Neutron - Neutron

Nêutron
Quark structure neutron.svg
O conteúdo de quark do nêutron. A atribuição de cores de quarks individuais é arbitrária, mas todas as três cores devem estar presentes. As forças entre quarks são mediadas por glúons .
Classificação barion
Composição 1 quark up , 2 quarks down
Estatisticas fermiônico
Família hadron
Interações gravidade , fraco , forte , eletromagnético
Símbolo
n
,
n0
,
N0
Antipartícula antineutron
Teorizado Ernest Rutherford (1920)
Descoberto James Chadwick (1932)
Massa 1,674 927 498 04 (95) × 10 −27  kg
939,565 420 52 (54)  MeV / c 2
1,008 664 915 88 (49)  Da
Vida média 879,4 (6) s ( grátis )
Carga elétrica e
(−2 ± 8) × 10 −22  e (limites experimentais)
Momento de dipolo elétrico < 2,9 × 10 −26  e ⋅cm (limite superior experimental)
Polarizabilidade elétrica 1,16 (15) × 10 −3  fm 3
Momento magnético −0,966 236 50 (23) × 10 −26  J · T −1
−1,041 875 63 (25) × 10 −3  μ B
-1,913 042 73 (45)  μ N
Polarizabilidade magnética 3,7 (20) × 10 −4  fm 3
Rodar 1/2
Isospin -1/2
Paridade +1
Condensado I ( J P ) = 1/2(1/2+ )

O nêutron é uma partícula subatômica , símbolo
n
ou
n0
, que tem uma carga neutra (não positiva ou negativa) e uma massa ligeiramente maior que a de um próton . Prótons e nêutrons constituem os núcleos dos átomos . Uma vez que prótons e nêutrons se comportam de maneira semelhante dentro do núcleo, e cada um tem uma massa de aproximadamente uma unidade de massa atômica , eles são chamados de núcleons . Suas propriedades e interações são descritas pela física nuclear .

As propriedades químicas de um átomo são determinadas principalmente pela configuração dos elétrons que orbitam o núcleo pesado do átomo. A configuração do elétron é determinada pela carga do núcleo, que é determinada pelo número de prótons, ou número atômico . O número de nêutrons é o número de nêutrons . Os nêutrons não afetam a configuração do elétron, mas a soma dos números atômicos e dos nêutrons é a massa do núcleo.

Os átomos de um elemento químico que diferem apenas no número de nêutrons são chamados de isótopos . Por exemplo, o carbono , com número atômico 6, tem um isótopo abundante carbono-12 com 6 nêutrons e um isótopo raro carbono-13 com 7 nêutrons. Alguns elementos ocorrem na natureza com apenas um isótopo estável , como o flúor . Outros elementos ocorrem com muitos isótopos estáveis, como o estanho com dez isótopos estáveis.

As propriedades de um núcleo atômico dependem dos números atômicos e dos nêutrons. Com sua carga positiva, os prótons dentro do núcleo são repelidos pela força eletromagnética de longo alcance , mas a força nuclear muito mais forte, mas de curto alcance, liga os núcleons intimamente. Os nêutrons são necessários para a estabilidade dos núcleos, com exceção do núcleo de hidrogênio de um único próton . Os nêutrons são produzidos copiosamente na fissão e fusão nuclear . Eles são os principais contribuintes para a nucleossíntese de elementos químicos dentro das estrelas por meio de processos de fissão, fusão e captura de nêutrons .

O nêutron é essencial para a produção de energia nuclear. Na década seguinte à descoberta do nêutron por James Chadwick em 1932, os nêutrons foram usados ​​para induzir muitos tipos diferentes de transmutações nucleares . Com a descoberta da fissão nuclear em 1938, percebeu-se rapidamente que, se um evento de fissão produzisse nêutrons, cada um desses nêutrons poderia causar outros eventos de fissão, em uma cascata conhecida como reação em cadeia nuclear . Esses eventos e descobertas levaram ao primeiro reator nuclear autossustentável ( Chicago Pile-1 , 1942) e à primeira arma nuclear ( Trinity , 1945).

