Neutrón
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 La estructura de quarks del neutrón. | |
| Composición | uno arriba y dos abajo |
|---|---|
| Estadística | Fermión |
| Interacciones | La gravedad , electromagnética , Débil, Fuerte |
| Símbolo | n |
| Antipartícula | Antineutrón |
| Descubierto | James Chadwick (1932) |
| Masa | 1,674 927 29 (28) × 10 -27 kg 939.565 560 (81) MeV / c ² 1.008665 u |
| Carga eléctrica | 0 C |
| Vuelta | ½ |
En la física , el neutrón es una partícula subatómica sin red de carga eléctrica y una masa de 939.573 MeV / c ² o 1.008 664 915 (78) u (1,6749 × 10 -27 kg, poco más de un protón ). Su giro es ½. Su antipartícula se llama antineutrón. El neutrón, junto con el protón , es una nucleón.
Los núcleos de todos los átomos se componen de protones y neutrones, excepto el más ligero de isótopos de hidrógeno que sólo tiene un solo protón. El número de protones define el tipo de elemento de las formas atómicas. El número de neutrones determina el isótopo de un elemento, por lo tanto isótopos son átomos de un mismo elemento (es decir, número atómico ) pero que difieren masas atómicas debido a un número diferente de neutrones. Por ejemplo, el isótopo carbono-12 tiene 6 protones y 6 neutrones, mientras que el carbono 14 isótopo tiene 6 protones y 8 neutrones.
Un neutrón consiste en dos abajo quarks y uno hasta quark . Ya que tiene tres quarks, se clasifican como barión.
Estabilidad de neutrones y la desintegración beta
Fuera del núcleo, neutrones libres son inestables y tienen una vida útil de 885,7 ± 0,8 segundos (unos 15 minutos) significa, en descomposición por la emisión de un negativo de electrones y antineutrino para convertirse en un protón: 
. Este modo de desintegración, conocido como desintegración beta, también puede transformar el carácter de neutrones dentro de los núcleos inestables.
En el interior de un núcleo consolidado, protones también pueden transformar a través de la desintegración beta en neutrones. En este caso, la transformación puede producirse por la emisión de una positrones (antielectrón) y neutrino (en lugar de un antineutrino): 
. La transformación de un protón en un neutrón en el interior de un núcleo también es posible a través captura de electrones: 
. Captura de positrones por neutrones en los núcleos que contienen un exceso de neutrones también es posible, pero se ve obstaculizada debido a los positrones hecho son repelidos por el núcleo, y además, de forma rápida aniquilar cuando se encuentran con electrones negativos.
Cuando se une en el interior de un núcleo, la inestabilidad de un solo neutrón a la desintegración beta es equilibrada contra la inestabilidad que se adquiere por el núcleo en su conjunto si un protón adicional iban a participar en interacciones repulsivas con los otros protones que ya están presentes en el nucleo. Como tal, a pesar de neutrones libres son inestables, los neutrones unidos no son necesariamente así. El mismo razonamiento explica por qué los protones, que son estables en el espacio vacío, pueden transformarse en neutrones cuando se unen el interior de un núcleo.
Decaimiento beta y captura de electrones son los tipos de desintegración radiactiva y están ambos gobernados por el interacción débil.
Interacciones
El neutrón interactúa a través de los cuatro interacciones fundamentales: la electromagnética , nuclear débil, nuclear fuerte y gravitacionales interacciones.
Aunque el neutrón tiene carga neta cero, que puede interactuar electromagnéticamente de dos maneras: primero, el neutrón tiene una momento magnético del mismo orden que el de protones (véase neutrones momento magnético); segundo, que se compone de cargadas eléctricamente quarks . Por lo tanto, la interacción electromagnética es principalmente importante para el neutrón en profunda dispersión inelástica y en magnéticos interacciones.
