Neutrone

Neutrone
Modello a quark del neutrone
Classificazione	Particella composta (adrone)
Composizione	1 quark up, 2 quark down (udd)
Famiglia	Fermioni
Gruppo	Barioni
Interazioni	Gravitazionale, elettromagnetica, debole, forte
Simbolo	n
Antiparticella	Antineutrone (n)
Teorizzata	Ernest Rutherford (1920)
Scoperta	James Chadwick (1932)
Proprietà fisiche
Massa	1,674927351(74)×10−27 kg 939,565378(21) MeV/c² 1,00866491600(43) u
Carica elettrica	0 e
Spin	½

Il neutrone è una particella subatomica costituita da un quark up e due quark down, con carica elettrica netta pari a zero. In quanto formato da quark appartiene alla famiglia degli adroni, in particolare al gruppo dei barioni. Avendo spin semi-intero è un fermione.

Ha massa a riposo di 939,57 MeV/c², leggermente superiore a quella del protone, e, ad eccezione del più comune isotopo dell'idrogeno (il cui nucleo atomico consiste di un singolo protone), compone i nuclei insieme al protone, con il quale si trasforma in continuazione mediante l'emissione e l'assorbimento di pioni.

Contrariamente al protone, al di fuori del nucleo il neutrone è instabile e ha una vita media di circa 15 minuti. Il suo decadimento dà luogo a un protone, un elettrone e un antineutrino secondo la reazione $n\to p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$(decadimento beta); l'energia rilasciata è Q = 0,782 ± 0.013 MeV.

Storia

Nel 1930, in Germania, Walther Bothe e Herbert Becker osservarono che, se le particelle alfa del polonio, dotate di grande energia, incidevano su nuclei di elementi leggeri, specificatamente berillio, boro e litio, veniva prodotta una radiazione particolarmente penetrante. In un primo momento, si ritenne che potesse trattarsi di radiazione gamma, sebbene si mostrasse più penetrante dei raggi gamma allora conosciuti e i dettagli dei risultati sperimentali fossero difficili da interpretare in tali termini.

Il successivo contributo fu apportato negli anni tra il 1931 e il 1932 da Irène Curie e suo marito Frédéric Joliot-Curie a Parigi: essi mostrarono che questa radiazione misteriosa, se colpiva paraffina o altri composti contenenti idrogeno, ne provocava l'espulsione di protoni di alta energia. Ciò non era del tutto in contrasto con l'ipotesi di radiazione gamma; tuttavia, un'analisi quantitativa dettagliata rendeva difficile accettare questa ipotesi. All'inizio del 1932, il fisico James Chadwick, in Inghilterra, eseguì una serie di misurazioni che mostrarono come l'ipotesi dei raggi gamma non fosse in grado di spiegare completamente i dati sperimentali. Egli ipotizzò che la radiazione penetrante del berillio consistesse in particelle neutre dotate di massa approssimativamente uguale a quella dei protoni, la cui esistenza era stata proposta più di un decennio prima, senza che fossero stati realizzati esperimenti efficaci per rivelarla. Tuttavia, già l'italiano Ettore Majorana nel 1831, quindi prima della lettera inviata alla rivista "Nature" con la quale Chadwick annunciava la possibile esistenza del neutrone, era giunto a una conclusione simile, affermando addirittura: "Che sciocchi, hanno scoperto il protone neutro e non se ne sono accorti".

Proprietà

James Chadwick, scopritore del neutrone

Neutralità

La proprietà per eccellenza dei neutroni, che li differenzia dalle altre particelle, è la sua carica elettrica nulla, in quanto risulta composto da due quark down e un quark up:

q_n = 2q_d + q_u = 2 × (−¹⁄₃)e + (²⁄₃)e = 0

La carica elettrica nulla è alla base della loro alta capacità di penetrazione e della difficoltà di manipolazione. Inoltre sono assenti delle sorgenti naturali importanti, ulteriore motivo del ritardo della scoperta del neutrone rispetto alle altre due particelle che compongono l'atomo.

