O que é nêutron

Um nêutron é uma das partículas subatômicas que compõem a matéria. No universo, os nêutrons são abundantes, constituindo mais da metade de toda a matéria visível. Não possui carga elétrica e uma massa de repouso igual a 1,67493 × 10-27 kg – marginalmente maior que a do próton, mas quase 1839 vezes maior que a do elétron. O nêutron tem um raio quadrado médio de cerca de 0,8 × 10-15 m, ou 0,8 fm, e é um férmion de spin-½.

Os nêutrons existem nos núcleos dos átomos típicos, juntamente com seus equivalentes carregados positivamente, os prótons. Nêutrons e prótons, comumente chamados de núcleons , estão ligados no núcleo atômico, onde são responsáveis ​​por 99,9% da massa do átomo. Pesquisas em física de partículas de alta energia no século 20 revelaram que nem o nêutron nem o próton não são o menor bloco de construção da matéria. Prótons e nêutrons também têm sua estrutura. Dentro dos prótons e nêutrons, encontramos verdadeiras partículas elementares chamadas quarks . Dentro do núcleo, prótons e nêutrons são ligados através da força forte, uma interação fundamental que governa o comportamento dos quarks que compõem os prótons e nêutrons individuais.

Uma estabilidade nuclear é determinada pela competição entre duas interações fundamentais. Prótons e nêutrons são atraídos um ao outro por força forte. Por outro lado, os prótons se repelem através da força elétrica devido à sua carga positiva. Portanto, os nêutrons no núcleo agem de maneira semelhante à cola nuclear, os nêutrons se atraem e os prótons, o que ajuda a compensar a repulsão elétrica entre os prótons. Existem apenas certas combinações de nêutrons e prótons, que formam núcleos estáveis. Por exemplo, o nuclídeo mais comum do elemento químico comum (Pb) possui 82 prótons e 126 nêutrons.

Devido à força da força nuclear a curtas distâncias , a energia de ligação nuclear (a energia necessária para desmontar um núcleo de um átomo em suas partes componentes) dos nucleons é mais de sete ordens de grandeza maior que os elétrons de ligação da energia eletromagnética nos átomos . As reações nucleares (como a fissão nuclear ou a fusão nuclear ) têm, portanto, uma densidade de energia superior a 10 000 000x a das reações químicas.
O conhecimento do comportamento e das propriedades dos nêutrons é essencial para a produção de energia nuclear . Logo após a descoberta do nêutron em 1932, percebeu-se rapidamente que os nêutrons poderiam agir para formar uma reação em cadeia nuclear . Quando a fissão nuclear foi descoberta em 1938, ficou claro que, se uma reação de fissão produzisse nêutrons livres , cada um desses nêutrons poderia causar uma reação de fissão adicional em uma cascata conhecida como reação em cadeia . O conhecimento das seções transversais (o parâmetro principal que representa a probabilidade de interação entre um nêutron e um núcleo) tornou-se crucial para o design de núcleos de reatores e a primeira arma nuclear (Trinity, 1945).

Estrutura do nêutron

Nêutrons e prótons são classificados como hádrons , partículas subatômicas sujeitas à força forte e como bárions, pois são compostos por três quarks . O nêutron é uma partícula composta feita de dois quarks descendentes com carga −e e um quark up com carga + ⅔ e. Como o nêutron não possui carga elétrica líquida , ele não é afetado pelas forças elétricas, mas o nêutron possui uma pequena distribuição de carga elétrica dentro dele. Isso resulta em um momento magnético diferente de zero (momento dipolar) do nêutron. Portanto, o nêutron interage também via interação eletromagnética, mas muito mais fraco que o próton.

A massa do nêutron é 939.565 MeV / c ² , enquanto a massa dos três quarks é de apenas 12 MeV / c ² (apenas cerca de 1% da energia de massa do nêutron). Como o próton, a maior parte da massa (energia) do nêutron está na forma da energia da força nuclear forte (glúons). Os quarks do nêutron são mantidos juntos por glúons, as partículas de troca pela forte força nuclear. Os glúons carregam a carga colorida da força nuclear forte.

Veja também: Estrutura do nêutron

Propriedades do nêutron

As principais propriedades dos nêutrons estão resumidas abaixo:

• Raio médio quadrático de um neutrão é ~ 0,8 x 10 ^-15 M (0,8 Fermi)
• A massa do nêutron é 939.565 MeV / c ²
• Nêutrons são ½ partículas de spin – estatísticas fermiônicas
• Nêutrons são partículas neutras – sem carga elétrica líquida.
• Nêutrons têm momento magnético diferente de zero .
• Os nêutrons livres (fora de um núcleo) são instáveis ​​e decaem por decaimento beta. O decaimento do nêutron envolve a interação fraca e está associado a uma transformação de quarks (um quark down é convertido em um quark up).
• A vida útil média de um nêutron livre é de 882 segundos (isto é, a meia-vida é de 611 segundos).
• Um fundo natural de nêutrons de nêutrons livres existe em toda parte da Terra e é causado por múons produzidos na atmosfera, onde raios cósmicos de alta energia colidem com partículas da atmosfera da Terra.
• Nêutrons não podem causar ionização diretamente . Os nêutrons ionizam a matéria apenas indiretamente.
• Os nêutrons podem viajar centenas de pés no ar sem nenhuma interação. A radiação de nêutrons é altamente penetrante .
• Nêutrons desencadeiam a fissão nuclear .
• O processo de fissão produz nêutrons livres (2 ou 3).
• Nêutrons térmicos ou frios têm comprimentos de onda semelhantes aos espaçamentos atômicos. Eles podem ser usados ​​em experimentos de difração de nêutrons para determinar a estrutura atômica e / ou magnética de um material.

