Neutrón

El neutrón es una partícula subatómica, símbolo n o n°, que tiene una carga neutra (ni positiva ni negativa) y una masa ligeramente mayor que la de un protón. Los protones y los neutrones constituyen los núcleos de los átomos. Dado que los protones y los neutrones se comportan de manera similar dentro del núcleo y cada uno tiene una masa de aproximadamente una unidad de masa atómica, ambos se denominan nucleones. Sus propiedades e interacciones están descritas por la física nuclear.

Las propiedades químicas de un átomo están determinadas principalmente por la configuración de los electrones que orbitan alrededor del núcleo pesado del átomo. La configuración electrónica está determinada por la carga del núcleo, que está determinada por el número de protones o número atómico. El número de neutrones es el número de neutrones. Los neutrones no afectan la configuración electrónica, pero la suma de los números atómico y de neutrones es la masa del núcleo.

Los átomos de un elemento químico que difieren solo en el número de neutrones se llaman isótopos. Por ejemplo, el carbono, con número atómico 6, tiene un isótopo abundante carbono-12 con 6 neutrones y un isótopo raro carbono-13 con 7 neutrones. Algunos elementos se encuentran en la naturaleza con un solo isótopo estable, como el flúor. Otros elementos se producen con muchos isótopos estables, como el estaño con diez isótopos estables.

Las propiedades de un núcleo atómico dependen tanto de los números atómicos como de los neutrones. Con su carga positiva, los protones dentro del núcleo son repelidos por la fuerza electromagnética de largo alcance, pero la fuerza nuclear mucho más fuerte, pero de corto alcance, une a los nucleones estrechamente. Los neutrones son necesarios para la estabilidad de los núcleos, con la excepción del núcleo de hidrógeno de un solo protón. Los neutrones se producen copiosamente en la fisión y fusión nuclear. Son un contribuyente principal a la nucleosíntesis de elementos químicos dentro de las estrellas a través de procesos de fisión, fusión y captura de neutrones.

El neutrón es esencial para la producción de energía nuclear. En la década posterior al descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932, los neutrones se utilizaron para inducir muchos tipos diferentes de transmutaciones nucleares. Con el descubrimiento de la fisión nuclear en 1938, 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 como reacción nuclear en cadena. Estos eventos y hallazgos llevaron al primer reactor nuclear autosuficiente (Chicago Pile-1, 1942) y la primera arma nuclear (Trinity, 1945).

Las fuentes de neutrones dedicadas, como los generadores de neutrones, los reactores de investigación y las fuentes de espalación, producen neutrones libres para su uso en experimentos de irradiación y dispersión de neutrones. Un neutrón libre decae espontáneamente en un protón, un electrón y un antineutrino, con una vida media de unos 15 minutos. Los neutrones libres no ionizan directamente los átomos, pero provocan radiación ionizante indirectamente, por lo que pueden ser un peligro biológico, dependiendo de la dosis. En la Tierra existe un pequeño flujo natural de "fondo de neutrones" de neutrones libres, causado por lluvias de rayos cósmicos y por la radiactividad natural de elementos espontáneamente fisionables en la corteza terrestre.

Descripción

Un núcleo atómico está formado por una cantidad de protones, Z (el número atómico), y una cantidad de neutrones, N (el número de neutrones), unidos por la fuerza nuclear. El número atómico determina las propiedades químicas del átomo y el número de neutrones determina el isótopo o nucleido. Los términos isótopo y nucleido a menudo se usan como sinónimos, pero se refieren a propiedades químicas y nucleares, respectivamente. Los isótopos son nucleidos con el mismo número atómico, pero diferente número de neutrones. Los núclidos con el mismo número de neutrones, pero distinto número atómico, se denominan isótonos. El número de masa atómica, A, es igual a la suma de los números atómico y de neutrones. Los nucleidos con el mismo número de masa atómica, pero diferente número atómico y de neutrones, se llaman isobaras.

El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (con el símbolo químico H) es un protón solitario. Los núcleos de los isótopos pesados ​​de hidrógeno deuterio (D o H) y tritio (T o H) 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 varios números de neutrones. El nucleido más común del elemento químico común plomo, Pb, tiene 82 protones y 126 neutrones, por ejemplo. La tabla de nucleidos comprende todos los nucleidos conocidos. Aunque no es un elemento químico, el neutrón está incluido en esta tabla.

El neutrón libre tiene una masa de939 565 413 .3 eV/ c , o1.674 927 471 × 10  kg , o1.008 664 915 88  Da . El neutrón tiene un radio cuadrático medio de aproximadamente0,8 × 10  m , o0.8 fm , y es un fermión de espín-½. El neutrón no tiene carga eléctrica medible. Con su carga eléctrica positiva, el protón está directamente influenciado por campos eléctricos, mientras que el neutrón no se ve afectado por campos eléctricos. Pero el neutrón tiene un momento magnético, por lo que el neutrón está influenciado por campos magnéticos. El momento magnético del neutrón tiene un valor negativo, porque su orientación es opuesta al espín del neutrón.

Un neutrón libre es inestable, se descompone en protón, electrón y antineutrino con una vida media de poco menos de 15 minutos (879,6 ± 0,8 s ). Esta desintegración radiactiva, conocida como desintegración 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, según el nucleido. La desintegración beta, en la que los neutrones se descomponen en protones, o viceversa, está gobernada por la fuerza débil y requiere la emisión o absorción de electrones y neutrinos, o sus antipartículas.

Los protones y los neutrones se comportan casi de manera idéntica bajo la influencia de la fuerza nuclear dentro del núcleo. El concepto de isospin, en el que el protón y el neutrón se ven como dos estados cuánticos de la misma partícula, se utiliza para modelar las interacciones de los nucleones por las fuerzas nucleares o débiles. Debido a la fuerza de la fuerza nuclear a distancias cortas, la energía de enlace de los nucleones es más de siete órdenes de magnitud mayor que la energía electromagnética que une los electrones en los átomos. Las reacciones nucleares (como la fisión nuclear), por lo tanto, tienen una densidad de energía que es más de diez millones de veces mayor que la de las reacciones químicas. Debido a la equivalencia masa-energía, las energías de enlace nuclear reducen la masa de los núcleos. Por último, la capacidad de la fuerza nuclear para almacenar energía que surge de la repulsión electromagnética de los componentes nucleares es la base de la mayor parte de la energía que hace posibles los reactores o bombas nucleares. En la fisión nuclear, la absorción de un neutrón por un nucleido pesado (p. ej., uranio-235) hace que el nucleido se vuelva inestable y se rompa en nucleidos ligeros y neutrones adicionales. Los nucleidos ligeros cargados positivamente luego se repelen, liberando energía potencial electromagnética.

