En física, el neutró és una partícula subatòmica que té com a símbol o , sense càrrega elèctrica i de massa lleugerament superior a la del protó . El neutró es classifica com a barió, per estar compost per tres quarks (udd), i com a nucleó per formar part, juntament amb el protó, dels nuclis dels àtoms, excepte l'isòtop més comú de l'hidrogen,, format per un sol protó i un electró . Mentre el nombre de protons en un nucli és el nombre atòmic i defineix el tipus d'element de les formes atòmiques, el nombre de neutrons determina l'isòtop d'un element.
Fora del nucli, els neutrons són inestables, se sotmeten a la desintegració beta i tenen una vida mitjana d'aproximadament quinze minuts (τn = 881,5±1,9 s).K. Nakamura et al. (Particle Data Group), JP G 37, 075021 (2010) and 2011 partial update for the 2012 edition Els neutrons lliures es produeixen en les reaccions nuclears de fusió i fissió. Tot i que no és un element químic, el neutró lliure de vegades figura en els quadres de núclids.
Els neutrons estan sotmesos a les forces feble, forta i gravitatòria. La força electromagnètica s'unifica parcialment amb la feble a altes energies; o dit d'una altra manera, a distàncies menors que el diàmetre d'un protó, les dues forces són només dos aspectes d'una força, la força electrofeble. D'aquesta manera, el neutró, encara que la suma de les càrregues elèctriques dels seus components, els quarks, sigui nul·la, està també sotmès a la interacció electromagnètica.
Fou descobert per James Chadwick l'any 1932 (el 7 de febrer d'aquell any, es publicà la descoberta a la revista Nature). El neutró ha estat la clau per a la producció d'energia nuclear. Després que es descobrís, el 1933 es va pensar que podria intervenir en una reacció nuclear en cadena. En la dècada de 1930, els neutrons s'utilitzaven per produir molts tipus diferents de transmutacions nuclears. Quan la fissió nuclear va ser descoberta el 1938, aviat es van adonar que aquest podria ser el mecanisme per a produir els neutrons necessaris per a la reacció en cadena, si en el procés també es produeixen neutrons, i això va ser demostrat el 1939, fent el camí de la producció d'energia nuclear. Aquests esdeveniments i troballes van portar directament a la primera reacció nuclear en cadena autosostenible artificial (Chicago Pile-1, 1942) i la primera bomba atòmica (1945).
Descobriment El 1920, Ernest Rutherford conceptualitza la possible existència del neutró. En particular, Rutherford va considerar que la disparitat entre el nombre atòmic d'un àtom i la seva massa atòmica podria explicar-se per l'existència d'una partícula de càrrega neutra dins del nucli atòmic.
El 1930, Víktor Ambartsumian i Dmitri Ivanenko a l'URSS van trobar que, contràriament a l'opinió dominant de l'època, el nucli no pot consistir en protons i electrons. Es va comprovar que algunes partícules neutres han d'estar presents al nucli, a més dels protons.
El 1931, Walther Bothe i Becker Herbert a Alemanya, van trobar que l'alta energia de les partícules alfa emeses pel poloni es reduïa en els elements lleugers, específicament beril·li, bor o liti, i es produïa una radiació inusualment penetrant. Al principi, aquesta radiació es va creure que era radiació gamma, tot i que era més penetrant que qualsevol dels raigs gamma coneguts i que els detalls dels resultats experimentals eren molt difícils d'interpretar, sobre aquesta base. La següent contribució important la van fer Irène Joliot-Curie i Frédéric Joliot a París el 1932. Van demostrar que, si aquesta radiació desconeguda queia sobre parafina, o qualsevol altre compost d'hidrogen, s'expulsaven protons d'alta energia. Això no era en si mateix incompatible amb la naturalesa assumida dels raigs gamma de la nova radiació, però una anàlisi quantitativa detallada de les dades va fer cada vegada més difícil conciliar aquesta hipòtesi.