Penetrazione

Le particelle cariche (come i protoni, gli elettroni e le particelle alfa) perdono energia nell'attraversare la materia, principalmente a causa delle forze elettromagnetiche che ionizzano gli atomi con cui tali particelle interagiscono. Il neutrone risente debolmente di queste forze in quanto ha carica elettrica nulla. Tuttavia il neutrone è soggetto all'azione della forza nucleare forte, caratterizzata da un corto raggio d'azione, efficace soltanto nelle vicinanze di un nucleo. Per cui il neutrone si comporta in modo simile ad una sfera solida (probabilmente quanto di più lontano esista dal neutrone sotto moltissimi altri aspetti) che impatta altri corpi solidi (i nuclei del mezzo). Un neutrone libero prosegue il suo tragitto indisturbato fino a quando non urta "frontalmente" con un nucleo.

A causa della ridotta sezione trasversale dei nuclei rispetto allo spazio che li separa gli uni dagli altri, queste collisioni avvengono molto raramente e i neutroni percorrono grandi distanze prima di collidere. Distanze ancora maggiori vengono percorse prima di essere assorbiti da un nucleo, tanto maggiori quanto maggiore è la velocità del neutrone: la dose assorbita da un materiale irraggiato con neutroni è tanto maggiore e tanto più concentrata in superficie quanto più bassa è la loro velocità:

• i neutroni veloci da fissione (10 keV-10 MeV) depositano energia principalmente attraverso l'urto elastico con più nuclei leggeri in successione, con cammini liberi medi di trasporto che vanno dal centimetro alla decina di centimetri in acqua e tessuti biologici. La dose assorbita è dovuta alle ionizzazioni causate dal rinculo di nuclei leggeri secondari.
• i neutroni di risonanza (1 keV-1 MeV) depositano energia principalmente per assorbimento quando la loro energia corrisponde ad una frequenza di risonanza di un nucleo vicino.
• i neutroni lenti (energia < 0,5 eV) hanno bassa lunghezza di trasporto, da qualche frazione di millimetro al centimetro, e grande sezione d'urto di assorbimento: anche in questo caso l'assorbimento è il principale tipo di interazione.

5 diversi ordini di grandezza della materia:
1. Materia (macroscopico)
2.Struttura molecolare (atomi)
3.Atomo (neutrone, protone, elettrone)
4.Elettrone
5.Quark
6.Stringhe

Pericolosità

La loro massa a riposo maggiore di quella di altri tipi di radiazione li rende più pericolosi per i tessuti biologici una volta che abbiano interagito e può dare esito nei tessuti biologici e nei materiali ordinari a rilascio secondario di raggi gamma per cattura neutronica (ad esempio con l'idrogeno risulta in un deutone e in un fotone da 2,2 MeV), a trasmutazione e talora a spallazione (per esempio l'attivazione dell'azoto-14 in carbonio-14 con rilascio di un protone o la spallazione del piombo sfruttata nei sistemi guidati da acceleratore), causando trasmutazione e per i transuranici fertilizzazione. Il loro fattore di pericolosità una volta assorbiti rispetto alle radiazioni gamma vale:

$w_{n}=5+17\mathbf {e} ^{-{\frac {(\mathbf {ln} {\frac {2E}{MeV}})^{2}}{6}}}$

e cioè a seconda della loro energia passano da una pericolosità rispettivamente 5 volte maggiore dei fotoni se sono termici (E < 10 keV) o 25 volte maggiore se sono veloci (100 keV < E < 2 MeV). Si noti però che questo fattore non tiene però conto della precedente proprietà di penetranza, quindi la pericolosità relativa di un fascio veloce rispetto ad uno termico è in realtà sovrastimata da questo fattore.

