Elneutrón es unapartícula subatómica, unnucleón, sin carga neta, presente en elnúcleo atómico de prácticamente todos losátomos, excepto elprotio. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por trespartículas elementales cargadas llamadascuarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es unbarión neutro compuesto por dos cuarks de tipoabajo, y un cuark de tipoarriba.
Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 14.7 minutos (879,4 ± 0,6 s);[4] cadaneutrón libre se descompone en unelectrón, unantineutrino electrónico y unprotón. Sumasa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor.
El neutrón es necesario para la estabilidad de los núcleos atómicos, a excepción delisótopohidrógeno-1 que contiene solo un protón. En los núcleos con más de un protón, la fuerza de repulsión electrostática entre éstos tiende a desintegrarlos. La presencia de un número parecido de neutrones al de los protones aseguran estabilidad de tales núcleos ya que no tienen carga eléctrica pero proveen fuerzas atractivas adicionales a través de su participación en la fuerza fuerte. Por eso, lainteracción nuclear fuerte es responsable de mantener estables los núcleos atómicos.
Los átomos de unelemento químico que difieren sólo en el número de neutrones se denominanisótopos. Por ejemplo, elcarbono, con número atómico 6, tiene un isótopo abundantecarbono-12 con 6 neutrones y un isótopo rarocarbono-13 con 7 neutrones. Algunos elementos se presentan en la naturaleza con un soloisótopo estable, como elflúor; Otros elementos se presentan con muchos isótopos estables, como elestaño con diez isótopos estables, y algunos elementos como eltecnecio no tienen ningún isótopo estable.
Las propiedades de un núcleo atómico dependen tanto del número atómico como del número de neutrones. Con su carga positiva, los protones del núcleo son repelidos por lafuerza electromagnética de largo alcance, pero lafuerza nuclear, mucho más fuerte pero de corto alcance, une estrechamente a los nucleones. Los neutrones son necesarios para la estabilidad de los núcleos, a excepción del núcleo dehidrógeno de un solo protón. Los neutrones se producen copiosamente en lafisión nuclear y lafusión. Contribuyen principalmente a lanucleosíntesis de elementos químicos en lasestrellas mediante procesos defisión, fusión ycaptura de neutrones.
El neutrón es esencial para la producción de energía nuclear. En la década posterior al descubrimiento del neutrón porJames Chadwick en 1932,[5] los neutrones se utilizaron para inducir muchos tipos diferentes de | transmutaciones nucleares. Con el descubrimiento de lafisión nuclear en 1938,[6] rápidamente se comprendió que, si un evento de fisión producía neutrones, cada uno de estos neutrones podría causar más eventos de fisión, en una cascada conocida comoreacción nuclear en cadena.[7] Estos acontecimientos y descubrimientos condujeron al primerreactor nuclear autosostenible (Chicago Pile-1, 1942) y a la primeraarma nuclear (Trinity, 1945).
Fue predicho teóricamente en 1920 porErnest Rutherford, recibió el nombre de "neutrón" deWilliam Draper Harkins en 1921 y fue después propuesto por el físico peruanoSantiago Antúnez de Mayolo en 1924 y en 1932 fue descubierto y documentado porJames Chadwick. Se localiza en el núcleo del átomo. Antes de ser descubierto el neutrón, se creía que un núcleo de número de masa A (es decir, de masa casi A veces la del protón) y carga Z veces la del protón, estaba formada por A protones y A-Z electrones. Pero existen varias razones por las que un núcleo no puede contener electrones. Un electrón solamente podría encerrarse en un espacio de las dimensiones de unnúcleo atómico (10-12 cm) si fuese atraído por el núcleo una fuerza electromagnética muy fuerte e intensa; sin embargo, uncampo electromagnético tan potente no puede existir en el núcleo porque llevaría a la producción espontánea de pares de electrones negativos y positivos (positrones). Por otra parte, existe incompatibilidad entre los valores delespín de los núcleos encontrados experimentalmente y los que podrían deducirse de una teoría que los supusiera formados por electrones y protones; en cambio, los datos experimentales están en perfecto acuerdo con las previsiones teóricas deducidas de la hipótesis de que el núcleo consta solo de neutrones y protones.
Ernest Rutherford propuso por primera vez la existencia del neutrón en 1920, para tratar de explicar que los núcleos no se desintegrasen por la repulsión electromagnética de los protones.
En el año 1930, enAlemania,Walther Bothe yH. Becker descubrieron que si laspartículas alfa delpolonio, dotadas de una gran energía, caían sobre materiales livianos, específicamenteberilio,boro olitio, se producía una radiación particularmente penetrante. En un primer momento se pensó que eran rayos gamma, aunque estos eran más penetrantes que todos los rayos gamma hasta ese entonces conocidos, y los detalles de los resultados experimentales eran difíciles de interpretar sobre estas bases.