Os nêutrons livres, embora não ionizem diretamente os átomos, causam radiação ionizante . Portanto, eles podem ser um perigo biológico, dependendo da dose. Um pequeno fluxo natural de "fundo de nêutrons" de nêutrons livres existe na Terra, causado por chuvas de raios cósmicos e pela radioatividade natural de elementos fissionáveis ​​espontaneamente na crosta terrestre . Fontes de nêutrons dedicadas , como geradores de nêutrons , reatores de pesquisa e fontes de fragmentação, produzem nêutrons livres para uso em irradiação e em experimentos de espalhamento de nêutrons .

Descrição

Um núcleo atômico é formado por uma série de prótons, Z (o número atômico ), e uma série de nêutrons, N (o número de nêutrons ), unidos pela força nuclear . O número atômico determina as propriedades químicas do átomo, e o número de nêutrons determina o isótopo ou nuclídeo . Os termos isótopo e nuclídeo são freqüentemente usados ​​como sinônimos , mas se referem a propriedades químicas e nucleares, respectivamente. Os isótopos são nuclídeos com o mesmo número atômico, mas diferente número de nêutrons. Nuclídeos com o mesmo número de nêutrons, mas número atômico diferente, são chamados de isótonos . O número de massa atômica , A , é igual à soma dos números atômicos e de nêutrons. Nuclídeos com o mesmo número de massa atômica, mas diferentes números atômicos e de nêutrons, são chamados de isóbaros .

O núcleo do isótopo mais comum do átomo de hidrogênio (com o símbolo químico 1 H) é um próton solitário. Os núcleos dos isótopos de hidrogênio pesado deutério (D ou 2 H) e trítio (T ou 3 H) contêm um próton ligado a um e dois nêutrons, respectivamente. Todos os outros tipos de núcleos atômicos são compostos de dois ou mais prótons e vários números de nêutrons. O nuclídeo mais comum do elemento químico comum chumbo , 208 Pb, tem 82 prótons e 126 nêutrons, por exemplo. A tabela de nuclídeos compreende todos os nuclídeos conhecidos. Mesmo não sendo um elemento químico, o nêutron está incluído nesta tabela.

O nêutron livre tem uma massa de 939 565 413 .3  eV / c 2 , ou1,674 927 471 × 10 −27  kg , ou1,008 664 915 88  Da . O nêutron tem um raio quadrado médio de cerca de0,8 × 10 −15  m , ou0,8  fm , e é um férmion spin-½ . O nêutron não tem carga elétrica mensurável. Com sua carga elétrica positiva, o próton é diretamente influenciado por campos elétricos , enquanto o nêutron não é afetado por campos elétricos. Mas o nêutron tem um momento magnético , então o nêutron é influenciado por campos magnéticos . O momento magnético do nêutron tem valor negativo, pois sua orientação é oposta ao spin do nêutron.

Um nêutron livre é instável, decaindo para um próton, elétron e antineutrino com uma vida média de pouco menos de 15 minutos (879,6 ± 0,8 s ). Este decaimento radioativo , conhecido como decaimento beta , é possível porque a massa do nêutron é ligeiramente maior que a do próton. O próton livre é estável. No entanto, nêutrons ou prótons ligados a um núcleo podem ser estáveis ​​ou instáveis, dependendo do nuclídeo . O decaimento beta, no qual os nêutrons se transformam em prótons, ou vice-versa, é governado pela força fraca e requer a emissão ou absorção de elétrons e neutrinos, ou suas antipartículas.

Fissão nuclear causada pela absorção de um nêutron pelo urânio-235. Os fragmentos de nuclídeos pesados ​​em componentes mais leves e nêutrons adicionais.