El neutrón se clasifica como un hadrón , porque es una partícula compuesta hecha de quarks. El neutrón también se clasifica como un barión , porque está compuesto por tres quarks de valencia. El tamaño finito del neutrón y su momento magnético indican que el neutrón es una partícula compuesta, en lugar de elemental. Un neutrón contiene dos quarks down con carga − 1 / 3 e y un quark up con carga + 2 / 3 e .

Al igual que los protones, los quarks del neutrón se mantienen unidos por la fuerza fuerte, mediada por gluones. La fuerza nuclear resulta de los efectos secundarios de la fuerza fuerte más fundamental.

Descubrimiento

La historia del descubrimiento del neutrón y sus propiedades es fundamental para los extraordinarios desarrollos de la física atómica que ocurrieron en la primera mitad del siglo XX, que finalmente condujeron a la bomba atómica en 1945. En el modelo de Rutherford de 1911, el átomo constaba de un pequeño núcleo masivo cargado positivamente rodeado por una nube mucho más grande de electrones cargados negativamente. En 1920, Rutherford sugirió que el núcleo constaba de protones positivos y partículas con carga neutra, lo que sugería que de alguna manera había un protón y un electrón unidos. Se suponía que los electrones residían dentro del núcleo porque se sabía que la radiación beta consistía en electrones emitidos desde el núcleo. Rutherford llamó a estas partículas sin carga neutrones , por la raíz latina deneutralis (neutro) y el sufijo griego -on (un sufijo utilizado en los nombres de partículas subatómicas, es decir, electrón y protón ). Pero las referencias a la palabra neutrón en relación con el átomo se pueden encontrar en la literatura desde 1899.

El químico estadounidense WD Harkins predijo correctamente la existencia del neutrón en 1920 (como un complejo protón-electrón) y fue el primero en utilizar la palabra "neutrón" en relación con el núcleo atómico. A lo largo de la década de 1920, los físicos asumieron que el núcleo atómico estaba compuesto de protones y "electrones nucleares" , pero hubo problemas obvios. Fue difícil reconciliar el modelo protón-electrón para núcleos con la relación de incertidumbre de Heisenberg de la mecánica cuántica. La paradoja de Klein, descubierta por Oskar Klein en 1928, presentó más objeciones mecánicas cuánticas a la noción de un electrón confinado dentro de un núcleo.Las propiedades observadas de los átomos y las moléculas no eran consistentes con el espín nuclear esperado de la hipótesis protón-electrón. Tanto los protones como los electrones tienen un espín intrínseco de 1/2 ħ . Los isótopos de la misma especie (es decir, que tienen el mismo número de protones) pueden tener espín tanto entero como fraccional, es decir, el espín del neutrón debe ser también fraccional ( 1/2 ħ ) . Pero no hay forma de organizar los giros de un electrón y un protón (se supone que se unen para formar un neutrón) para obtener el giro fraccional de un neutrón.

En 1931, Walther Bothe y Herbert Becker descubrieron que si la radiación de partículas alfa del polonio caía sobre el berilio, el boro o el litio, se producía una radiación inusualmente penetrante. La radiación no estaba influenciada por un campo eléctrico, por lo que Bothe y Becker asumieron que era radiación gamma. Al año siguiente, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot-Curie en París demostraron que si esta radiación "gamma" caía sobre la parafina, o cualquier otro compuesto que contuviera hidrógeno, expulsaba protones de muy alta energía. Ni Rutherford ni James Chadwick, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, quedaron convencidos con la interpretación de los rayos gamma. Chadwick rápidamente realizó una serie de experimentos que demostraron que la nueva radiación consistía en partículas sin carga con aproximadamente la misma masa que el protón.Estas partículas eran neutrones. Chadwick ganó el Premio Nobel de Física de 1935 por este descubrimiento.

Werner Heisenberg y otros desarrollaron rápidamente modelos para un núcleo atómico formado por protones y neutrones. El modelo protón-neutrón explicó el enigma de los espines nucleares. Los orígenes de la radiación beta fueron explicados por Enrico Fermi en 1934 por el proceso de desintegración beta, en el que el neutrón se descompone en un protón al crear un electrón y un neutrino (en ese momento no descubierto). En 1935, Chadwick y su estudiante de doctorado Maurice Goldhaber informaron sobre la primera medición precisa de la masa del neutrón.

Para 1934, Fermi había bombardeado elementos más pesados ​​con neutrones para inducir radiactividad en elementos de alto número atómico. En 1938, Fermi recibió el Premio Nobel de Física "por sus demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones y por su descubrimiento relacionado de reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos". En 1938, Otto Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear, o el fraccionamiento de los núcleos de uranio en elementos ligeros, inducida por el bombardeo de neutrones. En 1945, Hahn recibió el Premio Nobel de Química de 1944 "por su descubrimiento de la fisión de núcleos atómicos pesados". El descubrimiento de la fisión nuclear llevaría al desarrollo de la energía nuclear y la bomba atómica al final de la Segunda Guerra Mundial.

La desintegración beta y la estabilidad del núcleo.

Dado que los protones que interactúan tienen una repulsión electromagnética mutua que es más fuerte que su interacción nuclear atractiva, los neutrones son un componente necesario de cualquier núcleo atómico que contiene más de un protón (ver diprotón y relación neutrón-protón). Los neutrones se unen con los protones y entre sí en el núcleo a través de la fuerza nuclear, moderando efectivamente las fuerzas de repulsión entre los protones y estabilizando el núcleo.

Los neutrones y protones unidos en un núcleo forman un sistema mecánico cuántico en el que cada nucleón está unido en un estado cuántico jerárquico particular. Los protones pueden decaer en neutrones, o viceversa, dentro del núcleo. Este proceso, llamado decaimiento beta, requiere la emisión de un electrón o positrón y un neutrino asociado. Estas partículas emitidas se llevan el exceso de energía cuando un nucleón cae de un estado cuántico a un estado de menor energía, mientras que el protón (o neutrón) cambia a neutrón (o protón). Tales procesos de descomposición pueden ocurrir solo si lo permiten la conservación de energía básica y las restricciones de la mecánica cuántica. La estabilidad de los núcleos depende de estas restricciones.

