegración beta inversa, si un estado cuántico energéticamente permitido está disponible para el neutrón. Esta transformación ocurre por la emisión de un positrón y un electrón neutrino:
- p + → n 0 + e + + νmi
La transformación de un protón en un neutrón dentro de un núcleo también es posible a través de la captura de electrones:
- p + + e - → n 0 + νmi
La captura de positrones por neutrones en núcleos que contienen un exceso de neutrones también es posible, pero se ve obstaculizada porque los positrones son repelidos por el núcleo positivo y rápidamente se aniquilan cuando encuentran electrones.
Concurso de tipos de desintegración beta
El isótopo cobre-64 (29 protones, 35 neutrones), que tiene una vida media de aproximadamente 12,7 horas, ilustra tres tipos de descomposición beta en competición. Este isótopo tiene un protón desapareado y un neutrón no emparejado, por lo que el protón o el neutrón pueden descomponerse. Este núclido en particular tiene casi la misma probabilidad de sufrir descomposición de protones (por emisión de positrones, 18% o por captura de electrones, 43%) o por decaimiento de neutrones (por emisión de electrones, 39%).
Propiedades intrinsecas
Masa
La masa de un neutrón no se puede determinar directamente por espectrometría de masas debido a la falta de carga eléctrica. Sin embargo, dado que las masas de un protón y de un deuterón pueden medirse con un espectrómetro de masas, la masa de un neutrón puede deducirse restando la masa de protones de la masa del deuterón, con la diferencia de la masa del neutrón más la energía de unión de deuterio (expresado como energía emitida positiva). Este último se puede medir directamente midiendo la energía ( ) del único fotón gamma MeV 0,7822 emitido cuando los protones capturan neutrones (esto es exotérmico y ocurre con neutrones de energía cero), más la energía cinética de retroceso pequeña ( ) del deuterón (aproximadamente 0.06% de la energía total).
La energía del rayo gamma se puede medir con alta precisión mediante técnicas de difracción de rayos X, como lo hicieron Bell y Elliot en 1948. Greene, et al proporcionan los mejores valores modernos (1986) para la masa de neutrones mediante esta técnica. . Estos dan una masa de neutrones de:
- m neutrón = 1.008 644 904 (14) u
El valor de la masa de neutrones en MeV se conoce con menos precisión, debido a la menor precisión en la conversión conocida de u a MeV:
- m neutrón = 939.565 63 (28) MeV / c .
Otro método para determinar la masa de un neutrón comienza a partir de la desintegración beta del neutrón, cuando se miden los momentos del protón y el electrón resultantes.
Carga eléctrica
La carga eléctrica total del neutrón es 0 e . Este valor cero ha sido probado de forma experimental, y el límite experimental presentes en la carga del neutrón es -2 (8) × 10 e , o -3 (13) × 10 C . Este valor es consistente con cero, dadas las incertidumbres experimentales (indicadas entre paréntesis). En comparación, la carga del protón es +1 e .
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 se ve afectado por los campos magnéticos. El momento magnético del neutrón es una indicación de su subestructura de quark y distribución de carga interna. El valor para el momento magnético del neutrón fue medido directamente por Luis Alvarezand Felix Bloch en Berkeley, California, en 1940, utilizando una extensión de los métodos de resonancia magnética desarrollados por Rabi. Alvarez y Bloch determinaron que el momento magnético del neutrón es μ n = -1.93 (2) μ N , donde μ N es el magnetón nuclear.
En el modelo de quark para hadrones, el neutrón está compuesto por un quark up (carga +2/3 e ) y dos quarks down (carga -1/3 e ). El momento magnético del neutrón se puede modelar como una suma de los momentos magnéticos de los quarks constituyentes. El cálculo supone que los quarks se comportan como partículas puntuales de Dirac, cada una teniendo su propio momento magnético. De forma simplista, el momento magnético del neutrón puede verse como resultado de la suma del vector de los tres momentos magnéticos del quark, más los momentos magnéticos orbitales causados por el movimiento de los tres quarks cargados dentro del neutrón.