El neutrón experimenta la interacción débil por decaimiento beta en un protón, electrón y antineutrino electrón. Se experimenta la fuerza de la gravedad como lo hace cualquier cuerpo energético; Sin embargo, la gravedad es tan débil que no puede despreciarse en la física de partículas experimentos.
La fuerza más importante a los neutrones es la interacción fuerte. Esta interacción es responsable de la unión de tres de los neutrones quarks en una sola partícula. La fuerza fuerte residual es responsable de la unión de los neutrones y los protones en los núcleos . Esta fuerza nuclear desempeña el papel principal cuando neutrones atraviesan la materia. A diferencia de las partículas o fotones cargados, el neutrón no puede perder energía por átomos ionizante. Más bien, el neutrón sigue su camino sin control hasta que haga una colisión de frente con un núcleo atómico. Por esta razón, radiación de neutrones es muy penetrante.
Detección
Los medios comunes de la detección de un acusado de partículas mediante la búsqueda de una pista de ionización (tal como en una cámara de niebla) no funciona para neutrones directamente. Los neutrones que elásticamente dispersan de los átomos pueden crear una pista de ionización que es detectable, pero los experimentos no son tan fáciles de llevar a cabo; otros medios para detectar neutrones, que consiste en que les permite interactuar con los núcleos atómicos, son más comúnmente utilizados.
Un método común para la detección de neutrones implica la conversión de la energía liberada de tales reacciones en señales eléctricas. Los nucleidos 3 He, Li 6, 10 B, 233 U, 235 U, 237 Np y 239 Pu son útiles para este propósito. Una buena discusión sobre la detección de neutrones se encuentra en el capítulo 14 del libro de Detección y Medición de Radiación por Glenn F. Otero (John Wiley & Sons, 1979).
Usos
El neutrón juega un papel importante en muchas reacciones nucleares. Por ejemplo, la captura de neutrones a menudo resulta en activación de neutrones, induciendo radiactividad. En particular, el conocimiento de neutrones y su comportamiento ha sido importante en el desarrollo de reactores nucleares y armas nucleares .
Fría, térmica y caliente la radiación de neutrones se emplea comúnmente en instalaciones de dispersión de neutrones, donde se utiliza la radiación de una manera similar uno usos Los rayos X para el análisis de la materia condensada . Los neutrones son complementarias a este último en términos de contrastes atómicos de dispersión diferente secciones cruzadas; sensibilidad al magnetismo; rango de energía para la espectroscopia inelástica de neutrones; y la penetración profunda en la materia.
El desarrollo de "lentes de neutrones" basado en la reflexión interna total dentro de tubos capilares de vidrio huecas o por la reflexión a partir de placas de aluminio con hoyuelos ha impulsado la investigación en curso sobre la microscopía de neutrones y la tomografía de rayos de neutrones / gamma.
Un uso de emisores de neutrones es la detección de núcleos ligeros, en particular el hidrógeno que se encuentra en agua moléculas. Cuando un neutrón rápido choca con un núcleo luz, pierde una gran parte de su energía. Mediante la medición de la velocidad a la que los neutrones lentos vuelven a la sonda después de que refleja fuera de los núcleos de hidrógeno, un sonda de neutrones puede determinar el contenido de agua en el suelo.
Descubrimiento
En 1930 Walther Bothe y H. Becker en Alemania descubrieron que si el muy enérgico las partículas alfa emitidas por el polonio cayeron sobre ciertos elementos ligeros, específicamente berilio , boro , o de litio , se produce una radiación inusualmente penetrante. Al principio se pensó que esta radiación se la radiación gamma, aunque era más penetrante que cualquier rayo gamma conocidos, y los detalles de los resultados experimentales eran muy difíciles de interpretar, sobre esta base. La siguiente contribución importante fue reportado en 1932 por Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot en París . Mostraron que si esta radiación desconocida cayó sobre parafina o cualquier otro de hidrógeno compuesto -Que se expulsan protones de energía muy alta. Esto no estaba en sí mismo incompatible con la naturaleza de rayos gamma asumido de nuevo la radiación, pero el análisis cuantitativo detallado de los datos se hizo cada vez más difícil de conciliar con tal hipótesis. Finalmente, en 1932 el físico James Chadwick en Inglaterra realizó una serie de experimentos que muestran que la hipótesis de rayos gamma era insostenible. Sugirió que, de hecho, la nueva radiación consistía en partículas sin carga de aproximadamente la masa del protón , y realizó una serie de experimentos que verifiquen su sugerencia. Tales partículas no cargadas fueron finalmente llamados neutrones, al parecer, de la América raíz de punto muerto y el griego terminación -on (por imitación de electrones y protones ).