Prótons e nêutrons se comportam quase de forma idêntica sob a influência da força nuclear dentro do núcleo. O conceito de isospin , em que o próton e o nêutron são vistos como dois estados quânticos da mesma partícula, é usado para modelar as interações dos núcleons pelas forças nucleares ou fracas. Por causa da força da força nuclear em distâncias curtas, a energia de ligação dos núcleos é mais de sete ordens de magnitude maior do que a energia eletromagnética de ligação dos elétrons nos átomos. As reações nucleares (como a fissão nuclear ), portanto, têm uma densidade de energia que é mais de dez milhões de vezes a das reações químicas . Por causa da equivalência massa-energia , as energias de ligação nuclear reduzem a massa dos núcleos. Em última análise, a capacidade da força nuclear de armazenar energia proveniente da repulsão eletromagnética de componentes nucleares é a base para a maior parte da energia que torna possíveis os reatores nucleares ou as bombas. Na fissão nuclear, a absorção de um nêutron por um nuclídeo pesado (por exemplo, urânio-235 ) faz com que o nuclídeo se torne instável e se quebre em nuclídeos leves e nêutrons adicionais. Os nuclídeos de luz carregados positivamente se repelem, liberando energia potencial eletromagnética .

O nêutron é classificado como um hadron , porque é uma partícula composta feita de quarks . O nêutron também é classificado como bárion , pois é composto de três quarks de valência . O tamanho finito do nêutron e seu momento magnético indicam que o nêutron é uma partícula composta , e não elementar . Um nêutron contém dois quarks down com carga -1/3e e um quark up com carga +2/3e .

Como os prótons, os quarks do nêutron são mantidos juntos pela força forte , mediada pelos glúons . A força nuclear resulta de efeitos secundários da força forte mais fundamental .

Descoberta

A história da descoberta do nêutron e suas propriedades é central para os extraordinários desenvolvimentos na física atômica que ocorreram na primeira metade do século 20, levando finalmente à bomba atômica em 1945. No modelo de Rutherford de 1911, o átomo consistia em um pequeno núcleo massivo carregado positivamente rodeado por uma nuvem muito maior de elétrons carregados negativamente. Em 1920, Rutherford sugeriu que o núcleo consistia em prótons positivos e partículas com carga neutra, sugerido ser um próton e um elétron ligados de alguma forma. Supunha-se que os elétrons residiam dentro do núcleo porque se sabia que a radiação beta consistia em elétrons emitidos do núcleo. Rutherford chamou essas partículas não carregadas de nêutrons , pela raiz latina para neutralis (neutro) e o sufixo grego -on (um sufixo usado nos nomes de partículas subatômicas, ou seja, elétron e próton ). Mas referências à palavra nêutron em conexão com o átomo podem ser encontradas na literatura já em 1899.

O químico americano WD Harkins previu corretamente a existência do nêutron em 1920 (como um complexo próton-elétron) e foi o primeiro a usar a palavra "nêutron" em conexão com o núcleo atômico. Ao longo da década de 1920, os físicos presumiram que o núcleo atômico era composto de prótons e "elétrons nucleares", mas havia problemas óbvios. Era difícil reconciliar o modelo próton-elétron para núcleos com a relação de incerteza de Heisenberg da mecânica quântica. O paradoxo de Klein , descoberto por Oskar Klein em 1928, apresentou outras objeções da mecânica quântica à noção de um elétron confinado dentro de um núcleo. As propriedades observadas de átomos e moléculas eram inconsistentes com o spin nuclear esperado da hipótese próton-elétron. Tanto prótons quanto elétrons carregam um spin intrínseco de1/2ħ . Isótopos da mesma espécie (ou seja, tendo o mesmo número de prótons) podem ter spin inteiro ou fracionário, ou seja, o spin do nêutron também deve ser fracionário (1/2ħ ). Mas não há como organizar os spins de um elétron e de um próton (supostamente para formar um nêutron) para obter o spin fracionário de um nêutron.