En uno de los primeros éxitos de la teoría del Modelo Estándar (SU (6), ahora entendida en términos del comportamiento de los quarks), en 1964, Mirza AB Beg, Benjamin W. Lee y Abraham Pais calcularon teóricamente la relación de protones a momentos magnéticos de neutrones. ser -3/2, que concuerda con el valor experimental dentro del 3%. El valor medido para esta relación es -1.459 898 05 (34) . Una contradicción de la base mecánica cuántica de este cálculo con el principio de exclusión de Pauli, condujo al descubrimiento de la carga de color para los quarks por Oscar W. Greenberg en 1964.
El tratamiento anterior compara neutrones con protones, lo que permite restar el complejo comportamiento de los quarks entre los modelos, y meramente explorar cuáles serían los efectos de diferentes cargas de quarks (o tipo de quark). Dichos cálculos son suficientes para mostrar que el interior de los neutrones es muy parecido al de los protones, salvo por la diferencia en la composición de los quarks con un quark abajo en el neutrón reemplazando un quark arriba en el protón.
Se han realizado intentos para recuperar cuantitativamente el momento magnético de neutrones a partir de los primeros principios. A partir de la función de onda de la mecánica cuántica no relativista para bariones compuesta de tres quarks, un cálculo directo proporciona estimaciones bastante precisas para los momentos magnéticos de neutrones, protones y otros bariones. Para un neutrón, el resultado final de este cálculo es que el momento magnético del neutrón viene 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 abajo y arriba, 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 particular y dominante.
| Baryon | Momento magnético del modelo quark | Computado ( ) | Observado ( ) |
|---|---|---|---|
| pag | 4/3 μ u - 1/3 μ d | 2.79 | 2.793 |
| norte | 4/3 μ d - 1/3 μ u | -1.86 | -1.913 |
Los resultados de este cálculo son alentadores, pero se supuso que las masas de los quarks hacia arriba o hacia abajo eran 1/3 de la masa de un nucleón. Las masas de los quarks son en realidad solo alrededor del 1% de un nucleón. La discrepancia proviene de 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. Además, el complejo sistema de quarks y gluones que constituye un neutrón requiere un tratamiento relativista. El momento magnético nucleón se ha calculado con éxito numéricamente a partir de los primeros principios, sin embargo, incluidos todos los efectos mencionados y utilizando valores más realistas para las masas de quark. El cálculo dio resultados que estuvieron de acuerdo con la medición,
Girar
El neutrón es una partícula de espín 1/2, es decir, es un fermión con un momento angular intrínseco igual a 1/2 ħ , donde ħ es la constante reducida de Planck. Durante muchos años después del descubrimiento del neutrón, su giro exacto fue ambiguo. Aunque se suponía que era una partícula Spin 1/2 Dirac, persistía la posibilidad de que el neutrón fuera una partícula 3/2 de espín. Las interacciones del momento magnético del neutrón con un campo magnético externo se explotaron para determinar finalmente el giro del neutrón. En 1949, Hughes y Burgy midieron los neutrones reflejados desde un espejo ferromagnético y encontraron que la distribución angular de los reflejos era consistente con el espín 1/2. 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 neutrones. Grabaron dos estados de giro de este tipo, consistentes con una partícula de espín 1/2.
Como fermión, el neutrón está sujeto al principio de exclusión de Pauli; dos neutrones no pueden tener los mismos números cuánticos. Esta es la fuente de la presión de degeneración que hace posible las estrellas de neutrones.
Estructura y geometría de distribución de carga
Un artículo publicado en 2007 con un análisis independiente del modelo concluyó que el neutrón tiene un exterior con carga negativa, un centro con carga positiva y un núcleo con carga negativa. 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. (Sin embargo, la principal atracción entre neutrones y protones es a través de la fuerza nuclear, que no implica carga).