En 1924, el físicoLouis de Broglie presentó la existencia de un elemento neutro en la Academia de Ciencias de París.[9]
Ese mismo año, el físicoperuanoSantiago Antúnez de Mayolo, durante el III Congreso Científico Panamericano, presenta la ponenciaHipótesis sobre la constitución de la materia, en la que predijo la existencia de un elemento neutro dentro del átomo.[10] Cabe resaltar al respecto, que en la actualidad en ninguna obra especializada en el neutrón se menciona la predicción de Antúnez de Mayolo, ni siquiera enHistoria del Neutrón de Donald J. Hughes.[11]
En 1930, Viktor Ambartsumian y Dmitri Ivanenko, en la URSS, encontraron que, contrariamente a la opinión dominante de la época, el núcleo no puede consistir en protones y electrones. Se comprobó que algunas partículas neutras deben estar presentes además de los protones.
En 1932, enParís,Irène Joliot-Curie yFrédéric Joliot mostraron que esta radiación desconocida, al golpearparafina u otros compuestos que conteníanhidrógeno, producía protones a una alta energía. Eso no era inconsistente con la suposición de que eran rayos gamma de la radiación, pero un detallado análisis cuantitativo de los datos hizo difícil conciliar la ya mencionada hipótesis.
Finalmente (a finales de 1932) el físico inglésJames Chadwick, enInglaterra, realizó una serie de experimentos de los que obtuvo unos resultados que no concordaban con los que predecían las fórmulas físicas: la energía producida por la radiación era muy superior y en los choques no se conservaba el momento. Para explicar tales resultados, era necesario optar por una de las siguientes hipótesis: o bien se aceptaba la no conservación del momento en las colisiones o se afirmaba la naturaleza corpuscular de la radiación. Como la primera hipótesis contradecía lasleyes de la Física, se prefirió la segunda. Con ésta, los resultados obtenidos quedaban explicados pero era necesario aceptar que las partículas que formaban la radiación no tenían carga eléctrica. Tales partículas tenían una masa muy semejante a la del protón, pero sin carga eléctrica, por lo que se pensó que eran el resultado de la unión de un protón y un electrón formando una especie dedipolo eléctrico. Posteriores experimentos descartaron la idea del dipolo y se conoció la naturaleza de los neutrones.
El neutrón es una partícula eléctricamente neutra, de masa 1838,5 veces mayor que la del electrón y 1,00137 veces la del protón; juntamente con los protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico y se les considera como dos formas de una misma partícula: elnucleón.
El número de neutrones en un núcleo estable es constante (unos 2,5 × 1029 años),[12] pero un neutrón libre, es decir, fuera del núcleo, se desintegra con una vida media de unos 879,4 segundos[3] (hay que notar que hay discrepancia entre dos técnicas distintas para determinar la vida media y se toma un promedio de varias medidas),[13] dando lugar a un protón, un electrón y unantineutrino electrónico. En un núcleo estable, por el contrario, el electrón emitido no tiene la energía suficiente para vencer la atracción coulombiana del núcleo y los neutrones no se desintegran. La fuente de neutrones de mayor intensidad disponible hoy día es elreactor nuclear. El neutrón tiene carga neutra.
Unnúcleo atómico está formado por un número de protones,Z (elnúmero atómico), y un número de neutrones,N (elnúmero de neutrones), unidos por lafuerza nuclear. El número atómico determina laspropiedades químicas del átomo, y el número de neutrones determina elisótopo onucleido.[7] Los términos isótopo y nucleido se utilizan a menudosinonimamente, pero se refieren a propiedades químicas y nucleares, respectivamente. Los isótopos son nucleidos con el mismo número atómico, pero diferente número de neutrones. Los nucleidos con el mismo número de neutrones, pero diferente número atómico, se denominanIsótonos. El número de masa atómica,A, es igual a la suma de los números atómico y neutrónico. Los nucleidos con el mismo número de masa atómico, pero diferente número atómico y de neutrones, se denominanisóbaros.