Veja também: Propriedades do nêutron

Detecção de nêutrons

Como os nêutrons são partículas eletricamente neutras,  elas estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).

Conversores de nêutrons

Dois tipos básicos de interações de nêutrons com a matéria estão disponíveis para esse fim:

• Espalhamento elástico . O nêutron livre pode ser espalhado por um núcleo, transferindo parte de sua energia cinética para o núcleo. Se o nêutron tiver energia suficiente para dispersar os núcleos, o núcleo de recuo ioniza o material ao redor do conversor. De fato, apenas os núcleos de hidrogênio e hélio são leves o suficiente para aplicação prática. A carga produzida dessa maneira pode ser coletada pelo detector convencional para produzir um sinal detectado. Os nêutrons podem transferir mais energia para os núcleos leves. Este método é apropriado para detectar nêutrons rápidos (os nêutrons rápidos não possuem alta seção transversal para absorção), permitindo a detecção de nêutrons rápidos sem um moderador .
• Absorção de nêutrons . Este é um método comum que permite a detecção de nêutrons de todo o espectro de energia . Este método baseia-se em várias reações de absorção ( captura radiativa , fissão nuclear , reações de rearranjo, etc.). O nêutron é aqui absorvido pelo material alvo (conversor) que emite partículas secundárias , como prótons, partículas alfa , partículas beta , fótons (raios gama) ou fragmentos de fissão . Algumas reações são reações limiares (exigindo uma energia mínima de nêutrons), mas a maioria das reações ocorre nas energias epitérmica e térmica. Isso significa que a moderação dos nêutrons rápidos é necessária, levando a informações de energia insuficiente dos nêutrons. Os núcleos mais comuns para o material conversor de nêutrons são:
  • ¹⁰ B (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 3820 celeiros e o boro naturalpossui abundância de ¹⁰ B 19,8%.
  • ³ Ele (n, p). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 5350 celeiros e o hélio natural possui abundância de ³ He 0,014%.
  • ⁶ Li (n, a). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 925 celeiros e o lítio natural tem abundância de ⁶ Li 7,4%.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Onde a seção transversal de captura de nêutrons para nêutrons térmicos é σ = 20820 celeiros e o cádmio naturaltem abundância de ¹¹³ Cd 12,2%.
  • ²³⁵ U (n, fissão). Onde a seção de fissão para nêutrons térmicos é σ = 585 celeiros e o urânio naturaltem abundância de ²³⁵ U 0,711%. O urânio como conversor produz fragmentos de fissão que são partículas carregadas pesadas. Isso tem uma vantagem significativa. As partículas carregadas pesadas (fragmentos de fissão) criam um sinal de saída alto, porque os fragmentos depositam uma grande quantidade de energia em um volume sensível ao detector. Isso permite uma discriminação fácil da radiação de fundo (radiação ei gama). Essa característica importante pode ser usada, por exemplo, namedição de potência deum reator nuclear , em que o campo de nêutrons é acompanhado por um fundo gama significativo.

Veja também: Detecção de nêutrons

Fontes de nêutrons

Uma fonte de nêutrons é qualquer dispositivo que emita nêutrons . As fontes de nêutrons têm muitas aplicações, elas podem ser usadas em pesquisa, engenharia, medicina, exploração de petróleo, biologia, química e energia nuclear . Uma fonte de nêutrons é caracterizada por vários fatores:

• Significado da fonte
• Intensidade. A taxa de nêutrons emitida pela fonte.
• Distribuição de energia de nêutrons emitidos.
• Distribuição angular de nêutrons emitidos.
• Modo de emissão. Operação contínua ou pulsada.

Classificação por significância da fonte

• Fontes de nêutrons grandes (significativas)
  • Reatores nucleares . Existem núcleos que podem sofrer fissão por conta própria espontaneamente, mas apenas certos núcleos, como o urânio 235, o urânio 233 e o plutônio 239, podem sustentar uma reação em cadeia da fissão. Isso ocorre porque esses núcleos liberam nêutrons quando se separam e podem induzir a fissão de outros núcleos. Urânio-235, que existe como 0,7% do urânio natural, sofre fissão nuclearcom nêutrons térmicos com produção média de 2,4 nêutrons rápidos e liberação de ~ 180 MeV de energia por fissão. Os nêutrons livres liberados por cada fissão desempenham um papel muito importante como desencadeador da reação, mas também podem ser usados ​​para outro propósito. Por exemplo: Um nêutron é necessário para desencadear uma fissão adicional. Parte dos nêutrons livres (digamos 0,5 nêutrons / fissão) é absorvida em outro material, mas um excesso de nêutrons (0,9 nêutrons / fissão) é capaz de deixar a superfície do núcleo do reator e pode ser usado como fonte de nêutrons.

