¿Qué es el neutrón?

Un neutrón es una de las partículas subatómicas que forman la materia. En el universo, los neutrones son abundantes y constituyen más de la mitad de toda la materia visible. No tiene carga eléctrica y una masa en reposo igual a 1.67493 × 10−27 kg, marginalmente mayor que la del protón, pero casi 1839 veces mayor que la del electrón. El neutrón tiene un radio cuadrado medio de aproximadamente 0.8 × 10−15 m, o 0.8 fm, y es un fermión spin-½.

Los neutrones existen en los núcleos de los átomos típicos, junto con sus homólogos cargados positivamente, los protones. Los neutrones y protones, comúnmente llamados nucleones , están unidos en el núcleo atómico, donde representan el 99.9 por ciento de la masa del átomo. La investigación en física de partículas de alta energía en el siglo XX reveló que ni el neutrón ni el protón son el bloque de construcción más pequeño de la materia. Los protones y los neutrones también tienen su estructura. Dentro de los protones y neutrones, encontramos partículas elementales verdaderas llamadas quarks . Dentro del núcleo, los protones y los neutrones se unen a través de la fuerza fuerte, una interacción fundamental que gobierna el comportamiento de los quarks que forman los protones y neutrones individuales.

La estabilidad nuclear está determinada por la competencia entre dos interacciones fundamentales. Los protones y los neutrones se atraen entre sí a través de una fuerza fuerte. Por otro lado, los protones se repelen entre sí a través de la fuerza eléctrica debido a su carga positiva. Por lo tanto, los neutrones dentro del núcleo actúan de manera similar al pegamento nuclear, los neutrones se atraen entre sí y a los protones, lo que ayuda a compensar la repulsión eléctrica entre protones. Solo hay ciertas combinaciones de neutrones y protones, que forman núcleos estables. Por ejemplo, el nucleido más común del elemento químico común plomo (Pb) tiene 82 protones y 126 neutrones.

Curva de energía de unión nuclear.
Curva de energía de unión nuclear.
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Debido a la fuerza de la fuerza nuclear a distancias cortas , la energía de unión nuclear (la energía requerida para desmontar un núcleo de un átomo en sus partes componentes) de los nucleones es más de siete órdenes de magnitud mayor que la energía electromagnética que une los electrones en los átomos. . Por lo tanto, las reacciones nucleares (como la fisión nuclear o la fusión nuclear ) tienen una densidad de energía que es más de 10 000 000 veces mayor que la de las reacciones químicas.
El conocimiento del comportamiento y las propiedades de los neutrones es esencial para la producción de energía nuclear . Poco después de que se descubriera el neutrón en 1932, se dio cuenta rápidamente de que los neutrones podrían actuar para formar una reacción nuclear en cadena . Cuando se descubrió la fisión nuclear en 1938, quedó claro que, si una reacción de fisión producía neutrones libres , cada uno de estos neutrones podría causar una mayor reacción de fisión en una cascada conocida como reacción en cadena . El conocimiento de las secciones transversales (el parámetro clave que representa la probabilidad de interacción entre un neutrón y un núcleo) se volvió crucial para el diseño de núcleos de reactores y el primer arma nuclear (Trinity, 1945).

Estructura del neutrón

Estructura de quarks del neutrón
La estructura de quarks del neutrón. La asignación de color de los quarks individuales es arbitraria, pero los tres colores deben estar presentes. Las fuerzas entre quarks están mediadas por gluones.

Los neutrones  y protones se clasifican como  hadronespartículas subatómicas  que están sujetas a  la fuerza fuerte  y como bariones ya que están compuestos por  tres quarks . El neutrón es una partícula compuesta formada por dos quarks abajo con carga −⅓ e y un quark arriba con carga + ⅔ e. Dado que el neutrón  no tiene carga eléctrica neta , no se ve afectado por las fuerzas eléctricas, pero el neutrón tiene una  ligera distribución de carga eléctrica  dentro de él. Esto da como resultado un momento magnético distinto de cero (momento dipolar) del neutrón. Por lo tanto, el neutrón interactúa también a través de la interacción electromagnética, pero mucho más débil que el protón.