Desintegración libre de neutrones

Fuera del núcleo, los neutrones libres son inestables y tienen una vida media de879,6 ± 0,8 s (alrededor de 14 minutos, 40 segundos); por lo tanto, la vida media de este proceso (que difiere de la vida media por un factor de ln(2) = 0,693 ) es610,1 ± 0,7 s (alrededor de 10 minutos, 10 segundos). Este decaimiento solo es posible porque la masa del protón es menor que la del neutrón. Por la equivalencia masa-energía, cuando un neutrón se desintegra en un protón, alcanza un estado de menor energía. La desintegración beta del neutrón, descrita anteriormente, se puede denotar mediante la desintegración radiactiva.
_midenote el protón, el electrón y el antineutrino electrónico, respectivamente. Para el neutrón libre, la energía de desintegración para este proceso (basado en las masas del neutrón, protón y electrón) es0,782 343  MeV . La energía máxima del electrón de desintegración beta (en el proceso en el que el neutrino recibe una cantidad muy pequeña de energía cinética) se ha medido en0,782 ± 0,013 MeV . El último número no se mide lo suficientemente bien como para determinar la masa en reposo comparativamente pequeña del neutrino (que en teoría debe restarse de la energía cinética máxima de los electrones), así como la masa del neutrino está restringida por muchos otros métodos.

Una pequeña fracción (alrededor de uno en 1000) de neutrones libres se desintegra con los mismos productos, pero agrega una partícula adicional en forma de un rayo gamma emitido:
n→p+mi+v_mi+γ

Este rayo gamma puede considerarse como un "bremsstrahlung interno" que surge de la interacción electromagnética de la partícula beta emitida con el protón. La producción interna de rayos gamma de bremsstrahlung también es una característica menor de las desintegraciones beta de los neutrones unidos (como se analiza a continuación).

Una minoría muy pequeña de desintegraciones de neutrones (alrededor de cuatro por millón) son las denominadas "desintegraciones de dos cuerpos (neutrones)", en las que se producen un protón, un electrón y un antineutrino como de costumbre, pero el electrón no logra obtener el13,6 eV de energía necesaria para escapar del protón (la energía de ionización del hidrógeno), y por lo tanto simplemente permanece unido a él, como un átomo de hidrógeno neutro (uno de los "dos cuerpos"). En este tipo de desintegración libre de neutrones, casi toda la energía de desintegración de neutrones se la lleva el antineutrino (el otro "cuerpo"). (El átomo de hidrógeno retrocede con una velocidad de aproximadamente (energía de descomposición)/(energía de reposo del hidrógeno) veces la velocidad de la luz, o250 km/s .)

La transformación de un protón libre en un neutrón (más un positrón y un neutrino) es energéticamente imposible, ya que un neutrón libre tiene una masa mayor que un protón libre. Pero una colisión de alta energía de un protón y un electrón o neutrino puede resultar en un neutrón.

Decaimiento de neutrones ligados

Mientras que un neutrón libre tiene una vida media de aproximadamente10,2 min , la mayoría de los neutrones dentro de los núcleos son estables. De acuerdo con el modelo de capa nuclear, los protones y neutrones de un nucleido son un sistema mecánico cuántico organizado en niveles de energía discretos con números cuánticos únicos. Para que un neutrón se desintegre, el protón resultante requiere un estado disponible a menor energía que el estado inicial del neutrón. En los núcleos estables, todos los posibles estados de menor energía están llenos, lo que significa que cada uno de ellos está ocupado por dos protones con espín hacia arriba y hacia abajo. Por lo tanto, el principio de exclusión de Pauli no permite la descomposición de un neutrón en un protón dentro de núcleos estables. La situación es similar a los electrones de un átomo, donde los electrones tienen orbitales atómicos distintos y se les impide decaer a estados de menor energía, con la emisión de un fotón, por el principio de exclusión.

Los neutrones en núcleos inestables pueden decaer por desintegración beta como se describió anteriormente. En este caso, un estado cuántico energéticamente permitido está disponible para el protón resultante de la desintegración. Un ejemplo de esta descomposición es el carbono-14 (6 protones, 8 neutrones) que se descompone en nitrógeno-14 (7 protones, 7 neutrones) con una vida media de aproximadamente5.730 años .

Dentro de un núcleo, un protón puede transformarse en un neutrón a través de la desintegración beta inversa, si un estado cuántico energéticamente permitido está disponible para el neutrón. Esta transformación se produce por emisión de un positrón y un neutrino electrónico: p→norte+mi+v_mi

La transformación de un protón a un neutrón dentro de un núcleo también es posible a través de la captura de electrones: p+mi→norte+v_mi

La captura de positrones por neutrones en núcleos que contienen un exceso de neutrones también es posible, pero se ve obstaculizada porque los positrones son repelidos por el núcleo positivo y se aniquilan rápidamente cuando encuentran electrones.

Competencia de tipos de desintegración beta

El isótopo único cobre-64 (29 protones, 35 neutrones) ilustra tres tipos de desintegración beta en competencia, que tiene una vida media de aproximadamente 12,7 horas. Este isótopo tiene un protón desapareado y un neutrón desapareado, por lo que el protón o el neutrón pueden decaer. Es casi igualmente probable que este nucleido en particular sufra una desintegración de protones (por emisión de positrones, 18 % o por captura de electrones, 43 %) o desintegración de neutrones (por emisión de electrones, 39 %).

Decaimiento del neutrón por física de partículas elementales

Dentro del marco teórico del Modelo Estándar para la física de partículas, el neutrón está compuesto por dos quarks down y un quark up. El único modo de decaimiento posible para el neutrón que conserva el número bariónico es que uno de los quarks del neutrón cambie de sabor a través de la interacción débil. La descomposición de uno de los quarks down del neutrón en un quark up más liviano se puede lograr mediante la emisión de un bosón W. Mediante este proceso, la descripción del modelo estándar de desintegración beta, el neutrón se desintegra en un protón (que contiene un quark down y dos up), un electrón y un antineutrino electrónico.

La descomposición del protón a neutrón ocurre de manera similar a través de la fuerza electrodébil. La descomposición de uno de los quarks up del protón en un quark down puede lograrse mediante la emisión de un bosón W. El protón se desintegra en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico. Esta reacción solo puede ocurrir dentro de un núcleo atómico que tiene un estado cuántico a menor energía disponible para el neutrón creado.