• • Sistemas de fusão. A fusão nuclear  é uma reação nuclear na qual dois ou mais núcleos atômicos (por exemplo, D + T) colidem com uma energia muito alta e se fundem. Seu subproduto da fusão DT é um nêutron livre (veja a figura); portanto, também a reação de fusão nuclear tem o potencial de produzir grandes quantidades de nêutrons.
  • Fontes de Spallation. Uma fonte de fragmentação é uma fonte de nêutrons de alto fluxo, na qual prótons que foram acelerados para altas energias atingem um material alvo pesado, causando a emissão de nêutrons. A reação ocorre acima de um certo limiar de energia para a partícula incidente, que normalmente é de 5 a 15 MeV.

• Fontes médias de nêutrons
  • Bremssstrahlung de Electron Accelerators / Photofission. Os elétrons energéticos, quando desacelerados rapidamente em um alvo pesado, emitem intensa radiação gama durante o processo de desaceleração. Isso é conhecido como Bremsstrahlung ou radiação de frenagem. A interação da radiação gama com o alvo produz nêutrons via reação (γ, n) ou reação (γ, fissão) quando um alvo físsil é usado. e- → Pb → γ → Pb → (γ, n) e (γ, fissão). A energia Bremsstrahlung γ excede a energia de ligação do “último” nêutron no alvo. Uma força da fonte de 10 ¹³ nêutrons / segundo produzida em pulsos curtos (isto é, <5 μs) pode ser facilmente realizada.
  • Foco de plasme denso. O foco denso no plasma (DPF) é um dispositivo conhecido como fonte eficiente de nêutrons a partir de reações de fusão . O mecanismo do foco denso no plasma (DPF) baseia-se na fusão nuclear de plasma de curta duração de deutério e / ou trítio. Este dispositivo produz um plasma de vida curta por compressão eletromagnética e aceleração que é chamada de pitada . Este plasma é quente e denso durante a pitada o suficiente para causar a fusão nuclear e a emissão de nêutrons.
  • Aceleradores de íons de luz. Os nêutrons também podem ser produzidos por aceleradores de partículas usando alvos de deutério, trítio, lítio, berílio e outros materiais com baixo teor de Z. Nesse caso, o alvo deve ser bombardeado com núcleos acelerados de hidrogênio (H), deutério (D) ou trítio (T).

• Pequenas fontes de nêutrons
  • Geradores de nêutrons. Nêutrons são produzidos na fusão de deutério e trítio na seguinte reação exotérmica. ² D + ³ T → ⁴ He + n + 17,6 MeV . O nêutron é produzido com uma energia cinética de 14,1 MeV. Isso pode ser alcançado em pequena escala no laboratório com um modesto acelerador de 100 kV para átomos de deutério bombardeando um alvo de trítio. Fontes contínuas de nêutrons de ~ 10 ¹¹ nêutrons / segundo podem ser alcançadas de maneira relativamente simples.
  • Fonte de radioisótopos – reações (α, n). Em certos isótopos de luz, o ‘último’ nêutron no núcleo é fracamente ligado e é liberado quando o núcleo composto é formado após o decaimento do bombardeio de partículas α. O bombardeio de berílio por partículas α leva à produção de nêutrons pela seguinte reação exotérmica:  ⁴ He + ⁹ Be → ¹² C + n + 5,7 MeV. Essa reação produz uma fonte fraca de nêutrons com um espectro de energia semelhante ao de uma fonte de fissão e é usada atualmente em fontes portáteis de nêutrons.  O rádio, o plutônio ou o amerício podem ser usados ​​como um emissor α.
  • Fonte de radioisótopos – reações (γ, n). As reações (γ, n) também podem ser usadas para a mesma finalidade. Nesse tipo de fonte, devido ao maior alcance do raio γ, os dois componentes físicos da fonte podem ser separados, possibilitando ‘desligar’ a reação, se necessário, removendo a fonte radioativa do berílio. As fontes (γ, n) produzem nêutrons monoenergéticos, ao contrário das fontes (α, n). A fonte (γ, n) utiliza o antimônio-124 como emissor gama na seguinte reação endotérmica.

¹²⁴ Sb → ¹²⁴ Te + β− + γ

γ + ⁹ Be → ⁸ Be + n – 1,66 MeV

Fonte de radioisótopos – fissão espontânea . Certos isótopos sofrem fissão espontânea com emissão de nêutrons. A fonte de fissão espontânea mais comumente usada é o isótopo radioativo californium-252 . Cf-252 e todas as outras fontes de nêutrons de fissão espontânea são produzidas por irradiação de urânio ou outro elemento transurânico em um reator nuclear, onde os nêutrons são absorvidos no material de partida e em seus produtos de reação subsequentes, transmutando o material de partida no isótopo SF.