Come i neutroni influenzano la carica elettrica

Neutrone

Particella subatomica senza carica

Questo articolo riguarda la particella subatomica. Per altri usi, vedi Neutron (disambigua).

Da non confondere con il neurone o il neutrino.

Il neutrone è una particella subatomica, simbolo
n
o
n 0
, che non ha carica elettrica e una massa leggermente maggiore di quella di un protone. Protoni e neutroni costituiscono i nuclei degli atomi. Poiché i protoni e i neutroni si comportano in modo simile all'interno del nucleo, sono entrambi indicati come nucleoni. I nucleoni hanno una massa di circa un'unità di massa atomica, o dalton (simbolo: Da). Le loro proprietà e interazioni sono descritte dalla fisica nucleare. Protoni e neutroni non sono particelle elementari; Ognuno è composto da tre quark.

Le proprietà chimiche di un atomo sono per lo più determinate dalla configurazione degli elettroni che orbitano attorno al peso dell'atomo nucleo. La configurazione elettronica è determinata dalla carica del nucleo, che è determinata dal numero di protoni, o numero atomico. Il numero di neutroni è il numero di neutroni. I neutroni non influenzano la configurazione elettronica.

Gli atomi di un elemento chimico che differiscono solo per il numero di neutroni sono chiamati isotopi. Ad esempio, il carbonio, con numero atomico 6, ha un isotopo abbondante carbonio-12 con 6 neutroni e un raro isotopo carbonio-13 con 7 neutroni. Alcuni elementi si trovano in natura con un solo isotopo stabile, come il fluoro. Altri elementi si trovano con molti isotopi stabili, come lo stagno con dieci isotopi stabili, o senza isotopi stabili, come il tecnezio.

Le proprietà di un nucleo atomico dipendono sia dal numero atomico che da quello neutronico. Con la loro carica positiva, i protoni all'interno del nucleo sono respinti dalla forza elettromagnetica a lungo raggio, ma la forza nucleare molto più forte, ma a corto raggio, lega la forza nucleoni strettamente uniti. I neutroni sono necessari per la stabilità dei nuclei, ad eccezione del nucleo di idrogeno a singolo protone. I neutroni sono prodotti in abbondanza nella fissione nucleare e nella fusione. Essi contribuiscono in modo determinante alla nucleosintesi degli elementi chimici all'interno delle stelle attraverso i processi di fissione, fusione e cattura di neutroni.

Il neutrone è essenziale per la produzione di energia nucleare. Nel decennio successivo alla scoperta del neutrone da parte di James Chadwick nel 1932, i neutroni furono utilizzati per indurre molti tipi diversi di trasmutazioni nucleari. Con la scoperta della fissione nucleare nel 1938, ci si rese presto conto che, se un evento di fissione produceva neutroni, ognuno di questi neutroni poteva causare ulteriori eventi di fissione, in una cascata nota come reazione nucleare a catena. Questi eventi e scoperte portarono al primo reattore nucleare autosufficiente (Chicago Pile-1, 1942) e alla prima arma nucleare (Trinity, 1945).

Dedicato Le sorgenti di neutroni come i generatori di neutroni, i reattori di ricerca e le sorgenti di spallazione producono neutroni liberi da utilizzare nell'irradiazione e negli esperimenti di scattering di neutroni. Un neutrone libero decade spontaneamente in un protone, un elettrone e un antineutrino, con un tempo medio di circa 15 minuti. I neutroni liberi non ionizzano direttamente gli atomi, ma causano indirettamente radiazioni ionizzanti, quindi possono essere un pericolo biologico, a seconda della dose. Sulla Terra esiste un piccolo flusso naturale di neutroni liberi "di fondo neutronico", causato da piogge di raggi cosmici e dalla radioattività naturale di elementi spontaneamente fissili nella crosta terrestre.