La masa del neutrón es  939,565 MeV / c 2 , mientras que la masa de los tres quarks es sólo de unos 12 MeV / c 2  (sólo alrededor del 1% de la masa-energía del neutrón). Al igual que el protón, la mayor parte de la masa (energía) del neutrón está en forma de energía de fuerza nuclear fuerte (gluones). Los quarks del neutrón se mantienen unidos por gluones, las partículas de intercambio por la fuerza nuclear fuerte. Los gluones llevan la carga de color de la fuerza nuclear fuerte.

Ver también:  Estructura del neutrón

Propiedades del neutrón

Las propiedades clave de los neutrones se resumen a continuación:

  • El radio cuadrático medio  de un neutrón es ~ 0,8 x 10-15 m (0,8 fermi)
  • La masa  del neutrón es 939,565 MeV / c 2
  • Los neutrones son   partículas de ½ espín – estadísticas fermiónicas
  • Los neutrones son  partículas neutras  , sin carga eléctrica neta.
  • Los neutrones tienen  un momento magnético distinto de cero .
  • Los neutrones libres  (fuera de un núcleo) son inestables y se desintegran a través de la desintegración beta. La desintegración del neutrón implica la interacción débil y está asociada con una transformación de quark (un quark abajo se convierte en un quark arriba).
  • La vida media de un neutrón libre es de 882 segundos (es decir  , la vida media  es de 611 segundos).
  • Un  fondo  de neutrones naturales de neutrones libres existe en todas partes de la Tierra y es causado por los muones producidos en la atmósfera, donde los rayos cósmicos de alta energía chocan con las partículas de la atmósfera terrestre.
  • Los neutrones  no pueden causar ionización directamente  . Los neutrones ionizan la materia sólo indirectamente.
  • Los neutrones pueden viajar cientos de pies en el aire sin ninguna interacción. La radiación de neutrones es  muy penetrante .
  • Los neutrones  desencadenan la  fisión nuclear .
  • El proceso de fisión produce  neutrones libres  (2 o 3).
  • Los neutrones térmicos o fríos tienen longitudes de onda similares a los espaciamientos atómicos. Se pueden utilizar en  experimentos de  difracción de neutrones para determinar la estructura atómica y / o magnética de un material.

Ver también:  Propiedades del neutrón

Detección de neutrones

Dado que los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones  no se ionizan directamente  y, por lo general, deben  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. Generalmente, todo tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector de gases, detector de semiconductores, etc.).

Convertidores de neutrones

Para este propósito, se encuentran disponibles dos tipos básicos de interacciones de neutrones con la materia:

  • Dispersión elástica .  El neutrón libre puede ser dispersado por un núcleo, transfiriendo parte de su energía cinética al núcleo. Si el neutrón tiene suficiente energía para dispersar los núcleos, el núcleo en retroceso ioniza el material que rodea al convertidor. De hecho,  solo los  núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente ligeros para una aplicación práctica. La carga producida de esta manera puede ser recogida por el detector convencional para producir una señal detectada. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos ligeros. Este método es apropiado para detectar  neutrones rápidos  (los neutrones rápidos no tienen una sección transversal alta para la absorción), lo que permite la detección de neutrones rápidos sin un  moderador .
  • Absorción de neutrones .  Este es un método común que permite la detección de neutrones de  todo el espectro energético . Este método se basa en una variedad de reacciones de  absorción  ( captura radiativa fisión nuclear , reacciones de reordenamiento, etc.). El neutrón es absorbido aquí por el material objetivo (convertidor) que emite  partículas secundarias  como protones,  partículas alfa partículas beta , fotones (rayos gamma) o  fragmentos de fisión . Algunas reacciones son reacciones de umbral (que requieren una energía mínima de neutrones), pero la mayoría de las reacciones ocurren a energías epitermales y  térmicas.. Eso significa que se requiere la moderación de los neutrones rápidos, lo que conduce a una información energética deficiente de los neutrones. Los núcleos más comunes para el material del convertidor de neutrones son:
    • 10 B (n, α).  Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 3820 graneros y el boro natural  tiene una abundancia de  10 B 19,8%.
    • 3 Él (n, p).  Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 5350 graneros y el helio natural tiene una abundancia de  3 He 0.014%.
    • 6 Li (n, α).  Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 925 graneros y el litio natural tiene una abundancia de  6 Li 7,4%.
    • 113 Cd (n, ɣ).  Donde la sección transversal de captura de neutrones para los neutrones térmicos es σ = 20820 graneros y el cadmio natural  tiene una abundancia de  113 Cd 12,2%.
    • 235 U (n, fisión).  Donde la sección transversal de fisión de los neutrones térmicos es σ = 585 graneros y el uranio natural  tiene una abundancia de  235 U 0,711%. El uranio como convertidor produce fragmentos de fisión que son partículas con carga pesada. Esto tiene una ventaja significativa. Las partículas con carga pesada (fragmentos de fisión) crean una señal de salida alta, porque los fragmentos depositan una gran cantidad de energía en un volumen sensible al detector. Esto permite una fácil discriminación de la radiación de fondo (ei radiación gamma). Esta importante característica se puede utilizar, por ejemplo, en  la  medición de la potencia deun reactor nuclear , donde el campo de neutrones va acompañado de un fondo gamma significativo.

Ver también:  Detección de neutrones

Fuentes de neutrones

Una fuente de neutrones  es cualquier dispositivo que  emite neutrones . Las fuentes de neutrones tienen muchas aplicaciones, se pueden utilizar en investigación, ingeniería, medicina, exploración de petróleo, biología, química y  energía nuclear . Una fuente de neutrones se caracteriza por varios factores:

  • Importancia de la fuente
  • Intensidad.  La tasa de neutrones emitidos por la fuente.
  • Distribución  de energía de los neutrones emitidos.
  • Distribución angular  de neutrones emitidos.
  • Modo de emisión.  Funcionamiento continuo o pulsado.

