Neutrón para niños
Datos para niños Neutrón n, n0, N0 |
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 Estructura de cuarks de un neutrón.
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| Composición | 2 cuark abajo,1 cuark arriba, | |
| Grupo | Hadrón | |
| Interacción | Gravedad, Débil, Nuclear fuerte | |
| Antipartícula | Antineutrón | |
| Teorizada |
Ernest Rutherford (1920) Santiago Antúnez de Mayolo (1924) |
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| Descubierta | James Chadwick (1932) | |
| Masa | 1,674 927 498 04(95) × 10−27 kg 939,565 420 52(54) MeV/c2 1,008 664 915 95(49) uma |
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| Vida media | 879,4(6) s | |
| Carga eléctrica | 0 | |
| Dipolo eléctrico | <1,8 × 10−26 e cm | |
| Polarizabilidad | 1,18(11) × 10−3 fm³ | |
| Momento magnético | -1,913 042 73(45) μN | |
| Polarizabilidad magnética | 3,7(12) × 10−4 fm³ | |
| Espín | 1/2 | |
| Isospín | -1/2 | |
| Paridad | +1 | |
| Condensado | I(JP) = 1/2(1/2+) | |
El neutrón es una partícula subatómica que se encuentra en el núcleo atómico de casi todos los átomos. Solo el protio, un tipo de hidrógeno, no tiene neutrones. Aunque se le llama "neutrón" porque no tiene carga eléctrica neta, en realidad está formado por tres cuarks, que sí tienen carga. Estas cargas se anulan entre sí, haciendo que el neutrón sea neutro en general. Un neutrón se compone de dos cuarks de tipo abajo y un cuark de tipo arriba.
Fuera del núcleo de un átomo, los neutrones no son estables. Se desintegran en unos 14.7 minutos (879,4 ± 0,6 segundos). Cuando un neutrón libre se descompone, se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. La masa del neutrón es muy parecida a la del protón, pero un poco mayor.
Los neutrones son muy importantes para que los núcleos atómicos sean estables. En los núcleos con más de un protón, los protones se repelen entre sí debido a su carga positiva. Los neutrones, al no tener carga, ayudan a mantener el núcleo unido. Lo hacen a través de una fuerza muy fuerte llamada interacción nuclear fuerte. Esta fuerza es la responsable de que los núcleos atómicos no se desintegren.
Contenido
¿Qué son los isótopos y cómo se relacionan con los neutrones?
Los átomos de un mismo elemento químico pueden tener diferente número de neutrones. A estas variaciones se les llama isótopos. Por ejemplo, el carbono siempre tiene 6 protones. Sin embargo, el carbono-12 tiene 6 neutrones, mientras que el carbono-13 tiene 7 neutrones.
Algunos elementos solo tienen un tipo de isótopo estable, como el flúor. Otros, como el estaño, tienen muchos isótopos estables (hasta diez). También hay elementos, como el tecnecio, que no tienen ningún isótopo estable.
Las características de un núcleo atómico dependen tanto del número de protones como del número de neutrones. Los neutrones son esenciales para la estabilidad de los núcleos, excepto en el caso del hidrógeno que solo tiene un protón. Los neutrones se producen en grandes cantidades en procesos como la fisión nuclear y la fusión nuclear. También contribuyen a la formación de elementos químicos en las estrellas mediante la captura de neutrones.
El papel del neutrón en la energía nuclear
El neutrón es fundamental para producir energía nuclear. Después de que James Chadwick lo descubriera en 1932, los neutrones se usaron para cambiar un tipo de núcleo atómico en otro. En 1938, se descubrió la fisión nuclear. Se entendió rápidamente que si un evento de fisión producía neutrones, estos neutrones podrían causar más fisiones, creando una reacción nuclear en cadena.
Estos descubrimientos llevaron a la creación del primer reactor nuclear que funcionaba por sí mismo (el Chicago Pile-1, en 1942).
Existen fuentes especiales de neutrones, como los generadores de neutrones, los reactores de investigación y las fuentes de espalación. Estas producen neutrones libres para usarlos en experimentos y para irradiación. Un neutrón libre se descompone en un protón, un electrón y un antineutrino en unos 15 minutos. Los neutrones libres no ionizan directamente los átomos, pero pueden causar radiación ionizante de forma indirecta. Esto puede ser un riesgo para la salud, dependiendo de la cantidad. En la Tierra, hay una pequeña cantidad natural de neutrones libres, que provienen de la radiación cósmica y de la radiactividad natural de algunos elementos en la corteza terrestre.