Neutroni in un nucleo atomico

Un nucleo atomico è formato da un numero di protoni, Z (il numero atomico), e un numero di neutroni, N (il numero di neutroni), legati insieme dalla forza nucleare. I protoni e i neutroni hanno ciascuno una massa di circa un dalton. Le Il numero atomico determina le proprietà chimiche dell'atomo e il numero di neutroni determina l'isotopo o nuclide. [7] : 4 I termini isotopo e nuclide sono spesso usati come sinonimi, ma si riferiscono rispettivamente a proprietà chimiche e nucleari. [7] : 4 Gli isotopi sono nuclidi con lo stesso numero atomico, ma con un numero di neutroni diverso. I nuclidi con lo stesso numero di neutroni, ma con numero atomico diverso, sono chiamati isotoni. [8] Il numero di massa atomica, A , è uguale alla somma dei numeri atomici e neutronici. I nuclidi con lo stesso numero di massa atomica, ma con numeri atomici e neutronici diversi, sono chiamati isobare. [8] La massa di un nucleo è sempre leggermente inferiore alla somma delle sue masse di protoni e neutroni: la differenza di massa rappresenta la massa equivalente all'energia di legame nucleare, il energia che dovrebbe essere aggiunta per smontare il nucleo. [9] : 822

Il nucleo dell'isotopo più comune dell'atomo di idrogeno (con il simbolo chimico 1 H) è un protone solitario. [7] : 20 I nuclei degli isotopi pesanti dell'idrogeno deuterio (D o 2 H) e trizio (T o 3 H) contengono un protone legato a uno e due neutroni, rispettivamente. [7] : 20 Tutti gli altri tipi di nuclei atomici sono composti da due o più protoni e da un numero variabile di neutroni. Il nuclide più comune dell'elemento chimico comune piombo, il 208 Pb, ha 82 protoni e 126 neutroni, per esempio. [10] La tavola dei nuclidi comprende tutti i nuclidi conosciuti. Anche se non è un elemento chimico, il neutrone è incluso in questa tabella. [11]

Protoni e neutroni si comportano in modo quasi identico sotto l'influenza della forza nucleare all'interno del nucleo. Sono quindi entrambi indicati collettivamente come nucleoni. [12] Il concetto di isospin, in cui il protone e il neutrone sono visti come due stati quantistici della stessa particella, viene utilizzato per modellare le interazioni dei nucleoni da parte delle forze nucleari o deboli. [13] : 141

Energia nucleare

A causa della forza della forza nucleare a brevi distanze, i nucleoni che legano l'energia nucleare sono molti ordini di grandezza maggiori degli elettroni che legano l'energia elettromagnetica negli atomi. [7] : 4 Nella fissione nucleare, l'assorbimento di un neutrone da parte di alcuni nuclidi pesanti (come l'uranio-235) può causare l'instabilità del nuclide e la rottura in nuclidi e neutroni aggiuntivi. [7] I nuclidi leggeri caricati positivamente, o "frammenti di fissione", si respingono, rilasciando energia potenziale elettromagnetica. [14] Se questa reazione avviene all'interno di una massa di materiale fissile, i neutroni aggiuntivi causano ulteriori eventi di fissione, inducendo una cascata nota come reazione nucleare a catena. [7] : 12-13 Per una data massa di materiale fissile, tali reazioni nucleari rilasciano energia che è circa dieci milioni di volte quella di una massa equivalente di un esplosivo chimico convenzionale. [7] : 13 [15] In definitiva, la capacità della forza nucleare di immagazzinare energia derivante dalla repulsione elettromagnetica dei componenti nucleari è la base per la maggior parte dell'energia che rende possibili i reattori nucleari o le bombe; la maggior parte dell'energia rilasciata da La fissione è l'energia cinetica dei frammenti di fissione. [14] [7] : 12

Decadimento beta

Articolo principale: Decadimento beta

I neutroni e i protoni all'interno di un nucleo si comportano in modo simile e possono scambiare le loro identità con reazioni simili. Queste reazioni sono una forma di decadimento radioattivo noto come decadimento beta. [16] Il decadimento beta, in cui i neutroni decadono in protoni, o viceversa, è governato dalla forza debole e richiede l'emissione o l'assorbimento di elettroni e neutrini, o delle loro antiparticelle. [17] Le reazioni di decadimento dei neutroni e dei protoni sono:


n 0
→
p +
+
e −
+
ν
e

dove
p +
,
e −
e
e ν
e denotano i prodotti di decadimento anti-neutrino del protone, dell'elettrone e dell'elettrone, [18] e


→

n 0
+
e +
+
ν
e

dove
n 0
,
e +
, e ν

e denotano i prodotti di decadimento del neutrone, del positrone e del neutrino elettronico.