Propiedades intrinsecas

Masa

La masa de un neutrón no puede determinarse directamente mediante espectrometría de masas ya que no tiene carga eléctrica. Pero dado que las masas de un protón y de un deuterón se pueden medir con un espectrómetro de masas, la masa de un neutrón se puede deducir restando la masa del protón de la masa del deuterón, siendo la diferencia la masa del neutrón más la energía de enlace del deuterio. (expresado como energía positiva emitida). Este último se puede medir directamente midiendo la energía () del soltero Fotón gamma de 0,7822 MeV emitido cuando se forma un deuterón cuando un protón captura un neutrón (esto es exotérmico y ocurre con neutrones de energía cero). La pequeña energía cinética de retroceso () del deuterón (alrededor del 0,06% de la energía total) también debe tenerse en cuenta

La energía de los rayos gamma se puede medir con alta precisión mediante técnicas de difracción de rayos X, como lo hicieron por primera vez Bell y Elliot en 1948. Los mejores valores modernos (1986) para la masa de neutrones mediante esta técnica los proporcionan Greene, et al. . Estos dan una masa de neutrones de:m _neutrón =1.008 644 904 (14) Da

El valor de la masa del neutrón en MeV se conoce con menos precisión, debido a la menor precisión en la conversión conocida de Da a MeV/ c :m _neutrón =939.565 63 (28) MeV/ c .

Otro método para determinar la masa de un neutrón comienza con la desintegración beta del neutrón, cuando se miden los momentos del protón y el electrón resultantes.

Carga eléctrica

La carga eléctrica total del neutrón es 0  e . Este valor cero ha sido probado experimentalmente y el límite experimental actual para la carga del neutrón es−2(8) × 10 e  , o−3(13) × 10  C . Este valor es consistente con cero, dadas las incertidumbres experimentales (indicadas entre paréntesis). En comparación, la carga del protón es+1  e .

Momento magnético

Aunque el neutrón es una partícula neutra, el momento magnético de un neutrón no es cero. El neutrón no se ve afectado por los campos eléctricos, pero sí por los campos magnéticos. El momento magnético del neutrón es una indicación de su subestructura de quarks y distribución de carga interna. El valor del momento magnético del neutrón fue medido directamente por primera vez por Luis Alvarez y Felix Bloch en Berkeley, California, en 1940. Alvarez y Bloch determinaron que el momento magnético del neutrón era μ _n =−1.93(2)  μ _N , donde μ _N es el magnetón nuclear.

En el modelo de quarks para hadrones, el neutrón se compone de un quark up (carga +2/3  e ) y dos quarks down (carga −1/3  e ). El momento magnético del neutrón se puede modelar como la suma de los momentos magnéticos de los quarks constituyentes. El cálculo asume que los quarks se comportan como partículas puntuales de Dirac, cada una con su propio momento magnético. De manera simplista, el momento magnético del neutrón puede verse como resultado de la suma vectorial de los momentos magnéticos de los tres quarks, más los momentos magnéticos orbitales causados ​​por el movimiento de los tres quarks cargados dentro del neutrón.

En uno de los primeros éxitos del modelo estándar en 1964, Mirza AB Beg, Benjamin W. Lee y Abraham Pais calcularon teóricamente la relación entre los momentos magnéticos de protones y neutrones en −3/2, lo que concuerda con el valor experimental con una precisión de 3 % El valor medido para esta relación es−1.459 898 05 (34) . Una contradicción de la base mecánica cuántica de este cálculo con el principio de exclusión de Pauli llevó al descubrimiento de la carga de color de los quarks por Oscar W. Greenberg en 1964.

El tratamiento anterior compara los neutrones con los protones, lo que permite restar el comportamiento complejo de los quarks entre los modelos y simplemente explorar cuáles serían los efectos de las diferentes cargas de quarks (o tipos de quarks). Tales cálculos son suficientes para mostrar que el interior de los neutrones es muy parecido al de los protones, excepto por la diferencia en la composición de los quarks con un quark down en el neutrón reemplazando un quark up en el protón.

El momento magnético del neutrón se puede calcular aproximadamente asumiendo una función de onda mecánica cuántica no relativista simple para bariones compuestos por tres quarks. Un cálculo sencillo proporciona estimaciones bastante precisas de los momentos magnéticos de neutrones, protones y otros bariones. Para un neutrón, el resultado final de este cálculo es que el momento magnético del neutrón viene dado por μ _n = 4/3 μ _d − 1/3 μ _u , donde μ _d y μ _uson los momentos magnéticos de los quarks down y up, respectivamente. Este resultado combina los momentos magnéticos intrínsecos de los quarks con sus momentos magnéticos orbitales y supone que los tres quarks se encuentran en un estado cuántico dominante particular.

barión	Momento magnético del modelo de quark	Calculado ({\ estilo de visualización \ mu _ {\ mathrm {N}}})	observado ({\ estilo de visualización \ mu _ {\ mathrm {N}}})
pags	4/3 μ tu − 1/3 μ re	2.79	2.793
norte	4/3 μ re - 1/3 μ tu	−1,86	−1.913

Los resultados de este cálculo son alentadores, pero se supuso que las masas de los quarks up o down eran 1/3 de la masa de un nucleón. Las masas de los quarks son en realidad solo alrededor del 1% de la de un nucleón. La discrepancia surge de la complejidad del modelo estándar para los nucleones, donde la mayor parte de su masa se origina en los campos de gluones, partículas virtuales y su energía asociada, que son aspectos esenciales de la fuerza fuerte. Además, el complejo sistema de quarks y gluones que constituyen un neutrón requiere un tratamiento relativista.Pero el momento magnético del nucleón se ha calculado con éxito numéricamente a partir de los primeros principios, incluidos todos los efectos mencionados y utilizando valores más realistas para las masas de los quarks. El cálculo arrojó resultados que concordaban bastante con la medición, pero requirió recursos informáticos significativos.

Girar

El neutrón es una partícula de espín  1/2 , es decir, es un fermión con momento angular intrínseco igual a 1/2 ħ , donde ħ es la constante de Planck reducida. Durante muchos años después del descubrimiento del neutrón, su giro exacto fue ambiguo. Aunque se asumió que era una  partícula de Dirac de espín 1/2, la posibilidad de que el neutrón fuera una  partícula de espín 3/2 persistía . Se aprovecharon las interacciones del momento magnético del neutrón con un campo magnético externo para determinar finalmente el espín del neutrón. En 1949, Hughes y Burgy midieron los neutrones reflejados en un espejo ferromagnético y encontraron que la distribución angular de los reflejos era consistente con el  espín 1/2 . En 1954, Sherwood, Stephenson y Bernstein emplearon neutrones en un experimento de Stern-Gerlach que utilizó un campo magnético para separar los estados de espín de los neutrones. Registraron dos de esos estados de espín, consistentes con una partícula  de espín 1/2 .

Como fermión, el neutrón está sujeto al principio de exclusión de Pauli; dos neutrones no pueden tener los mismos números cuánticos. Esta es la fuente de la presión de degeneración que hace posibles las estrellas de neutrones.

Estructura y geometría de la distribución de carga.