¿Quién descubrió el neutrón?
La existencia del neutrón fue propuesta por primera vez en 1920 por Ernest Rutherford. Recibió el nombre de "neutrón" de William Draper Harkins en 1921. Más tarde, el físico peruano Santiago Antúnez de Mayolo también lo propuso en 1924. Finalmente, en 1932, fue descubierto y documentado por James Chadwick.
Antes de su descubrimiento, se pensaba que el núcleo de un átomo estaba formado solo por protones y electrones. Sin embargo, había varias razones por las que un núcleo no podía contener electrones. Por ejemplo, los electrones necesitarían una fuerza electromagnética muy intensa para permanecer en un espacio tan pequeño como el núcleo. Además, los valores de espín de los núcleos que se medían no coincidían con la idea de que estuvieran formados por electrones y protones. En cambio, sí coincidían con la idea de que el núcleo solo tenía neutrones y protones.
En 1930, en Alemania, Walther Bothe y H. Becker descubrieron que al bombardear materiales ligeros como el berilio con partículas alfa, se producía una radiación muy penetrante. Al principio, se pensó que eran rayos gamma, pero eran mucho más penetrantes y los resultados no encajaban del todo.
En 1924, el físico Louis de Broglie también mencionó la existencia de una partícula neutra en la Academia de Ciencias de París. Ese mismo año, Santiago Antúnez de Mayolo presentó su hipótesis sobre la composición de la materia, donde predijo una partícula neutra dentro del átomo.
En 1930, Viktor Ambartsumian y Dmitri Ivanenko, en la URSS, también llegaron a la conclusión de que el núcleo no podía estar formado solo por protones y electrones. Debía haber otras partículas neutras.
En 1932, en París, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot observaron que esta radiación desconocida, al chocar con parafina (que contiene hidrógeno), producía protones con mucha energía. Esto tampoco encajaba completamente con la idea de que fueran rayos gamma.
Finalmente, a finales de 1932, el físico inglés James Chadwick realizó experimentos que no coincidían con las fórmulas físicas conocidas. La energía producida era mucho mayor y el momento no se conservaba en los choques. Para explicar esto, Chadwick propuso que la radiación estaba formada por partículas sin carga eléctrica, con una masa muy similar a la del protón. Al principio, se pensó que eran una especie de dipolo eléctrico (unión de un protón y un electrón), pero experimentos posteriores descartaron esa idea y se confirmó la verdadera naturaleza de los neutrones.
¿Cuáles son las propiedades del neutrón?
El neutrón es una partícula sin carga eléctrica. Su masa es 1838,5 veces mayor que la del electrón y 1,00137 veces la del protón. Junto con los protones, los neutrones son los componentes principales del núcleo atómico. Se les considera como dos formas de una misma partícula, el nucleón.
El número de neutrones en un núcleo estable se mantiene constante durante mucho tiempo. Sin embargo, un neutrón libre (fuera del núcleo) se desintegra en unos 879,4 segundos. Al desintegrarse, forma un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. En un núcleo estable, los neutrones no se desintegran porque el electrón emitido no tiene suficiente energía para escapar de la atracción del núcleo. La fuente más potente de neutrones que existe hoy en día es el reactor nuclear.
Un núcleo atómico está formado por un número de protones (Z, el número atómico) y un número de neutrones (N, el número de neutrones). Estos están unidos por la fuerza nuclear. El número atómico determina las propiedades químicas del átomo, mientras que el número de neutrones determina el isótopo o nucleido. Los isótopos son nucleidos con el mismo número atómico, pero diferente número de neutrones. Los Isótonos tienen el mismo número de neutrones, pero diferente número atómico. El número de masa atómica, A, es la suma de los protones y los neutrones. Los isóbaros tienen el mismo número de masa atómica, pero diferente número de protones y neutrones.
El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (1H) es solo un protón. Los núcleos de los isótopos más pesados de hidrógeno, deuterio (2H) y tritio (3H), contienen un protón unido a uno y dos neutrones, respectivamente. Todos los demás tipos de núcleos atómicos tienen dos o más protones y diferentes números de neutrones. Por ejemplo, el plomo más común, 208Pb, tiene 82 protones y 126 neutrones.