El núcleo delisótopo más común delátomo de hidrógeno (con elsímbolo químico1H) es un protón solitario. Los núcleos de los isótopos pesados de hidrógenodeuterio (D o2H) ytritio (T o3H) contienen un protón unido a uno y dos neutrones, respectivamente. Todos los demás tipos de núcleos atómicos están compuestos por dos o más protones y diversos números de neutrones. Por ejemplo, el nucleido más común del elemento químico comúnplomo,208Pb, tiene 82 protones y 126 neutrones. Latabla de nucleidos comprende todos los nucleidos conocidos. Aunque no es un elemento químico, el neutrón está incluido en esta tabla.[14]
El neutrón libre tiene una masa de 939565413.3 eV/c², o 1.674927471 e-27kg, o 1.00866491588 Da.[15] El neutrón tiene un radio cuadrático medio de aproximadamente 0.8 e-15 m, o 0,8 fm,[16] y es unespín-½fermión.[17] El neutrón no tiene carga eléctrica medible. Con su carga eléctrica positiva, el protón se ve influido directamente por loscampos eléctricos, mientras que el neutrón no se ve afectado por los campos eléctricos. Pero el neutrón tiene unmomento magnético, por lo que se ve influido por campos magnéticos. El momento magnético del neutrón tiene un valor negativo, porque su orientación es opuesta al espín del neutrón.[18]
Un neutrón libre es inestable,desintegración da lugar a un protón, un electrón y unantineutrino con untiempo de vida medio de algo menos de 15 minutos 879.6 +/-0.8 s.[19] Estadesintegración radiactiva, conocida comodesintegración beta, es posible porque la masa del neutrón es ligeramente 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 delnucleido. La desintegración beta, en la que los neutrones se desintegran en protones, o viceversa, se rige por lafuerza débil, y requiere la emisión o absorción de electrones y neutrinos, o sus antipartículas.
Fisión nuclear causada por la absorción de un neutrón por el uranio-235. El nucleido pesado se fragmenta y se desintegra. El nucleido pesado se fragmenta en componentes más ligeros y neutrones adicionales
Los protones y los neutrones se comportan de forma casi idéntica bajo la influencia de la fuerza nuclear dentro del núcleo. El concepto deisospín, en el que el protón y el neutrón se consideran dos estados cuánticos de la misma partícula, se utiliza para modelar las interacciones de los nucleones mediante las fuerzas nuclear o débil. Debido a la intensidad de la fuerza nuclear a distancias cortas, laenergía de enlace de los nucleones es más de siete órdenes de magnitud mayor que la energía electromagnética que une a los electrones en los átomos. Lasreacciones nucleares (como lafisión nuclear) tienen, por tanto, unadensidad de energía más de diez millones de veces superior a la de lasreacciones químicas. Debido a laequivalencia masa-energía, las energías de enlace nucleares reducen la masa de los núcleos. En última instancia, la capacidad de la fuerza nuclear para almacenar la energía resultante de la repulsión electromagnética de los componentes nucleares es la base de la mayor parte de la energía que hace posibles los reactores nucleares o las bombas. En la fisión nuclear, la absorción de un neutrón por un nucleido pesado (por ejemplo,uranio-235) hace que el nucleido se vuelva inestable y se descomponga en nucleidos ligeros y neutrones adicionales. Los nucleidos ligeros cargados positivamente se repelen, liberandoenergía potencial electromagnética.
El neutrón se clasifica como unhadrón, porque es unapartícula compuesta formada porcuarks. El neutrón también se clasifica como unbarión, porque está compuesto por trescuark de valencia.[20] Tanto el tamaño finito del neutrón como su momento magnético indican que el neutrón es unacomposite, en lugar de unaelementary. Un neutrón contiene doscuark abajo con carga -1/3e y uncuark arriba con carga +2/3e.
El proceso fundamental que conduce a la producción deenergía nuclear es lafisión de un núcleo deuranio originado por un neutrón: en la fisión el núcleo se escinde en dos partes y alrededor de tres neutrones por término medio (neutrones rápidos); los fragmentos resultantes de la escisión emiten, además, otros neutrones.
Los neutrones son fundamentales en las reacciones nucleares: unareacción en cadena se produce cuando un neutrón causa la fisión de un átomofisible, produciéndose un mayor número de neutrones que causan a su vez otras fisiones. Según esta reacción se produzca de forma controlada o incontrolada, se tiene lo siguiente:
↑abcGlasstone, Samuel; Dolan, Philip J., eds. (1977),The Effects of Nuclear Weapons (3rd edición), U.. Dept. of Defense and Energy Research and Development Administration, U.S. Government Printing Office,ISBN978-1-60322-016-3.
↑Povh, B.; Rith, K.; Scholz, C.; Zetsche, F. (2002).Partículas y Núcleos: An Introduction to the Physical Concepts. Berlin: Springer-Verlag. p. 73.ISBN978-3-540-43823-6.
↑Zyla, P. A. (2020).«n MEAN LIFE».PDG Live: 2020 Review of Particle Physics. Particle Data Group. Archivado desdeel original el 17 de enero de 2021. Consultado el 25 de febrero de 2021.