Evanescenza

La rivelazione indiretta dei neutroni si basa sulla trasmissione del moto ad atomi leggeri del mezzo che avviene nelle collisioni elastiche: un nucleo molto pesante acquisisce per urto elastico una piccola frazione della quantità di moto; invece un protone (che ha una massa approssimativamente pari a quella del neutrone) viene proiettato in avanti con una frazione significativa della velocità originaria del neutrone, che a sua volta rallenta. Dato che i nuclei messi in moto mediante queste collisioni sono carichi, producono ionizzazione e possono essere facilmente rilevati sperimentalmente.

Immanovrabilità

Le particelle cariche possono essere accelerate, decelerate e deflesse dal campo elettrostatico, che però non ha praticamente effetto sui neutroni, rendendoli manovrabili solo con campo magnetico dato il loro momento di dipolo magnetico piuttosto alto rispetto al momento di quantità di moto intrinseco. Il segno negativo di tale momento magnetico simula la rotazione di cariche negative in senso antiorario intorno alla direzione dello spin. L'unico mezzo per controllare i neutroni liberi è quello di porre dei nuclei sulla loro traiettoria, in modo che i neutroni vengano rallentati, deflessi o assorbiti nella collisione. Questi sono i principali effetti regolatori nei reattori e nelle armi nucleari.

Instabilità

Un fascio pulsato e collimato di neutroni liberi decade passando fra due spettrometri a lente magnetica sistemati in modo da raccogliere l'uno i protoni l'altro gli elettroni con vita media di 880 ± 1 s

Per quanto riguarda il neutrone legato agli altri nucleoni nel nucleo, la teoria della grande unificazione prevede una vita media dell'ordine di 10³¹ anni (più di mille di miliardi di miliardi di volte l'età attuale dell'universo di circa 10¹⁰ anni), simile a quella del protone.

Sviluppi

L'esistenza di pacchetti stabili di quattro neutroni, o tetraneutroni, è stata ipotizzata da un gruppo guidato da Francisco-Miguel Marqués del CNRS Laboratory for Nuclear Physics, basandosi sulla disintegrazione di nuclei di berillio-14. La teoria corrente suppone che questi pacchetti non dovrebbero essere stabili e quindi non dovrebbero esistere.

Bibliografia

• Albert Messiah, Mécanique quantique, tome 1, Dunod, 1966.
• Paul Dirac, I principi della meccanica quantistica, Bollati Boringhieri, 1971.
• John von Neumann, Mathematical foundations of Quantum Mechanics, Princeton University Press, 1955.
• Stephen Gustafson, Israel M. Sigal, Mathematical concepts of quantum mechanics, Springer, 2006.
• Franz Schwabl, Quantum mechanics, Springer, 2002.
• Franco Strocchi, An introduction to the mathematical structure of quantum mechanics, a short course for mathematicians, World Scientific Publishing, 2005.
• L. Pauling e E. B. Wilson Introduction To Quantum Mechanics With Applications To Chemistry (McGrawHill, New York, 1935)
• S. Dushman The Elements of Quantum Mechanics (John Wiley & Sons, New York, 1938)
• M. Planck, L. Silberstein e H. T. Clarke The origin and development of the quantum theory (Clarendon Press, Oxford, 1922)
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• J. F. Frenkel Wave Mechanics: Advanced General Theory (Clarendon Press, Oxford, 1934)
• (EN) N. F. Mott, Elements of Wave Mechanics, Cambridge University Press, 1958.
• Gian Carlo Ghirardi, Un'occhiata alle carte di Dio, Net, 1997.

Voci correlate

• Neutrone termico
• Scattering di neutroni
• Attivazione neutronica
• Cattura neutronica
• Magnetone nucleare
• Fissione nucleare
• Protone
• Elettrone
• Neutrino

Altri progetti

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• Wikizionario
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Collegamenti esterni

• (EN) neutron, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• NMI3: Iniziativa Europea di neutroni e muoni, su nmi3.eu.
• neutronsources.org.
• (EN) IUPAC Gold Book, "neutron", su goldbook.iupac.org.