L'elettrone e il positrone prodotti in queste reazioni sono storicamente noti come particelle beta, denotate rispettivamente β − o β +, dando il nome al processo di decadimento. [17] In queste reazioni, la particella originale non è composta dalle particelle del prodotto; piuttosto, le particelle del prodotto vengono create nell'istante della reazione. [19] : 369–370

Il neutrone "libero"

Articolo principale: Libero I

neutroni "liberi" o protoni sono nucleoni che esistono indipendentemente, liberi da qualsiasi nucleo.

Il neutrone libero ha una massa di 939565413.3 eV/ c 2 , o 939.5654133 MeV/ c 2 . Questa massa è pari a 1,674927471×10 −27 kg, o 1,00866491588 Da. [4] Il neutrone ha un raggio quadratico medio di circa 0,8×10 −15 m, o 0,8 fm, [20] ed è un fermione di spin-1/2. [21] Il neutrone non ha carica elettrica misurabile. Con la sua carica elettrica positiva, il protone è direttamente influenzato dai campi elettrici, mentre il neutrone non è influenzato dai campi elettrici. [22] Il neutrone ha un momento magnetico, tuttavia, quindi è influenzato dai campi magnetici. [23] Le proprietà specifiche del neutrone sono descritte di seguito nella sezione Proprietà intrinseche sezione.

Al di fuori del nucleo, i neutroni liberi subiscono un decadimento beta con un tempo medio di circa 14 minuti e 38 secondi, [24] corrispondente a un tempo di dimezzamento di circa 10 minuti e 11 s. La massa del neutrone è maggiore di quella del protone di 1,29332 MeV/ c 2 , [25] quindi la massa del neutrone fornisce energia sufficiente per la creazione del protone, dell'elettrone e dell'anti-neutrino. Nel processo di decadimento, il protone, l'elettrone e l'anti-neutrino elettronico conservano l'energia, la carica e il numero di leptoni del neutrone. [26] L'elettrone può acquisire un'energia cinetica fino a 0,782±0,013 MeV. [25]

Ancora inspiegabili, diversi metodi sperimentali per misurare la durata del neutrone, i metodi "bottiglia" e "fascio", producono valori diversi per esso. [27] Il metodo "bottiglia" impiega neutroni "freddi" intrappolati in un bottiglia, mentre il metodo "beam" impiega neutroni energetici in un fascio di particelle. Le misurazioni con i due metodi non sono state convergenti nel tempo. La durata del metodo della bottiglia è attualmente di 877,75 s [28] [29], che è 10 secondi al di sotto del valore del metodo del fascio di 887,7 s [30]

Una piccola frazione (circa l'uno per mille) di neutroni liberi decade con gli stessi prodotti, ma aggiunge una particella extra sotto forma di un raggio gamma emesso: [31]


n 0
→
p +
+ e
−
+
ν
e +
γ

Chiamato "modo di decadimento radiativo" del neutrone, il raggio gamma può essere pensato come il risultato di una "bremsstrahlung interna" che nasce dall'interazione elettromagnetica della particella beta emessa con il protone.