La vista clásica simplificada de la distribución de carga del neutrón también "explica" el hecho de que el dipolo magnético de neutrones apunta en la dirección opuesta a su vector de momento angular de giro (en comparación con el protón). Esto le da al neutrón, en efecto, un momento magnético que se asemeja a una partícula cargada negativamente. Esto puede conciliarse clásicamente con un neutrón neutro compuesto por una distribución de carga en la que las subpartes negativas del neutrón tienen un radio medio de distribución mayor y, por lo tanto, contribuyen más al momento dipolar magnético de la partícula que las partes positivas que son , 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. El valor predicho está, sin embargo, muy por debajo de la sensibilidad actual de los experimentos. De varios acertijos no resueltos 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 de neutrones finitos, que incluye:
- Experimento de EDM de neutrones criogénicos se está instalando en el Institut Laue-Langevin
- Experimento nEDM en construcción en la nueva fuente de UCN en el Instituto Paul Scherrer
- experimento nEDM previsto en la Fuente de Neutrones de la Spallation
- Experimento nEDM que se está construyendo en el Institut Laue-Langevin
Anti-neutrón
El antineutrón es la antipartícula del neutrón. Fue descubierto por Bruce Cork en el año 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 rendimientos de antineutrones proporciona pruebas rigurosas sobre la simetría CPT. La diferencia fraccional en las masas del neutrón y el antineutrón es (9 ± 6) × 10 . Dado que la diferencia está a solo dos desviaciones estándar de cero, esto no proporciona ninguna evidencia convincente de violación de CPT.
Compuestos de neutrones
Dineutrones y tetraneutrones
La existencia de grupos estables de 4 neutrones, o tetraneutrones, ha sido hipotetizada por un equipo dirigido por Francisco-Miguel Marqués en el Laboratorio de Física Nuclear del CNRS basado en observaciones de la desintegración de núcleos de berilio-14. Esto es particularmente interesante porque la teoría actual sugiere que estos conglomerados no deberían ser estables.
En febrero de 2016, el físico japonés Susumu Shimoura de la Universidad de Tokio y sus colaboradores informaron que habían observado los supuestos tetraneutrones por primera vez de forma experimental. Físicos nucleares de todo el mundo dicen que este descubrimiento, de ser confirmado, sería un hito en el campo de la física nuclear y ciertamente profundizaría nuestra comprensión de las fuerzas nucleares.
El dinetrón es otra partícula hipotética. En 2012, Artemis Spyrou de la Universidad Estatal de Michigan y sus colegas informaron que observaron, por primera vez, la emisión de dineutrón en la descomposición de Be. El carácter dinetrón se evidencia por un pequeño ángulo de emisión entre los dos neutrones. Los autores midieron que la energía de separación de dos neutrones era de 1,35 (10) MeV, de acuerdo con los cálculos del modelo de carcasa, usando interacciones estándar para esta región de masa.
Estrellas de neutrones y neutrones
A presiones y temperaturas extremadamente altas, se cree que los nucleones y los electrones colapsan en materia neutrónica a granel, llamada neutronio. Se presume que esto ocurre en estrellas de neutrones.
La presión extrema dentro de una estrella de neutrones puede deformar los neutrones en una simetría cúbica, lo que permite un relleno más apretado de los neutrones.
Detección
El medio común de detectar una partícula cargada buscando una pista de ionización (como en una cámara de niebla) no funciona para los neutrones directamente. Los neutrones que se dispersan elásticamente en átomos pueden crear una pista de ionización que es detectable, pero los experimentos no son tan simples de llevar a cabo; otros medios para detectar neutrones, que consiste en permitirles interactuar con los núcleos atómicos, son los más comúnmente utilizados. Los métodos comúnmente utilizados para detectar neutrones pueden clasificarse según los procesos nucleares en los que se basa, principalmente el capturador de neutrones o la dispersión elástica.
Detección de neutrones por 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 núclidos tienen una gran sección transversal de captura de neutrones, que es la probabilidad de absorber un neutrón. Tras la captura de neutrones, el núcleo compuesto emite radiación más fácilmente detectable, por ejemplo, una partícula alfa, que luego se detecta. Los núclidos 3
Él
, 6
Li
, 10
segundo
, 233
U
, 235
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Notario público
y 239
Pu
son útiles para este propósito.
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Detección de neutrones por dispersión elástica
Los neutrones pueden dispersarse elásticamente de los núcleos, causando que el núcleo golpeado retroceda. Cinemáticamente, un neutrón puede transferir más energía a un núcleo ligero como hidrógeno o helio que a un núcleo más pesado. Los detectores que dependen de la dispersión elástica se llaman detectores de neutrones rápidos. Los núcleos que retroceden pueden ionizarse y excitar átomos adicionales a través de colisiones. La luz de carga y / o centelleo producida de esta manera se puede recoger para producir una señal detectada. Un desafío importante en la detección de neutrones rápidos es discernir tales señales a partir de señales erróneas producidas por radiación gamma en el mismo detector.