Clasificación por significado de la fuente

  • Fuentes de neutrones grandes (significativas)
    • Reactores nucleares .  Hay núcleos que pueden sufrir fisión por sí solos de forma espontánea, pero solo ciertos núcleos, como el uranio-235, el uranio-233 y el plutonio-239, pueden sostener una reacción en cadena de fisión. Esto se debe a que estos núcleos liberan neutrones cuando se rompen, y estos neutrones pueden inducir la fisión de otros núcleos. El uranio 235, que existe como 0,7% del uranio natural, sufre  fisión nuclear. con neutrones térmicos con la producción de, en promedio, 2,4 neutrones rápidos y la liberación de ~ 180 MeV de energía por fisión. Los neutrones libres liberados por cada fisión juegan un papel muy importante como desencadenante de la reacción, pero también pueden usarse para otro propósito. Por ejemplo: se requiere un neutrón para desencadenar una nueva fisión. Parte de los neutrones libres (digamos 0,5 neutrones / fisión) se absorbe en otro material, pero un exceso de neutrones (0,9 neutrones / fisión) puede salir de la superficie del  núcleo del reactor  y puede utilizarse como fuente de neutrones.
    • Sistemas de fusión. La fusión nuclear  es una reacción nuclear en la que dos o más núcleos atómicos (por ejemplo, D + T) chocan a una energía muy alta y se fusionan. El subproducto de la fusión DT es un neutrón libre (ver imagen), por lo que también la reacción de fusión nuclear tiene el potencial de producir grandes cantidades de neutrones.
    • Fuentes de espalación.  Una fuente de espalación es una fuente de neutrones de alto flujo en la que los protones que se han acelerado a altas energías golpean un material objetivo pesado, provocando la emisión de neutrones. La reacción se produce por encima de un cierto umbral de energía para la partícula incidente, que suele ser de 5 a 15 MeV.
  • Fuentes de neutrones medianos
    • Bremssstrahlung de Electron Accelerators / Photofission.  Los electrones energéticos, cuando se ralentizan rápidamente en un objetivo pesado, emiten una intensa radiación gamma durante el proceso de desaceleración. Esto se conoce como  Bremsstrahlung  o radiación de frenado. La interacción de la radiación gamma con el objetivo produce neutrones a través de la reacción (γ, n), o la reacción (γ, fisión) cuando se utiliza un objetivo fisible. e- → Pb → γ → Pb → (γ, n) y (γ, fisión). La energía γ de Bremsstrahlung excede la energía de enlace del «último» neutrón en el objetivo. Una fuerza de la fuente de 10 13  neutrones / segundo producida en pulsos cortos (es decir, <5 μs) se puede realizar fácilmente.
    • Foco de plasma denso.  El foco de plasma denso (DPF) es un dispositivo que se conoce como una fuente eficiente de neutrones de  reacciones de fusión . El mecanismo de concentración de plasma denso (DPF) se basa en  la fusión nuclear  de  plasma  de vida corta de deuterio y / o tritio. Este dispositivo produce un plasma de corta duración mediante compresión y aceleración electromagnéticas que se denomina  pellizco . Este plasma se encuentra durante la pizca lo suficientemente caliente y denso como para provocar la fusión nuclear y la emisión de neutrones.
    • Aceleradores de iones ligeros.  Los aceleradores de partículas también pueden producir neutrones   utilizando objetivos de deuterio, tritio, litio, berilio y otros materiales bajos en Z. En este caso, el objetivo debe ser bombardeado con núcleos de hidrógeno acelerado (H), deuterio (D) o tritio (T).
  • Pequeñas fuentes de neutrones
    • Generadores de neutrones.  Los neutrones se producen en la fusión de deuterio y tritio en la siguiente reacción exotérmica. 2 D +  3 T →  4 He + n + 17,6 MeV . El neutrón se produce con una energía cinética de 14,1 MeV. Esto se puede lograr a pequeña escala en el laboratorio con un modesto acelerador de 100 kV para que los átomos de deuterio bombardeen un objetivo de tritio. Las fuentes de neutrones continuas de ~ 10 11  neutrones / segundo se pueden lograr de manera relativamente simple.
    • Fuente de radioisótopos – (α, n) reacciones.  En ciertos isótopos ligeros, el «último» neutrón del núcleo está débilmente unido y se libera cuando el núcleo compuesto formado después del bombardeo de partículas α se desintegra. El bombardeo de berilio por partículas α conduce a la producción de neutrones por la siguiente reacción exotérmica:  4 He +  9 Be → 12 C + n + 5,7 MeV.  Esta reacción produce una fuente débil de neutrones con un espectro de energía similar al de una fuente de fisión y se utiliza hoy en día en  fuentes de neutrones portátiles.  Se puede usar radio, plutonio o americio como emisor α.
    • Fuente de radioisótopos: reacciones (γ, n). Las reacciones (γ, n) también se pueden utilizar para el mismo propósito. En este tipo de fuente, debido al mayor alcance de los rayos γ, los dos componentes físicos de la fuente pueden separarse, lo que permite «apagar» la reacción si así se requiere eliminando la fuente radiactiva del berilio. Las fuentes (γ, n) producen neutrones monoenergéticos a diferencia de las fuentes (α, n). La fuente (γ, n) utiliza antimonio-124 como emisor gamma en la siguiente reacción endotérmica.

124 Sb → 124 Te + β− + γ

γ +  9 Be → 8 Be + n – 1,66 MeV

    • Fuente de radioisótopos: fisión espontánea . Ciertos isótopos sufren una fisión espontánea con emisión de neutrones. La fuente de fisión espontánea más utilizada es el isótopo radiactivo  californio-252 . El Cf-252 y todas las demás fuentes de neutrones de fisión espontánea se producen irradiando uranio u otro elemento transuránico en un reactor nuclear, donde los neutrones se absorben en el material de partida y sus productos de reacción posteriores, transmutando el material de partida en el isótopo SF.

Ver también:  Fuentes de neutrones