Un artículo publicado en 2007 con un análisis independiente del modelo concluyó que el neutrón tiene un exterior con carga negativa, un centro con carga positiva y un núcleo negativo. En una visión clásica simplificada, la "piel" negativa del neutrón lo ayuda a ser atraído por los protones con los que interactúa en el núcleo; pero la principal atracción entre los neutrones y los protones es a través de la fuerza nuclear, que no implica carga eléctrica.

La vista clásica simplificada de la distribución de carga del neutrón también "explica" el hecho de que el dipolo magnético del neutrón apunta en la dirección opuesta a su vector de momento angular de espín (en comparación con el protón). Esto le da al neutrón, en efecto, un momento magnético que se asemeja a una partícula cargada negativamente. Esto se puede conciliar clásicamente con un neutrón neutro compuesto por una distribución de carga en la que las subpartes negativas del neutrón tienen un radio de distribución promedio más grande y, por lo tanto, contribuyen más al momento dipolar magnético de la partícula que las partes positivas que son , en promedio, más cerca del núcleo.

Momento dipolar eléctrico

El modelo estándar de física de partículas predice una pequeña separación de carga positiva y negativa dentro del neutrón que conduce a un momento dipolar eléctrico permanente. Pero el valor predicho está muy por debajo de la sensibilidad actual de los experimentos. De varios acertijos sin resolver en la física de partículas, está claro que el modelo estándar no es la descripción final y completa de todas las partículas y sus interacciones. Las nuevas teorías que van más allá del modelo estándar generalmente conducen a predicciones mucho más grandes para el momento dipolar eléctrico del neutrón. Actualmente, hay al menos cuatro experimentos que intentan medir por primera vez un momento dipolar eléctrico de neutrones finito, que incluyen:

• Experimento de EDM de neutrones criogénicos que se está instalando en el Institut Laue-Langevin
• Experimento nEDM en construcción en la nueva fuente UCN en el Instituto Paul Scherrer
• Experimento nEDM previsto en la fuente de neutrones por espalación
• Experimento nEDM en construcción en el Institut Laue-Langevin

Antineutrón

El antineutrón es la antipartícula del neutrón. Fue descubierto por Bruce Cork en 1956, un año después del descubrimiento del antiprotón. La simetría CPT impone fuertes restricciones a las propiedades relativas de partículas y antipartículas, por lo que el estudio de los antineutrones proporciona pruebas estrictas sobre la simetría CPT. La diferencia fraccionaria en las masas del neutrón y el antineutrón es(9 ± 6) × 10 . Dado que la diferencia está a solo dos desviaciones estándar de cero, esto no brinda ninguna evidencia convincente de violación de CPT.

Compuestos de neutrones

Dineutrones y tetraneutrones

La existencia de cúmulos estables de 4 neutrones, o tetraneutrones, ha sido planteada como hipótesis por un equipo dirigido por Francisco-Miguel Marqués del Laboratorio de Física Nuclear del CNRS a partir de observaciones de la desintegración de núcleos de berilio-14. Esto es particularmente interesante porque la teoría actual sugiere que estos grupos no deberían ser estables.

En febrero de 2016, el físico japonés Susumu Shimoura de la Universidad de Tokio y sus compañeros de trabajo informaron que habían observado los supuestos tetraneutrones por primera vez de forma experimental. Los físicos nucleares de todo el mundo dicen que este descubrimiento, si se confirma, sería un hito en el campo de la física nuclear y ciertamente profundizaría nuestra comprensión de las fuerzas nucleares.

El dineutrón es otra partícula hipotética. En 2012, Artemis Spyrou de la Universidad Estatal de Michigan y sus compañeros de trabajo informaron que observaron, por primera vez, la emisión de dineutrones en la descomposición de Be. El carácter de dineutrón se evidencia por un pequeño ángulo de emisión entre los dos neutrones. Los autores midieron la energía de separación de dos neutrones en 1,35 (10) MeV, lo que concuerda bien con los cálculos del modelo de capa, utilizando interacciones estándar para esta región de masas.

Neutronio y estrellas de neutrones

Se cree que a presiones y temperaturas extremadamente altas, los nucleones y los electrones colapsan en materia neutrónica a granel, llamada neutronio. Se supone que esto sucede en las estrellas de neutrones.

La presión extrema dentro de una estrella de neutrones puede deformar los neutrones en una simetría cúbica, lo que permite un empaquetamiento más apretado de neutrones.

Detección

El medio común de detectar una partícula cargada buscando un rastro de ionización (como en una cámara de niebla) no funciona directamente con los neutrones. Los neutrones que se dispersan elásticamente de los átomos pueden crear una pista de ionización que es detectable, pero los experimentos no son tan simples de realizar; se utilizan más comúnmente otros medios para detectar neutrones, consistentes en permitirles interactuar con núcleos atómicos. Por lo tanto, los métodos comúnmente utilizados para detectar neutrones se pueden clasificar según los procesos nucleares en los que se basan, principalmente la captura de neutrones o la dispersión elástica.

Detección de neutrones por captura de neutrones

Un método común para detectar neutrones consiste en convertir la energía liberada por las reacciones de captura de neutrones en señales eléctricas. Ciertos nucleidos tienen una sección transversal de captura de neutrones alta, que es la probabilidad de absorber un neutrón. Tras la captura de neutrones, el núcleo compuesto emite una radiación más fácilmente detectable, por ejemplo, una partícula alfa, que luego se detecta. los nucleidos
Él,li,B,tu,tu,Notario público,y,PU,son útiles para este propósito.

Detección de neutrones por dispersión elástica

Los neutrones pueden dispersarse elásticamente de los núcleos, haciendo que el núcleo golpeado retroceda. Cinemáticamente, un neutrón puede transferir más energía a un núcleo ligero como el hidrógeno o el helio que a un núcleo más pesado. Los detectores que se basan en la dispersión elástica se denominan detectores de neutrones rápidos. Los núcleos en retroceso pueden ionizar y excitar más átomos a través de colisiones. La luz de carga y/o centelleo producida de esta manera puede recogerse para producir una señal detectada. Un gran desafío en la detección de neutrones rápidos es discernir dichas señales de las señales erróneas producidas por la radiación gamma en el mismo detector. Se pueden usar métodos como la discriminación de la forma del pulso para distinguir las señales de neutrones de las señales de rayos gamma, aunque se han desarrollado ciertos detectores basados ​​en centelleadores inorgánicos. para detectar selectivamente neutrones en campos de radiación mixtos inherentemente sin ninguna técnica adicional.

Los detectores de neutrones rápidos tienen la ventaja de no requerir un moderador y, por lo tanto, son capaces de medir la energía del neutrón, el tiempo de llegada y, en ciertos casos, la dirección de incidencia.