Los detectores rápidos de neutrones 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 tienen la vida media más larga de cualquier partícula subatómica inestable en varios órdenes de magnitud. Sin embargo, su vida media todavía es de solo 10 minutos, por lo que solo pueden obtenerse de fuentes que los producen continuamente.
Fondo de neutrones naturales. Un pequeño flujo de fondo natural de neutrones libres existe en todas partes en la Tierra. En la atmósfera y en las profundidades del océano, el "fondo de neutrones" es causado por los 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, en llamativos 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 de uranio y torio presente en los minerales de la corteza. El fondo de neutrones no es lo suficientemente fuerte como para ser un riesgo biológico, pero es de importancia para los detectores de partículas de muy alta resolución que buscan eventos muy raros, tales como interacciones (hipotéticas) que pueden ser causadas por partículas de materia oscura. Investigaciones recientes han demostrado que incluso las tormentas eléctricas pueden producir neutrones con energías de hasta varias decenas de MeV. Investigaciones recientes han demostrado que la fluencia de estos neutrones se encuentra entre 10 y 10 por ms y por m, 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.
Incluso la radiación de fondo de neutrones más fuerte se produce en la superficie de Marte, donde la atmósfera es lo suficientemente gruesa como para generar neutrones a partir de la producción de muones de rayos cósmicos y espalación de neutrones, pero no lo suficientemente gruesa para proporcionar una protección significativa de los neutrones producidos. Estos neutrones no solo producen un peligro de radiación de neutrones en la superficie marciana debido a la radiación directa de neutrones descendentes, sino que también pueden producir un peligro significativo por la reflexión de neutrones de la superficie marciana, que producirán radiación de neutrones reflejada que penetrará hacia una nave o hábitat marciano del piso.
Fuentes de neutrones para investigación. Estos incluyen ciertos tipos de desintegración radiactiva (fisión espontánea y emisión de neutrones) y de ciertas reacciones nucleares. Las reacciones nucleares convenientes incluyen reacciones de mesa como el bombardeo alfa y gamma natural de ciertos núclidos, a menudo berilio o deuterio, y la fisión nuclear inducida, como ocurre en los reactores nucleares. Además, las reacciones nucleares de alta energía (como las que ocurren en las duchas de radiación cósmica o las colisiones de los aceleradores) también producen neutrones por la desintegración de los núcleos objetivo. Los aceleradores de partículas pequeños (de mesa) optimizados para producir neutrones libres de esta manera, se denominan generadores de neutrones.
En la práctica, las fuentes de neutrones de laboratorio más pequeñas que se usan con mayor frecuencia usan la desintegración radiactiva para potenciar la producción de neutrones. Uno notó un radioisótopo productor de neutrones, el californio-252 se descompone (vida media 2,65 años) por fisión espontánea el 3% del tiempo con producción de 3,7 neutrones por fisión, y se usa solo como fuente de neutrones de este proceso. Las fuentes de reacciones nucleares (que involucran dos materiales) alimentadas por radioisótopos usan una fuente de decaimiento alfa más un objetivo de berilio, o una fuente de radiación gamma de alta energía de una fuente que sufre desintegración beta seguida de desintegración gamma, que produce fotonutrientes en la interacción del rayos gamma de alta energía con berilio estable ordinario, o bien con el deuterio en agua pesada. Una fuente popular del último tipo es el antimonio radiactivo 124 más berilio, un sistema con una vida media de 60.
Los reactores de fisión nuclear producen naturalmente neutrones libres; su papel es sostener la reacción en cadena productora de energía. La intensa radiación de neutrones también se puede usar para producir varios radioisótopos a través del proceso de activación de neutrones, que es un tipo de captura de neutrones.