Anti-neutrón
El antineutrón es la antipartícula del neutrón. Fue descubierto por Bruce Cork en el año 1956 , un año después de la antiprotón fue descubierto.
CPT-simetría plantea fuertes restricciones sobre las propiedades relativas de partículas y antipartículas y, por lo tanto, está abierto a pruebas rigurosas. La diferencia fraccional en las masas del neutrón y antineutrón es (9 ± 5) x 10 -5. Dado que la diferencia es de sólo 2 desviaciones estándar lejos de cero, esto no da ninguna evidencia convincente de CPT-violación.
Los desarrollos actuales
Momento dipolar eléctrico
Un experimento en el Institut Laue-Langevin ha tratado de medir un dipolo eléctrico, o separación de cargos, dentro del neutrón, y es consistente con una momento dipolar eléctrico de cero. Estos resultados son importantes en el desarrollo de teorías que van más allá del modelo estándar , pero son incompatibles con ella debido a la falta de explicación de las interacciones fundamentales.
Tetraneutrons
La existencia de grupos estables de cuatro neutrones, o tetraneutrons, ha sido la hipótesis de un equipo dirigido por Francisco Miguel Marqués, en el Laboratorio de Física Nuclear CNRS basado en observaciones de la desintegración de berilio-14 núcleos. Esto es particularmente interesante, porque la teoría actual sugiere que estas agrupaciones no deben ser estables.
Protección
La exposición a neutrones puede ser peligroso, ya que la interacción de los 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 (tales como protones). Las precauciones normales de protección radiológica se aplican: evitar la exposición, permanecer lo más lejos de la fuente como sea posible, y tener tiempo de exposición al mínimo. Algunos pensamiento particular se debe dar a la manera de proteger contra la exposición de neutrones, sin embargo. 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 de hacer para una buena protección; con frecuencia conducir se utiliza. Sin embargo, este enfoque no funcionará con neutrones, ya que la absorción de neutrones no aumenta forma directa con el número atómico, como lo hace con alfa, beta y radiación gamma. En su lugar hay que mirar las interacciones particulares neutrones tienen con la materia (véase la sección sobre detección de arriba). Por ejemplo, hidrógeno materiales ricos se utilizan a menudo para proteger contra neutrones, ya que el hidrógeno ordinario ambos dispersa y ralentiza los neutrones. A menudo, esto significa que los bloques de hormigón simples o incluso bloques de plástico de parafina-cargado ofrecen una mejor protección de los neutrones que hacer materiales más densos. Después de la desaceleración, los neutrones a continuación, pueden absorberse con un isótopo que tiene alta afinidad por neutrones lentos sin causar captura de radiación secundaria, tales como el litio-6.
Rico en hidrógeno del agua ordinaria efectos de absorción de neutrones en fisión nuclear reactores: generalmente los neutrones están tan fuertemente absorbida por el agua normal que combustible-enriquecimiento con isótopo fisionable, se requiere. La deuterio en agua pesada tiene una afinidad de absorción mucho menor para los neutrones que hace protium (hidrógeno luz normal). Por lo tanto, se utiliza en deuterio Reactores de tipo CANDU, con el fin de reducir la velocidad ("moderado") la velocidad de neutrones, por lo que son más efectivos para provocar la fisión nuclear , sin capturar ellos.