Fuentes y producción

Los neutrones libres son inestables, aunque tienen la vida media más larga de todas las partículas subatómicas inestables en varios órdenes de magnitud. Su vida media sigue siendo de solo unos 10 minutos, por lo que solo se pueden obtener de fuentes que los produzcan continuamente.

Fondo de neutrones naturales.Un pequeño flujo de fondo natural de neutrones libres existe en todas partes de la Tierra. En la atmósfera y en las profundidades del océano, el "fondo de neutrones" es causado por muones producidos por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera. Estos muones de alta energía son capaces de penetrar a profundidades considerables en el agua y el suelo. Allí, al chocar contra núcleos atómicos, entre otras reacciones inducen reacciones de espalación en las que se libera un neutrón del núcleo. Dentro de la corteza terrestre, una segunda fuente son los neutrones producidos principalmente por la fisión espontánea del uranio y el torio presentes en los minerales de la corteza. El fondo de neutrones no es lo suficientemente fuerte como para ser un riesgo biológico, pero es importante para los detectores de partículas de muy alta resolución que buscan eventos muy raros.Investigaciones recientes han demostrado que incluso las tormentas eléctricas pueden producir neutrones con energías de hasta varias decenas de MeV. Investigaciones recientes han demostrado que la fluencia de estos neutrones oscila entre 10 y 10 por ms y por m dependiendo de la altitud de detección. La energía de la mayoría de estos neutrones, incluso con energías iniciales de 20 MeV, disminuye hasta el rango de keV en 1 ms.

Se produce una radiación de fondo de neutrones aún más fuerte en la superficie de Marte, donde la atmósfera es lo suficientemente gruesa como para generar neutrones a partir de la producción de muones de rayos cósmicos y la espalación de neutrones, pero no lo suficientemente gruesa como para proporcionar una protección significativa contra los neutrones producidos. Estos neutrones no solo producen un riesgo de radiación de neutrones en la superficie marciana debido a la radiación de neutrones directa hacia abajo, sino que también pueden producir un riesgo significativo por la reflexión de los neutrones desde la superficie marciana, lo que producirá una radiación de neutrones reflejada que penetrará hacia arriba en una nave o hábitat marciano desde la superficie. piso.

Fuentes de neutrones para la investigación. Estos incluyen ciertos tipos de desintegración radiactiva (fisión espontánea y emisión de neutrones) y de ciertas reacciones nucleares. Las reacciones nucleares convenientes incluyen reacciones de sobremesa como el bombardeo alfa y gamma natural de ciertos nucleidos, a menudo berilio o deuterio, y la fisión nuclear inducida, como ocurre en los reactores nucleares. Además, las reacciones nucleares de alta energía (como las que ocurren en las lluvias de radiación cósmica o las colisiones de aceleradores) también producen neutrones a partir de la desintegración de los núcleos objetivo. Los aceleradores de partículas pequeños (de mesa) optimizados para producir neutrones libres de esta manera se denominan generadores de neutrones.

En la práctica, las pequeñas fuentes de neutrones de laboratorio más utilizadas utilizan la desintegración radiactiva para impulsar la producción de neutrones. Un radioisótopo productor de neutrones, el californio-252, se desintegra (vida media 2,65 años) por fisión espontánea el 3% del tiempo con una producción de 3,7 neutrones por fisión, y se usa solo como fuente de neutrones de este proceso. Las fuentes de reacción nuclear (que involucran dos materiales) alimentadas por radioisótopos utilizan una fuente de desintegración alfa más un objetivo de berilio, o bien una fuente de radiación gamma de alta energía de una fuente que sufre una desintegración beta seguida de una desintegración gamma, que produce fotoneutrones en la interacción de el rayo gamma de alta energía con berilio ordinario estable, o bien con el deuterio en agua pesada. Una fuente popular de este último tipo es el antimonio-124 radiactivo más berilio, un sistema con una vida media de 60.

Los reactores de fisión nuclear producen naturalmente neutrones libres; su función es sostener la reacción en cadena productora de energía. La intensa radiación de neutrones también se puede utilizar para producir varios radioisótopos a través del proceso de activación de neutrones, que es un tipo de captura de neutrones.

Los reactores de fusión nuclear experimentales producen neutrones libres como producto de desecho. Pero son estos neutrones los que poseen la mayor parte de la energía, y convertir esa energía en una forma útil ha demostrado ser un desafío de ingeniería difícil. Es probable que los reactores de fusión que generan neutrones generen desechos radiactivos, pero los desechos están compuestos por isótopos más ligeros activados por neutrones, que tienen períodos de descomposición relativamente cortos (50 a 100 años) en comparación con las vidas medias típicas de 10 000 años para los desechos de fisión. que es largo debido principalmente a la larga vida media de los actínidos transuránicos emisores de alfa. Se proponen algunos híbridos de fusión-fisión nuclear para hacer uso de esos neutrones para mantener un reactor subcrítico o para ayudar en la transmutación nuclear de desechos nucleares nocivos de vida prolongada en nucleidos estables o de vida más corta.

Haces de neutrones y modificación de haces después de la producción.

Los haces de neutrones libres se obtienen a partir de fuentes de neutrones mediante transporte de neutrones. Para acceder a fuentes de neutrones intensos, los investigadores deben ir a una instalación de neutrones especializada que opere un reactor de investigación o una fuente de espalación.

La falta de carga eléctrica total de los neutrones hace que sea difícil dirigirlos o acelerarlos. Las partículas cargadas pueden ser aceleradas, desaceleradas o desviadas por campos eléctricos o magnéticos. Estos métodos tienen poco efecto sobre los neutrones. Pero algunos efectos pueden lograrse mediante el uso de campos magnéticos no homogéneos debido al momento magnético del neutrón. Los neutrones se pueden controlar mediante métodos que incluyen moderación, reflexión y selección de velocidad. Los neutrones térmicos pueden polarizarse por transmisión a través de materiales magnéticos en un método análogo al efecto Faraday para fotones. Los neutrones fríos de longitudes de onda de 6 a 7 angstroms se pueden producir en haces de un alto grado de polarización mediante el uso de espejos magnéticos y filtros de interferencia magnetizados.

Aplicaciones

El neutrón juega un papel importante en muchas reacciones nucleares. Por ejemplo, la captura de neutrones a menudo da como resultado la activación de neutrones, lo que induce radiactividad. En particular, el conocimiento de los neutrones y su comportamiento ha sido importante en el desarrollo de reactores nucleares y armas nucleares. La fisión de elementos como el uranio-235 y el plutonio-239 es causada por su absorción de neutrones.