Los reactores de fusión nuclear experimentales producen neutrones libres como producto de desecho. Sin embargo, son estos neutrones los que poseen la mayor parte de la energía, y la conversión de esa energía a una forma útil ha demostrado ser un desafío de ingeniería difícil. Es probable que los reactores de fusión que generan neutrones generen desechos radiactivos, pero los desechos se componen de isótopos más ligeros activados por neutrones, que tienen períodos de decaimiento relativamente cortos (50-100 años) en comparación con vidas medias típicas de 10.000 años para desechos de fisión. que es larga debido principalmente a la larga vida media de los actínidos transuránicos emisores de alfa.
Vigas 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 intensas de neutrones, los investigadores deben dirigirse a una instalación especializada de neutrones que opera un reactor de investigación o una fuente de espalación.
La falta de carga eléctrica total del neutrón hace que sea difícil dirigirlos o acelerarlos. Las partículas cargadas pueden ser aceleradas, desaceleradas o desviadas por campos eléctricos o magnéticos. Estos métodos tienen poco efecto sobre los neutrones. Sin embargo, algunos efectos pueden lograrse mediante el uso de campos magnéticos no homogéneos debido al momento magnético del neutrón. Los neutrones se pueden controlar con métodos que incluyen moderación, reflexión y selección de velocidad. Los neutrones térmicos se pueden polarizar mediante la transmisión a través de materiales magnéticos en un método análogo al efecto de 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.
Aplicaciones
El neutrón juega un papel importante en muchas reacciones nucleares. Por ejemplo, la captura de neutrones a menudo da como resultado la activación de neutrones, que induce la radioactividad. 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 es causada por su absorción de neutrones.
La radiación fría , térmica y de neutrones calientes se emplea comúnmente en las instalaciones de dispersión de neutrones, donde la radiación se utiliza de forma similar en que se utilizan los rayos X para el análisis de la materia condensada. Los neutrones son complementarios a este último en términos de contrastes atómicos por diferentes secciones transversales de dispersión; sensibilidad al magnetismo; rango de energía para la espectroscopía de neutrones inelástica; y profunda penetración en la materia.
El desarrollo de "lentes de neutrones" basadas en la reflexión interna total dentro de los tubos capilares de vidrio hueco o mediante la reflexión de placas de aluminio con hoyuelos ha impulsado la investigación en curso en microscopía de neutrones y tomografía de neutrones / rayos gamma.
Un uso principal de los neutrones es excitar los rayos gamma retardados y rápidos de los elementos en los materiales. Esto forma la base del análisis de activación de neutrones (NAA) y el análisis de activación de neutrones gamma (PGNAA). NAA se utiliza con mayor frecuencia para analizar pequeñas muestras de materiales en un reactor nuclear, mientras que PGNAA se utiliza con mayor frecuencia para analizar rocas subterráneas alrededor de perforaciones y materiales a granel industriales en cintas transportadoras.
Otro uso de los emisores de neutrones es la detección de núcleos ligeros, en particular el hidrógeno que se encuentra en las moléculas de agua. Cuando un neutrón rápido colisiona con un núcleo liviano, 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
Debido a que la radiación neutrónica es penetrante e ionizante, puede ser explotada para tratamientos médicos. Sin embargo, la radiación de neutrones puede tener el desafortunado efecto secundario de dejar el área afectada radiactivamente. Por lo tanto, la tomografía de neutrones no es una aplicación médica viable.
La terapia de neutrones rápidos utiliza neutrones de alta energía típicamente más 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 sesiones pequeñas para dañar áreas cancerosas, el tejido normal tendrá tiempo para repararse a sí mismo, mientras que las células tumorales a menudo no pueden. La radiación de neutrones puede suministrar energía a una región cancerosa a un ritmo de un orden de magnitud mayor que la radiación gamma
Los haces de neutrones de baja energía se usan en la terapia de captura de boro para tratar el cáncer. En la terapia de captura de boro, al paciente se le administra un medicamento que contiene boro y que se acumula preferentemente en el tumor al que se va a dirigir. El tumor es luego bombardeado con neutrones de muy baja energía (aunque a menudo más altos que la energía térmica) que son capturados por el boro-10 en el boro, que produce un estado de boro-11 excitado que luego se descompone para producir litio-7 y una partícula alfa que tiene suficiente energía para matar a la célula maligna, pero un alcance insuficiente para dañar las células cercanas. Para que tal terapia se aplique al tratamiento del cáncer, se prefiere una fuente de neutrones que tenga una intensidad del orden de mil millones (10) de neutrones por segundo por cm. Tales flujos requieren un reactor nuclear de investigación.