Una frazione più piccola (circa quattro per milione) di neutroni liberi decade nei cosiddetti "decadimenti a due corpi (neutroni)", in cui un protone, un elettrone e un antineutrino vengono prodotti come al solito, ma l'elettrone non riesce a guadagnare l'energia necessaria di 13,6 eV per sfuggire al protone (l'energia di ionizzazione dell'idrogeno), e quindi rimane semplicemente legato ad esso, formando un atomo di idrogeno neutro (uno dei "due corpi"). In questo tipo di decadimento dei neutroni liberi, quasi tutta l'energia di decadimento dei neutroni viene trasportata dall'antineutrino (l'altro "corpo"). (L'atomo di idrogeno si ritira con una velocità di circa (energia di decadimento)/(energia di riposo dell'idrogeno) moltiplicata per la velocità della luce, o 250 km/s.)

Articoli

principali: Nucleo atomico e Fisica nucleare

Vedi anche: Valle di stabilità, Isobare stabili di decadimento beta, e Emissione

di neutroni I neutroni sono un costituente necessario di qualsiasi atomico nucleo che contiene più di un protone. Come risultato delle loro cariche positive, i protoni interagenti hanno una repulsione elettromagnetica reciproca che è più forte della loro interazione nucleare attrattiva, quindi i nuclei di soli protoni sono instabili (vedi diprotone e rapporto neutrone-protone). [32] I neutroni si legano ai protoni e l'uno all'altro nel nucleo attraverso la forza nucleare, moderando efficacemente le forze repulsive tra i protoni e stabilizzando il nucleo. [19] : 461 I nuclei pesanti trasportano una grande carica positiva, quindi richiedono neutroni "extra" per essere stabili. [19] : 461

Mentre un neutrone libero è instabile e un protone libero è stabile, all'interno dei nuclei i neutroni sono spesso stabili e i protoni sono talvolta instabili. Quando sono legati all'interno di un nucleo, i nucleoni possono decadere attraverso il processo di decadimento beta. I neutroni e i protoni in un Il nucleo forma un sistema meccanico quantistico secondo il modello del guscio nucleare. I protoni e i neutroni di un nuclide sono organizzati in livelli di energia gerarchici discreti con numeri quantici unici. Il decadimento del nucleone all'interno di un nucleo può verificarsi se consentito dalla conservazione dell'energia di base e dai vincoli della meccanica quantistica. I prodotti di decadimento, cioè le particelle emesse, portano via l'energia in eccesso quando un nucleone scende da uno stato quantico a uno con meno energia, mentre il neutrone (o protone) si trasforma in un protone (o neutrone).

Affinché un neutrone decada, il protone risultante richiede uno stato disponibile a un'energia inferiore rispetto allo stato neutronico iniziale. Nei nuclei stabili i possibili stati di energia più bassa sono tutti riempiti, il che significa che ogni stato è occupato da una coppia di protoni, uno con spin up, l'altro con spin down. Quando tutti gli stati protonici disponibili sono riempiti, il principio di esclusione di Pauli non consente il decadimento di un neutrone in un protone. [33] : §3.3 La situazione è simile agli elettroni di un atomo, dove gli elettroni che occupano orbitali atomici distinti sono impediti dal principio di esclusione dal decadimento a stati energetici inferiori, già occupati. [33] : §3.3 La stabilità della materia è una conseguenza di questi vincoli. [34] [35] [36]

Il decadimento di un neutrone all'interno di un nuclide è illustrato dal decadimento dell'isotopo del carbonio carbonio-14, che ha 6 protoni e 8 neutroni. Con il suo eccesso di neutroni, questo isotopo decade per decadimento beta in azoto-14 (7 protoni, 7 neutroni), un processo con un'emivita di circa 5.730 anni. [37] L'azoto-14 è stabile. [38]

Le reazioni di "decadimento beta" possono avvenire anche per la cattura di un leptone da parte del nucleone. La trasformazione di un Il protone a un neutrone all'interno di un nucleo è possibile attraverso la cattura elettronica: [39]


p +
+
e −
→
n 0
+
ν
e

Una reazione più rara, il decadimento beta inverso, coinvolge la cattura di un neutrino da parte di un nucleone. [40] Ancora più rara, la cattura di positroni da parte di neutroni può avvenire nell'ambiente ad alta temperatura delle stelle. [41]