El 1932, James Chadwick va realitzar una sèrie d'experiments a la Universitat de Cambridge, i mostrà que la hipòtesi de raigs gamma era insostenible. Va suggerir que la nova radiació consistia en partícules sense càrrega, de massa semblant a la del protó, i va realitzar una sèrie d'experiments per verificar la seva proposta. Aquestes partícules sense càrrega les va anomenar neutrons per l'arrel llatina de neutre i la terminació grega -on (per imitació dels electrons i protons).
Les propietats intrínseques Estabilitat i la desintegració beta miniatura|El diagrama de Feynman per a la desintegració β d'un en un , i a través d'un
En el marc del model estàndard de física de partícules, el neutró està format per tres quarks; la manera de desintegració no n'és possible sense un canvi de nombre bariònic en un dels quarks per canviar el sabor a través de la interacció feble. El neutró està format per dos quarks avall amb una càrrega e i un quark amunt de càrrega e, i la desintegració d'un dels quarks avall en un quark amunt, més lleuger, es pot aconseguir mitjançant l'emissió d'un bosó W. Per aquest mitjà, el neutró es desintegra en un protó (que conté un quark avall i dos quarks amunt), un electró i un antineutrí electrònic.
Fora del nucli, els neutrons lliures són inestables i tenen una vida mitjana de 881,5 ± 1,5 s (uns 14 minuts, 42 segons), de manera que la vida mitjana d'aquest procés (que difereix de la vida mitjana per a un factor de ln(2)=0,693) és 611,0 ± 1,0 s (uns 10 minuts, 11 segons). La desintegració dels neutrons lliures emeten un electró i un antineutrí electrònic per convertir-se en un protó, un procés conegut com a desintegració beta:Particle Data Group Summary Data Table on Baryons
→ + +
Els neutrons en els nuclis inestables també poden desintegrar-se d'aquesta manera.
Tot i que dins el nucli els neutrons són estables, els protons també es poden transformar en un neutró per la desintegració beta inversa. Aquesta transformació es produeix per l'emissió d'un antielectró (també anomenats positrons) i un neutrí:
→ ++
La transformació d'un protó en un neutró a l'interior d'un nucli és també possible amb la captura d'electrons:
+ → +
La captura de positrons per neutrons en els nuclis que contenen un excés de neutrons també és possible, però es veu dificultada perquè els positrons són repel·lits pel nucli, i ràpidament s'aniquilen quan es troben amb els electrons.
Moment dipolar elèctric i moment magnètic El model estàndard de física de partícules prediu una petita separació de càrregues positives i negatives dins dels neutrons que condueix a un moment dipolar elèctric permanent. El valor esperat es troba molt per sota de la sensibilitat actual dels experiments, per la qual cosa encara no ha estat possible determinar-ne el valor.
Tot i que el neutró és un partícula neutra, el moment magnètic d'un neutró no és 0, ja que en estar compost de tres quarks, aquests sí que estan carregats.
Antineutrons
L'antineutró és l'antipartícula del neutró. Va ser descobert per Bruce Cork l'any 1956, un any després del descobriment de l'antiprotó . La simetria-CPT planteja fortes restriccions a les propietats relatives de les partícules i antipartícules, de manera que l'estudi de rendiments de l'antineutró proporciona proves rigoroses de la simetria-CPT. La diferència fraccional en les masses del neutró i antineutró és de . Ja que la diferència és només de dues desviacions estàndard lluny de zero, això no dona cap prova convincent de la violació de la simetria-CPT.
Estructura i geometria de la distribució de la càrrega dins dels neutrons Un article publicat el 2007 amb un model d'anàlisi independent arriba a la conclusió que el neutró té una càrrega exterior negativa, un centre amb càrrega positiva, i un nucli de càrrega negativa. Des d'un punt de vista clàssic simplificat, el negatiu de la superfície dels neutrons és el que provoca l'atracció envers els protons, amb els quals interacciona en el nucli. De tota manera, la principal atracció de neutrons i protons és deguda a la força nuclear, en què no intervé cap càrrega.