Proteccion
La exposición a neutrones libres puede ser peligrosa, ya que la interacción de neutrones con moléculas en el cuerpo puede causar la interrupción de moléculas y átomos, y también puede causar reacciones que dan lugar a otras formas de radiación (como protones). Se aplican las precauciones normales de protección radiológica: evite la exposición, manténgase lo más lejos posible de la fuente y mantenga el tiempo de exposición al mínimo. Sin embargo, se debe pensar en particular 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 alto número atómico y con alta densidad constituye un buen blindaje; con frecuencia, se usa plomo. Sin embargo, este enfoque no funcionará con los neutrones, ya que la absorción de neutrones no aumenta directamente con el número atómico, como ocurre con la radiación alfa, beta y gamma. En su lugar, uno necesita observar las interacciones particulares que los neutrones tienen con la materia (ver la sección sobre detección más arriba). Por ejemplo, los materiales ricos en hidrógeno a menudo se usan para protegerse contra los neutrones, ya que el hidrógeno común dispersa y ralentiza los neutrones. Esto a menudo significa que bloques de concreto simples o incluso bloques de plástico cargados con parafina ofrecen una mejor protección de los neutrones que los materiales mucho más densos. Después de reducir la velocidad, 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. Esto a menudo significa que bloques de concreto simples o incluso bloques de plástico cargados con parafina ofrecen una mejor protección de los neutrones que los materiales mucho más densos. Después de reducir la velocidad, 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. Esto a menudo significa que bloques de concreto simples o incluso bloques de plástico cargados con parafina ofrecen una mejor protección de los neutrones que los materiales mucho más densos. Después de reducir la velocidad, 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 corriente rica en hidrógeno afecta la absorción de neutrones en los reactores de fisión nuclear: por lo general, los neutrones se absorben tan fuertemente en el agua normal que se requiere el enriquecimiento del combustible con isótopos fisionables. El deuterio en agua pesada tiene una afinidad de absorción mucho más baja para los neutrones que el protio (hidrógeno ligero normal). El deuterio, por lo tanto, se usa en reactores de tipo CANDU, para ralentizar (moderar) la velocidad de los neutrones, para aumentar la probabilidad de fisión nuclear en comparación con la captura de neutrones.
Temperatura de neutrones
Neutrones térmicos
Un neutrón térmico es un neutrón libre que se distribuye con Boltzmann con kT = 0.0253 eV ( 4.0 × 10 J ) a temperatura ambiente. Esto le da una velocidad característica (no promedio, o 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 impregnando. (ver teoría cinética para energías y velocidades de 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 los neutrones térmicos pueden ser absorbidos más fácilmente (es decir, con mayor probabilidad) por cualquier núcleo atómico con el que colisionan, creando un y a menudo inestable - isótopo del elemento químico como resultado.
La mayoría de los reactores de fisión utilizan un moderador de neutrones para reducir la velocidad o la termalización de los neutrones emitidos por la fisión nuclear, de modo que se capturan más fácilmente y provocan una fisión adicional. Otros, llamados reactores reproductores rápidos, usan neutrones de energía de fisión directamente.
Neutrones fríos
Los neutrones fríos son neutrones térmicos que se han equilibrado en una sustancia muy fría como el deuterio líquido. Tal fuente fría se coloca en el moderador de un reactor de investigación o fuente de espalación. Los neutrones fríos son particularmente valiosos para los experimentos de dispersión de neutrones.
Neutrones ultrafríos
Los neutrones ultrafríos se producen mediante la dispersión elástica de neutrones fríos en sustancias con una temperatura de algunas kelvins, como el deuterio sólido o el helio superfluido. Un método de producción alternativo es la desaceleración mecánica de los neutrones fríos.