La radiación de neutrones fríos , térmicos y calientes se emplea comúnmente en instalaciones de dispersión de neutrones, donde la radiación se usa de manera similar a los rayos X para el análisis de materia condensada. Los neutrones son complementarios a estos últimos en términos de contrastes atómicos por diferentes secciones transversales de dispersión; sensibilidad al magnetismo; rango de energía para espectroscopia de neutrones inelásticos; y profunda penetración en la materia.

El desarrollo de "lentes de neutrones" basadas en la reflexión interna total dentro de tubos capilares de vidrio huecos o mediante la reflexión de placas de aluminio con hoyuelos ha impulsado la investigación en curso en microscopía de neutrones y tomografía de rayos gamma/de neutrones.

Un uso importante de los neutrones es excitar los rayos gamma retardados y rápidos de los elementos de los materiales. Esto forma la base del análisis de activación de neutrones (NAA) y el análisis de activación de neutrones gamma inmediatos (PGNAA). NAA se usa con mayor frecuencia para analizar pequeñas muestras de materiales en un reactor nuclear, mientras que PGNAA se usa con mayor frecuencia para analizar rocas subterráneas alrededor de perforaciones y materiales industriales a granel en cintas transportadoras.

Otro uso de los emisores de neutrones es la detección de núcleos ligeros, en particular el hidrógeno que se encuentra en las moléculas de agua. Cuando un neutrón rápido choca con un núcleo ligero, pierde una gran fracción de su energía. Al medir la velocidad a la que los neutrones lentos regresan a la sonda después de reflejarse en los núcleos de hidrógeno, una sonda de neutrones puede determinar el contenido de agua en el suelo.

Terapias médicas

Debido a que la radiación de neutrones es tanto penetrante como ionizante, puede aprovecharse para tratamientos médicos. Sin embargo, la radiación de neutrones puede tener el desafortunado efecto secundario de dejar el área afectada radiactiva. Por lo tanto, la tomografía de neutrones no es una aplicación médica viable.

La terapia de neutrones rápidos utiliza neutrones de alta energía, normalmente superiores a 20 MeV, para tratar el cáncer. La radioterapia de los cánceres se basa en la respuesta biológica de las células a la radiación ionizante. Si la radiación se administra en sesiones pequeñas para dañar las áreas cancerosas, el tejido normal tendrá tiempo para repararse a sí mismo, mientras que las células tumorales a menudo no pueden hacerlo. La radiación de neutrones puede enviar energía a una región cancerosa a una velocidad un orden de magnitud mayor que la radiación gamma.

Los haces de neutrones de baja energía se utilizan en la terapia de captura de neutrones de boro para tratar el cáncer. En la terapia de captura de neutrones con boro, al paciente se le administra un fármaco que contiene boro y que se acumula preferentemente en el tumor al que se dirige. Luego, el tumor se bombardea con neutrones de muy baja energía (aunque a menudo más alta que la energía térmica) que son capturados por el isótopo boro-10 en el boro, lo que produce un estado excitado de boro-11 que luego se descompone para producir litio-7 y una partícula alfa que tiene suficiente energía para matar la célula maligna, pero alcance insuficiente para dañar las células cercanas. Para que dicha terapia se aplique al tratamiento del cáncer, una fuente de neutrones que tenga una intensidad del orden de mil millones (10 ) de neutrones por segundo por cmse prefiere. Dichos flujos requieren un reactor nuclear de investigación.

Proteccion

La exposición a neutrones libres puede ser peligrosa, ya que la interacción de los neutrones con las moléculas del cuerpo puede provocar la interrupción de las moléculas y los átomos, y también puede provocar reacciones que den lugar a otras formas de radiación (como los protones). Se aplican las precauciones normales de protección contra la radiación: evite la exposición, manténgase lo más lejos posible de la fuente y mantenga el tiempo de exposición al mínimo. Pero se debe pensar especialmente en cómo protegerse de la exposición a los neutrones. Para otros tipos de radiación, por ejemplo, partículas alfa, partículas beta o rayos gamma, el material de un número atómico alto y con alta densidad constituye un buen blindaje; con frecuencia, se utiliza plomo. Sin embargo, este enfoque no funcionará con neutrones, ya que la absorción de neutrones no aumenta directamente con el número atómico, como lo hace con la radiación alfa, beta y gamma. En cambio, uno necesita mirar las interacciones particulares que tienen los neutrones con la materia (vea la sección sobre detección anterior). Por ejemplo, los materiales ricos en hidrógeno se utilizan a menudo para protegerse de los neutrones, ya que el hidrógeno ordinario dispersa y ralentiza los neutrones. Esto a menudo significa que los bloques de hormigón simples o incluso los bloques de plástico cargados de parafina brindan una mejor protección contra los neutrones que los materiales mucho más densos. Después de la desaceleración, los neutrones pueden absorberse con un isótopo que tenga una alta afinidad por los neutrones lentos sin causar radiación de captura secundaria, como el litio-6. Esto a menudo significa que los bloques de hormigón simples o incluso los bloques de plástico cargados de parafina brindan una mejor protección contra los neutrones que los materiales mucho más densos. Después de la desaceleración, los neutrones pueden absorberse con un isótopo que tenga una alta afinidad por los neutrones lentos sin causar radiación de captura secundaria, como el litio-6. Esto a menudo significa que los bloques de hormigón simples o incluso los bloques de plástico cargados de parafina brindan una mejor protección contra los neutrones que los materiales mucho más densos. Después de la desaceleración, los neutrones pueden absorberse con un isótopo que tenga una alta afinidad por los neutrones lentos sin causar radiación de captura secundaria, como el litio-6.

El agua común rica en hidrógeno afecta la absorción de neutrones en los reactores de fisión nuclear: por lo general, los neutrones son tan absorbidos por el agua normal que se requiere el enriquecimiento del combustible con isótopos fisionables. El deuterio en el agua pesada tiene una afinidad de absorción por los neutrones mucho menor que el protio (hidrógeno ligero normal). Por lo tanto, el deuterio se usa en reactores de tipo CANDU para reducir (moderar) la velocidad de los neutrones y aumentar la probabilidad de fisión nuclear en comparación con la captura de neutrones.

Temperatura de neutrones

Neutrones térmicos

Los neutrones térmicos son neutrones libres cuyas energías tienen una distribución de Maxwell-Boltzmann con kT = 0,0253 eV (4,0 × 10  J ) a temperatura ambiente. Esto da una velocidad característica (no promedio ni mediana) de 2,2 km/s. El nombre 'térmico' proviene de que su energía es la del gas a temperatura ambiente o el material que están permeando. (ver teoría cinética para energías y velocidades de moléculas). Después de una serie de colisiones (a menudo en el rango de 10 a 20) con los núcleos, los neutrones llegan a este nivel de energía, siempre que no sean absorbidos.

