Neutrone

Neutrone
Modello a quark del neutrone
Classificazione:	barione
Composizione:	1 up, 2 down
Famiglia:	Fermione
Interazione:	Gravità, Elettromagnetica, Debole, Forte
Antiparticella:	Antineutrone
Scoperta:	James Chadwick (1932)
Simbolo:	n
Massa:	1,674 927 29(28) × 10−27 kg 939,565 MeV/c2 1,00898 u
Carica elettrica:	0
Spin:	½

In fisica, il neutrone è una particella subatomica con carica elettrica neutra e con massa a riposo di 939,57 MeV (leggermente superiore a quella del protone, pari a 938,27 MeV).

I nuclei atomici degli elementi (ad eccezione del più comune isotopo dell'idrogeno, che consiste di un singolo protone) sono composti da protoni e neutroni.

Al di fuori del nucleo, i neutroni sono instabili ed hanno una emivita di circa 15 minuti. Decadono in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino, secondo la reazione:

$n \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$

Lo stesso tipo di decadimento (decadimento beta) si verifica in alcuni nuclei. I protoni all'interno del nucleo si trasformano continuamente in neutroni e viceversa, mediante l'emissione e l'assorbimento di pioni. Il neutrone è classificato come barione, ed è costituito da due quark down e un quark up.

Proprietà

La proprietà per eccellenza dei neutroni, che li differenzia dalle altre particelle nucleari, è l'assenza di carica elettrica, in quanto risulta composto da due quark down, e di un quark up di carica doppia:

$q_n = -2 \, q_u + q_d = -(2 \cdot 0{,}534) \cdot 10^{-19} + 1{,}068 \cdot 10^{-19} = 0$

Questo fatto e l'assenza di sorgenti naturali importanti furono responsabili del ritardo della loro scoperta e della loro penetranza, evanescenza e difficile manovrabilità. La loro massa inoltre li rende estremamente pericolosi per i tessuti biologici rispetto ad altri tipi di radiazione: il loro fattore di pericolosità rispetto alle radiazioni gamma vale:

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

e cioé a seconda della loro energia passano da una pericolosità rispettivamente 5 volte maggiore dei fotoni se sono termici (E < 10 keV) o 20 volte maggiore se sono veloci (100 keV < E < 2 MeV)

Penetranza

Le particelle cariche (come i protoni, gli elettroni e le particelle alfa) perdono energia quando passano attraverso la materia, principalmente a causa delle forze elettromagnetiche che ionizzano gli atomi con cui tali particelle si trovano a interagire. Il neutrone risente soltanto marginalmente di queste forze, mentre è soggetto all'azione della forza nucleare forte, dal corto raggio d'azione quindi efficace soltanto se il neutrone si trova molto vicino ad un nucleo. Di conseguenza, un neutrone libero prosegue il suo tragitto sostanzialmente indisturbato fino a quando non urta "frontalmente" con un nucleo. A causa della ridotta sezione trasversale dei nuclei, queste collisioni avvengono molto raramente e i neutroni percorrono grandi distanze prima di collidere.

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.

Difficile manovrabilità

Le particelle cariche possono essere accelerate, decelerate e deflesse da campi elettrici o magnetici, che però non hanno praticamente effetto sui neutroni, rendendoli difficili da manovrare. 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.

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

Storia

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

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, era 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 a cavallo 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 la supposta natura elettromagnetica della radiazione, ma una dettagliata analisi quantitativa delle misure rendeva difficile abbracciare tale ipotesi. Finalmente, all'inizio del 1932, il fisico James Chadwick, in Inghilterra, eseguì una serie di misurazioni che mostrarono come l'ipotesi dei raggi gamma fosse insufficiente a dare conto dei dati osservativi. Egli congetturò che la radiazione penetrante del berillio consistesse in particelle neutre dotate di massa approssimativamente uguale a quella dei protoni, la cui esistenza era stata congetturata più di un decennio prima, ma la cui ricerca sperimentale si era rivelata fino ad allora infruttuosa.

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. Ciò è particolarmente interessante, poiché la teoria corrente suppone che questi pacchetti non dovrebbero essere stabili e quindi non dovrebbero esistere.

Bibliografia

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• 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)
• N. F. Mott Elements of Wave Mechanics (Cambridge University Press, 1958)
• Gian Carlo Ghirardi, Un'occhiata alle carte di Dio, Net, 1997.

Voci correlate

• Protone
• Elettrone
• Neutrino
• Neutrone termico
• Scattering di neutroni

Altri progetti

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