Neutrones de energía de fisión
Un neutrón rápido es un neutrón libre con un nivel de energía cinética cercano a 1 MeV ( 1.6 × 10 J ), de ahí una velocidad de ~ 14 000 km / s (~ 5% de la velocidad de la luz). Se llaman energía de fisión o rápido neutrones para distinguirlos de neutrones térmicos de baja energía y neutrones de alta energía producidos en duchas cósmicas o aceleradores. Los neutrones rápidos son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear. Los neutrones producidos en fisión, como se indicó 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 U-235) y un modo de solo 0.75 MeV, lo que significa que más de la mitad de ellos no califican tan rápido (y por lo tanto casi no tienen posibilidades de iniciar la fisión en materiales fértiles, como U-238 y Th-232).
Los neutrones rápidos se pueden convertir en neutrones térmicos a través de un proceso llamado moderación. Esto se hace con un moderador de neutrones. En los reactores, normalmente se usan agua pesada, agua ligera o grafito para moderar los neutrones.
Neutrones 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 también es la reacción de fusión más fácil de encender, alcanzando tasas casi pico incluso cuando los núcleos de deuterio y tritio tienen solo una milésima de energía cinética como los 14.1 MeV que se producirán.
14.1 Los neutrones MeV tienen aproximadamente 10 veces más energía que los neutrones de fisión, y son muy efectivos para fisionar incluso núcleos pesados no fisibles, y estas fisiones de alta energía producen más neutrones en promedio que las fisiones por neutrones de menor energía. Esto hace que las fuentes de neutrones de fusión D-T, como los reactores de potencia Tokamak, sean útiles para la transmutación de residuos transuránicos. 14.1 Los neutrones MeV también pueden producir neutrones al soltarlos de los núcleos.
Por otro lado, estos neutrones de muy alta energía son menos propensos a ser simplemente capturados sin causar fisión o espalación. Por estas razones, el diseño de armas nucleares utiliza ampliamente neutrógenos D-T de fusión 14.1 MeV para causar más fisión. Los neutrones de fusión pueden causar fisión en materiales ordinariamente no fisibles, como el uranio empobrecido (uranio-238), y estos materiales se han utilizado en las chaquetas de armas termonucleares. Los neutrones de fusión también pueden causar fisión en sustancias que son inadecuadas o difíciles de convertir en bombas de fisión primarias, como el plutonio de grado de reactor. Por lo tanto, este hecho físico hace que los materiales ordinarios de grado no armado sean motivo de preocupación en ciertas discusiones y tratados de proliferación nuclear.
Otras reacciones de fusión producen neutrones mucho menos energéticos. La fusión D-D produce 2.45 MeV de neutrones y helio-3 la mitad del tiempo, y produce tritio y un protón pero no neutrones el resto del tiempo. La fusión D-He no produce neutrones.
Neutrones de energía intermedia
Un neutrón de energía de fisión que se ha ralentizado pero aún no ha alcanzado las energías térmicas se llama neutrón epitermal.
Las secciones transversales para las reacciones de captura y de fisión a menudo tienen múltiples picos de resonancia a energías específicas en el rango de energía epitermal. Estos son menos importantes en un reactor de neutrones rápidos, donde la mayoría de los neutrones se absorben antes de disminuir a este rango o en un reactor térmico bien moderado, donde los neutrones epitermales interactúan principalmente con núcleos moderadores, no con actinidenuclides fisibles o fértiles. Sin embargo, en un reactor parcialmente moderado con más interacciones de neutrones epitermales con núcleos de metales pesados, hay mayores posibilidades de cambios transitorios en la reactividad que podrían dificultar el control del reactor.
Las proporciones de las reacciones de captura a las reacciones de fisión también son peores (más capturas sin fisión) en la mayoría de los combustibles nucleares como el plutonio 239, haciendo que los reactores de espectro epitermal que utilizan estos combustibles sean menos deseables, ya que las capturas no solo pierden el neutrón capturado en un núclido que no es fisionable con neutrones térmicos o epitermales, aunque sigue fisionable con neutrones rápidos. La excepción es el uranio-233 del ciclo de torio, que tiene buenas relaciones de captura-fisión con 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 por los aceleradores de partículas o en la atmósfera de los rayos cósmicos. Estos neutrones de alta energía son extremadamente eficientes en la ionización y es mucho más probable que causen la muerte celular que los rayos X o los protones.