Competizione dei tipi di decadimento beta

Tre tipi di decadimento beta in competizione sono illustrati dal singolo isotopo rame-64 (29 protoni, 35 neutroni), che ha un'emivita di circa 12,7 ore. [42] Questo isotopo ha un protone spaiato e un neutrone spaiato, quindi sia il protone che il neutrone possono decadere. [43] Questo particolare nuclide ha quasi la stessa probabilità di subire un decadimento protonico (da emissione di positroni, 18% o per cattura di elettroni, 43%; entrambi formano 64
Ni
) o il decadimento dei neutroni (per emissione di elettroni, 39%; forma 64
Zn
). [42] [43]

Il neutrone nella fisica delle particelle elementari - il Modello

Standard

Articolo principale: Modello Standard

All'interno del quadro teorico del Modello Standard per la fisica delle particelle, un neutrone comprende due quark down con carica −1/3 e e un quark up con carica +2/3 e . Il neutrone è quindi una particella composta classificata come adrone . Il neutrone è anche classificato come barione , perché è composto da tre quark di valenza. [44] La dimensione finita del neutrone e il suo momento magnetico indicano entrambi che il neutrone è un composito, piuttosto che elementare, particella.

I quark del neutrone sono tenuti insieme dalla forza forte, mediata dai gluoni. [45] La forza nucleare risulta da effetti secondari della forza forte più fondamentale.

L'unico modo di decadimento possibile per il neutrone che obbedisce alla legge di conservazione per il numero barionico è che uno dei quark del neutrone cambi sapore (attraverso una matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) attraverso l'interazione debole. Il decadimento di uno dei quark down del neutrone in un quark up più leggero può essere ottenuto mediante l'emissione di un bosone W. Con questo processo, secondo la descrizione del decadimento beta, il neutrone decade in un protone (che contiene un quark down e due quark up), un elettrone e un antineutrino elettronico.

Il decadimento del protone in un neutrone avviene in modo simile attraverso la forza debole. Il decadimento di uno dei quark up del protone in un quark down può essere ottenuto mediante l'emissione di un bosone W. Le Il protone decade in un neutrone, un positrone e un neutrino elettronico. Questa reazione può avvenire solo all'interno di un nucleo atomico che ha uno stato quantico a energia inferiore disponibile per il neutrone creato.

Articolo

principale: Scoperta del neutrone

La storia della scoperta del neutrone e delle sue proprietà è al centro degli straordinari sviluppi della fisica atomica che si sono verificati nella prima metà del 20° secolo, portando infine alla bomba atomica nel 1945. Nel modello di Rutherford del 1911, l'atomo consisteva in un piccolo nucleo massiccio caricato positivamente circondato da una nuvola molto più grande di elettroni caricati negativamente. Nel 1920, Ernest Rutherford suggerì che il nucleo consistesse di protoni positivi e particelle cariche neutre, suggerendo che fossero un protone e un elettrone legati in qualche modo. [46] Si presumeva che gli elettroni risiedano all'interno del nucleo perché era noto Quella radiazione beta consisteva in elettroni emessi dal nucleo. [46] All'incirca nel periodo in cui Rutherford suggerì il composto neutro protone-elettrone, apparvero diverse altre pubblicazioni che davano suggerimenti simili, e nel 1921 il chimico americano W. D. Harkins chiamò per la prima volta l'ipotetica particella "neutrone". [47] [48] Il nome deriva dalla radice latina per neutralis (neutro) e dal suffisso greco -on (un suffisso usato nei nomi delle particelle subatomiche, cioè elettrone e protone ). [49] [50] Riferimenti alla parola neutrone in relazione all'atomo possono essere trovati in letteratura già nel 1899, tuttavia. [48]