En muchas sustancias, las reacciones de neutrones térmicos muestran una sección transversal efectiva mucho mayor que las reacciones que involucran neutrones más rápidos y, por lo tanto, los neutrones térmicos pueden ser absorbidos más fácilmente (es decir, con mayor probabilidad) por cualquier núcleo atómico con el que chocan, creando un más pesado: ya menudo inestable – isótopo del elemento químico como resultado.

La mayoría de los reactores de fisión utilizan un moderador de neutrones para reducir la velocidad o termalizar los neutrones que emite la fisión nuclear para que se capturen más fácilmente y provoquen más fisión. Otros, llamados reactores reproductores rápidos, usan neutrones de energía de fisión directamente.

Neutrones fríos

Los neutrones fríos son neutrones térmicos que se han equilibrado en una sustancia muy fría como el deuterio líquido. Tal fuente fría se coloca en el moderador de un reactor de investigación o fuente de espalación. Los neutrones fríos son particularmente valiosos para los experimentos de dispersión de neutrones.

Neutrones ultrafríos

Los neutrones ultrafríos se producen por dispersión inelástica de neutrones fríos en sustancias con una sección transversal de absorción de neutrones baja a una temperatura de unos pocos kelvin, como el deuterio sólido o el helio superfluido. Un método de producción alternativo es la desaceleración mecánica de neutrones fríos aprovechando el desplazamiento Doppler.

Neutrones de energía de fisión

Un neutrón rápido es un neutrón libre con un nivel de energía cinética cercano a1 MeV (1,6 × 10  J ), por lo tanto, una velocidad de ~14 000  km/s (~ 5% de la velocidad de la luz). Se denominan energía de fisión o neutrones rápidos para distinguirlos de los neutrones térmicos de menor energía y los neutrones de alta energía producidos en las lluvias o aceleradores cósmicos. Los neutrones rápidos son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear. Los neutrones producidos en la fisión, como se señaló anteriormente, tienen una distribución de energías cinéticas de Maxwell-Boltzmann de 0 a ~14 MeV, una energía media de 2 MeV (para los neutrones de fisión U) y una moda de solo 0,75 MeV, lo que significa que más de la mitad de ellos no califican como rápidos (y, por lo tanto, casi no tienen posibilidades de iniciar la fisión en materiales fértiles, como U y Th).

Los neutrones rápidos se pueden convertir en neutrones térmicos a través de un proceso llamado moderación. Esto se hace con un moderador de neutrones. En los reactores, normalmente se utiliza agua pesada, agua ligera o grafito para moderar los neutrones.

Neutrones de fusión

La fusión D-T (deuterio-tritio) es la reacción de fusión que produce los neutrones más energéticos, con 14,1 MeV de energía cinética y viajando al 17% de la velocidad de la luz. La fusión D-T es también la reacción de fusión más fácil de encender, alcanzando tasas cercanas al pico incluso cuando los núcleos de deuterio y tritio tienen solo una milésima parte de la energía cinética de los 14,1 MeV que se producirán.

Los neutrones de 14,1 MeV tienen aproximadamente 10 veces más energía que los neutrones de fisión y son muy efectivos para fisionar incluso núcleos pesados ​​​​no fisionables, y estas fisiones de alta energía producen más neutrones en promedio que las fisiones por neutrones de menor energía. Esto hace que las fuentes de neutrones de fusión D-T, como los reactores de potencia tokamak propuestos, sean útiles para la transmutación de desechos transuránicos. Los neutrones de 14,1 MeV también pueden producir neutrones soltándolos de los núcleos.

Por otro lado, es menos probable que estos neutrones de muy alta energía sean simplemente capturados sin causar fisión o espalación. Por estas razones, el diseño de armas nucleares utiliza ampliamente neutrones de 14,1 MeV de fusión D-T para causar más fisión. Los neutrones de fusión pueden causar fisión en materiales normalmente no fisionables, como el uranio empobrecido (uranio-238), y estos materiales se han utilizado en las cubiertas de armas termonucleares. Los neutrones de fusión también pueden causar fisión en sustancias que no son adecuadas o difíciles de convertir en bombas de fisión primarias, como el plutonio apto para reactores. Este hecho físico hace que los materiales ordinarios no aptos para armas se conviertan en motivo de preocupación en ciertos debates y tratados sobre proliferación nuclear.

Otras reacciones de fusión producen neutrones mucho menos energéticos. La fusión D-D produce un neutrón de 2,45 MeV y helio-3 la mitad del tiempo, y produce tritio y un protón pero ningún neutrón el resto del tiempo. D– La fusión no produce neutrones.

Neutrones de energía intermedia

Un neutrón de energía de fisión que se ha ralentizado pero aún no ha alcanzado las energías térmicas se denomina neutrón epitermal.

Las secciones transversales para las reacciones de captura y fisión a menudo tienen múltiples picos de resonancia a energías específicas en el rango de energía epitermal. Estos son de menor importancia en un reactor de neutrones rápidos, donde la mayoría de los neutrones se absorben antes de reducir su velocidad a este rango, o en un reactor térmico bien moderado, donde los neutrones epitermales interactúan principalmente con núcleos moderadores, no con nucleidos de actínidos fisionables o fértiles. . Pero en un reactor parcialmente moderado con más interacciones de neutrones epitermales con núcleos de metales pesados, existen mayores posibilidades de cambios transitorios en la reactividad que podrían dificultar el control del reactor.

Las proporciones de reacciones de captura a reacciones de fisión también son peores (más capturas sin fisión) en la mayoría de los combustibles nucleares como el plutonio-239, lo que hace que los reactores de espectro epitermal que utilizan estos combustibles sean menos deseables, ya que las capturas no solo desperdician el neutrón capturado, sino que también suelen resultar en un nucleido que no es fisionable con neutrones térmicos o epitermales, aunque sí fisionable con neutrones rápidos. La excepción es el uranio-233 del ciclo del torio, que tiene buenas relaciones de captura-fisión en todas las energías de los neutrones.

Neutrones de alta energía

Los neutrones de alta energía tienen mucha más energía que los neutrones de energía de fisión y se generan como partículas secundarias por los aceleradores de partículas o en la atmósfera a partir de los rayos cósmicos. Estos neutrones de alta energía son extremadamente eficientes en la ionización y es mucho más probable que causen la muerte celular que los rayos X o los protones.