Detecció La forma habitual de detectar una càrrega de partícules mitjançant la recerca d'una pista d'ionització (per exemple, en una cambra de boira) no funciona amb neutrons directament. Altres mitjans que permeten la detecció de neutrons consisteixen en la captura de neutrons o de la dispersió elàstica.
Detecció de neutrons per captura de neutrons Un mètode comú per a la detecció de neutrons implica la conversió de l'energia alliberada en les reaccions per la captura de neutrons en senyals elèctrics. Certs núclids tenen una alta probabilitat d'absorbir un neutró. Després de la captura de neutrons, el nucli compost emet una radiació més fàcilment detectable, per exemple, una partícula alfa. Els núclids són útils per a aquest propòsit.
Detecció de neutrons per dispersió elàstica Els neutrons poden dispersar-se elàsticament en els nuclis, fent que el nucli bombardejat retrocedeixi. Cinemàticament, un neutró pot transferir més energia als nuclis lleugers com l'hidrogen o l'heli que a nuclis més pesants. Detectors que depenen de la dispersió elàstica s'anomenen detectors de neutrons ràpids. Els nuclis en retrocés poden ionitzar i excitar els àtoms encara més amb col·lisions. La llum de càrrega i/o de centelleig produïda d'aquesta manera es pot estudiar segons el senyal detectat. Un repte important en la detecció de neutrons ràpids és diferenciar aquests senyals dels senyals produïts per la radiació gamma en el mateix detector, cosa que indueix a errors.
Els detectors de neutrons ràpids tenen l'avantatge de no requerir un moderador, per la qual cosa són capaços de mesurar l'energia del neutró, el temps d'arribada, i en alguns casos, la direcció d'incidència.
Usos El neutró té un paper important en moltes reaccions nuclears. Per exemple, la captura de neutrons és sovint el resultat, en l'activació de neutrons, de la inducció de radioactivitat. En particular, el coneixement de neutrons i el seu comportament ha estat important en el desenvolupament de reactors nuclears i armes nuclears. La fissió d'elements com l'urani 235 i plutoni 239 és causat per l'absorció de neutrons.
Tant el fred i la calor tèrmics com la radiació de neutrons s'empren en la dispersió de neutrons en instal·lacions, on la radiació s'utilitza d'una manera similar a com s'utilitzen els raigs X per a l'anàlisi de la matèria condensada. Els neutrons són complementaris en termes de contrastos atòmics per la diferent dispersió de les seccions transversals, la sensibilitat al magnetisme, l'interval d'energia per a l'espectroscòpia inelàstica de neutrons, i la penetració profunda en la matèria.
El desenvolupament de "lents de neutrons", basada en la reflexió total interna dins dels tubs capil·lars de vidre buit o per la reflexió a partir de plaques d'alumini amb microforats ha impulsat la recerca en curs en la microscòpia de neutrons i els neutrons/gamma de tomografia de raigs.Physorg.com, "New Way of 'Seeing': A 'Neutron Microscope'"
Un ús important dels neutrons és excitar el vaivé dels raigs gamma dels elements en els materials. Aquesta és la base de l'anàlisi per activació neutrònica (NAA en anglès) i excitació gamma d'anàlisi d'activació per neutrons (PGNAA en anglès). NAA és la més utilitzada per a analitzar petites mostres de materials en un reactor nuclear, mentre que PGNAA és la més utilitzada per a analitzar les roques subterrànies al voltant de les perforacions i la indústria de materials a granel en cintes transportadores.
Un altre ús d'emissors de neutrons és la detecció de nuclis lleugers, especialment l'hidrogen en les molècules d'aigua. Quan un neutró ràpid xoca amb un nucli de llum, perd una gran part de la seva energia. En mesurar la velocitat a la qual els neutrons lents tornen a la sonda després de reflectir-se en els nuclis d'hidrogen, una sonda de neutrons pot determinar el contingut d'aigua al sòl.
Protecció