Per tutti gli anni '20, i fisici assunsero che il nucleo atomico fosse composto da protoni ed "elettroni nucleari". [52] Ma questo sollevò evidenti problemi. Era difficile riconciliare il modello protone-elettrone del nucleo con la relazione di indeterminazione di Heisenberg della meccanica quantistica. [53] [54] Il paradosso di Klein, [55] scoperto da Oskar Klein nel 1928, presentò ulteriori obiezioni di meccanica quantistica alla nozione di un elettrone confinato all'interno di un nucleo. [53] Le proprietà osservate degli atomi e delle molecole erano incoerenti con lo spin nucleare atteso dall'ipotesi protone-elettrone. I protoni e gli elettroni hanno entrambi uno spin intrinseco di 1/2 ħ , e si è scoperto che gli isotopi della stessa specie hanno spin intero o frazionario. Secondo l'ipotesi, gli isotopi sarebbero composti dallo stesso numero di protoni, ma da un numero diverso di "particelle" neutro legate protone+elettrone. Questa immagine fisica era una contraddizione, poiché Non c'è modo di organizzare gli spin di un elettrone e di un protone in uno stato legato per ottenere uno spin frazionario.

Nel 1931, Walther Bothe e Herbert Becker scoprirono che se la radiazione di particelle alfa del polonio cadeva su berillio, boro o litio, veniva prodotta una radiazione insolitamente penetrante. La radiazione non era influenzata da un campo elettrico, quindi Bothe e Becker hanno ipotizzato che si trattasse di radiazione gamma. L'anno seguente Irène Joliot-Curie e Frédéric Joliot-Curie a Parigi dimostrarono che se questa radiazione "gamma" cadeva sulla paraffina, o su qualsiasi altro composto contenente idrogeno, espelleva protoni di altissima energia. [58] Né Rutherford né James Chadwick del Cavendish Laboratory di Cambridge furono convinti dall'interpretazione dei raggi gamma. [59] Chadwick eseguì rapidamente una serie di esperimenti che dimostrarono che la nuova radiazione consisteva in particelle non cariche con circa la stessa massa del protone. [60] [61] [62] Queste proprietà corrispondevano al neutrone ipotizzato da Rutherford. Chadwick vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 1935 per questa scoperta. [2]

I modelli per un nucleo atomico costituito da protoni e neutroni furono rapidamente sviluppati da Werner Heisenberg [63] [64] [65] e altri. [66] [67] Il modello protone-neutrone spiegava il puzzle degli spin nucleari. Le origini della radiazione beta furono spiegate da Enrico Fermi nel 1934 con il processo di decadimento beta, in cui il neutrone decade in un protone creando un elettrone e un neutrino (al tempo non scoperto). [68] Nel 1935, Chadwick e il suo studente di dottorato Maurice Goldhaber riportarono il primo Misurazione accurata della massa del neutrone. Nel

1934, Fermi aveva bombardato gli elementi più pesanti con neutroni per indurre radioattività in elementi di alto numero atomico. Nel 1938 Fermi ricevette il Premio Nobel per la Fisica "per le sue dimostrazioni dell'esistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti dall'irradiazione neutronica e per la sua relativa scoperta delle reazioni nucleari provocate dai neutroni lenti". [71] Nel dicembre 1938 Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann scoprirono la fissione nucleare, o il frazionamento di nuclei di uranio in elementi più leggeri, indotta dal bombardamento di neutroni. Nel 1945 Hahn ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1944 "per la sua scoperta della fissione dei nuclei atomici pesanti". [76] [77] La

scoperta della fissione nucleare avrebbe portato allo sviluppo dell'energia nucleare e della bomba atomica entro la fine della seconda guerra mondiale. Ci si rese presto conto che, se un evento di fissione produceva neutroni, ognuno di questi neutroni poteva causare ulteriori eventi di fissione, in una cascata nota come reazione nucleare a catena. [19] : 460-461 [7] Questi eventi e scoperte portarono Fermi a costruire il Chicago Pile-1 presso l'Università di Chicago nel 1942, il primo reattore nucleare autosufficiente. [79] Solo tre anni dopo il Progetto Manhattan fu in grado di testare la prima bomba atomica, il test nucleare Trinity nel luglio 1945. [79]

Proprietà

Massa

La massa di un neutrone non può essere determinata direttamente mediante spettrometria di massa