Un neutrón libre tiene una masa de 939565413.3 eV/c², o 1.674927471 x 10-27 kg. Su radio es de aproximadamente 0.8 femtómetros (fm). Es un espín-½ fermión. El neutrón no tiene carga eléctrica medible. A diferencia del protón, que es afectado por los campos eléctricos, el neutrón no lo es. Sin embargo, el neutrón tiene un momento magnético, por lo que sí es afectado por los campos magnéticos. El momento magnético del neutrón es negativo, lo que significa que su orientación es opuesta a su espín.
Un neutrón libre es inestable y se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino en menos de 15 minutos (879.6 +/-0.8 segundos). Esta desintegración radiactiva, conocida como desintegración beta, ocurre porque la masa del neutrón es un poco mayor que la del protón. El protón libre es estable. Sin embargo, los neutrones o protones unidos en un núcleo pueden ser estables o inestables, dependiendo del nucleido. La desintegración beta, donde los neutrones se convierten en protones o viceversa, es controlada por la fuerza débil.
Los protones y los neutrones se comportan de manera muy similar bajo la influencia de la fuerza nuclear dentro del núcleo. El concepto de isospín se usa para entender cómo interactúan los nucleones (protones y neutrones) a través de las fuerzas nucleares o débiles. Debido a la intensidad de la fuerza nuclear a distancias cortas, la energía de enlace de los nucleones es mucho mayor que la energía que mantiene unidos a los electrones en los átomos. Por eso, las reacciones nucleares (como la fisión nuclear) liberan mucha más energía que las reacciones químicas. La capacidad de la fuerza nuclear para almacenar energía es la base de la mayor parte de la energía que hace posibles los reactores nucleares. En la fisión nuclear, cuando un nucleido pesado (como el uranio-235) absorbe un neutrón, se vuelve inestable y se rompe en nucleidos más ligeros y neutrones adicionales. Los nucleidos ligeros cargados positivamente se repelen, liberando energía potencial electromagnética.
El neutrón se clasifica como un hadrón porque es una partícula compuesta formada por cuarks. También es un barión porque está compuesto por tres cuark de valencia. El tamaño del neutrón y su momento magnético indican que es una partícula compuesta, no una partícula elemental. Un neutrón contiene dos cuark abajo con carga -1/3 de la carga elemental y un cuark arriba con carga +2/3 de la carga elemental.
Al igual que los protones, los cuarks dentro del neutrón se mantienen unidos por la fuerza fuerte, que es transmitida por gluons. La fuerza nuclear es un efecto secundario de esta fuerza fuerte más fundamental.
¿Cómo funciona la fisión nuclear?
El proceso principal que produce energía nuclear es la fisión nuclear. Esto ocurre cuando un neutrón golpea un núcleo de uranio, haciendo que se divida en dos partes. En este proceso, se liberan en promedio unos tres neutrones más (llamados neutrones rápidos). Los fragmentos resultantes de la división también emiten otros neutrones.
Los neutrones son clave en las reacciones nucleares. Una reacción nuclear en cadena sucede cuando un neutrón provoca la fisión de un átomo fisible. Esto, a su vez, produce más neutrones que causan nuevas fisiones. Esta reacción puede ser controlada o incontrolada:
- Reacción incontrolada: Ocurre cuando hay suficiente combustible nuclear (una masa crítica). Este es el principio de algunos tipos de dispositivos que liberan mucha energía.
- Reacción controlada: Se logra usando un moderador en un reactor nuclear. Así se aprovecha la energía nuclear de forma segura.
El neutrón en la cultura popular
Jimmy Neutrón, el personaje principal de la película Jimmy Neutrón: El niño genio (2001) y la serie Las aventuras de Jimmy Neutrón: El niño genio (2002-2006) de Nickelodeon, lleva ese apellido en referencia a los neutrones. El símbolo en su camiseta es un átomo.
Véase también
En inglés: Neutron Facts for Kids
- Física nuclear
- Dispersión inelástica de neutrones
- Emisión beta
- Física de partículas
- Interacción nuclear débil
- Interacción nuclear fuerte
- Moderador