Em 1931, Walther Bothe e Herbert Becker descobriram que se a radiação da partícula alfa do polônio caísse sobre o berílio , o boro ou o lítio , era produzida uma radiação de penetração incomum. A radiação não foi influenciada por um campo elétrico, então Bothe e Becker presumiram que era radiação gama . No ano seguinte, Irène Joliot-Curie e Frédéric Joliot-Curie em Paris mostraram que se essa radiação "gama" caísse sobre a parafina , ou qualquer outro composto contendo hidrogênio , ela ejetaria prótons de energia muito alta. Nem Rutherford nem James Chadwick , do Laboratório Cavendish em Cambridge, foram convencidos pela interpretação dos raios gama. Chadwick rapidamente realizou uma série de experimentos que mostraram que a nova radiação consistia em partículas não carregadas com aproximadamente a mesma massa do próton. Essas partículas eram nêutrons. Chadwick ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1935 por essa descoberta.

Modelos que representam os níveis de energia do núcleo e do elétron nos átomos de hidrogênio, hélio, lítio e neon. Na realidade, o diâmetro do núcleo é cerca de 100.000 vezes menor que o diâmetro do átomo.

Modelos para um núcleo atômico consistindo de prótons e nêutrons foram desenvolvidos rapidamente por Werner Heisenberg e outros. O modelo próton-nêutron explicou o quebra-cabeça dos spins nucleares. As origens da radiação beta foram explicadas por Enrico Fermi em 1934 pelo processo de decaimento beta , no qual o nêutron decai em próton criando um elétron e um neutrino (ainda não descoberto). Em 1935, Chadwick e seu aluno de doutorado Maurice Goldhaber relataram a primeira medição precisa da massa do nêutron.

Em 1934, Fermi bombardeou elementos mais pesados ​​com nêutrons para induzir radioatividade em elementos de alto número atômico. Em 1938, Fermi recebeu o Prêmio Nobel de Física "por suas demonstrações da existência de novos elementos radioativos produzidos por irradiação de nêutrons, e por sua descoberta relacionada de reações nucleares provocadas por nêutrons lentos". Em 1938, Otto Hahn , Lise Meitner e Fritz Strassmann descobriram a fissão nuclear , ou o fracionamento de núcleos de urânio em elementos leves, induzido por bombardeio de nêutrons. Em 1945, Hahn recebeu o Prêmio Nobel de Química de 1944 "por sua descoberta da fissão de núcleos atômicos pesados". A descoberta da fissão nuclear levaria ao desenvolvimento da energia nuclear e da bomba atômica ao final da Segunda Guerra Mundial.

Decadência beta e a estabilidade do núcleo

Uma vez que prótons em interação têm uma repulsão eletromagnética mútua que é mais forte do que sua interação nuclear atrativa , os nêutrons são um constituinte necessário de qualquer núcleo atômico que contenha mais de um próton (ver dipróton e proporção nêutron-próton ). Os nêutrons se ligam aos prótons e uns aos outros no núcleo por meio da força nuclear , moderando efetivamente as forças repulsivas entre os prótons e estabilizando o núcleo.

Os nêutrons e prótons ligados a um núcleo formam um sistema mecânico quântico em que cada núcleo está ligado a um estado quântico hierárquico particular. Os prótons podem se decompor em nêutrons, ou vice-versa, dentro do núcleo. Este processo, chamado decaimento beta , requer a emissão de um elétron ou pósitron e um neutrino associado . Essas partículas emitidas carregam o excesso de energia conforme um nucleon cai de um estado quântico para um estado de energia inferior, enquanto o próton (ou nêutron) muda para um nêutron (ou próton). Tais processos de decaimento podem ocorrer apenas se permitidos pela conservação de energia básica e restrições da mecânica quântica. A estabilidade dos núcleos depende dessas restrições.

Decaimento de nêutrons livre

Fora do núcleo, nêutrons livres são instáveis ​​e têm uma vida média de879,6 ± 0,8 s (cerca de 14 minutos, 40 segundos); portanto, a meia-vida para este processo (que difere da vida média por um fator de ln (2) = 0,693 ) é610,1 ± 0,7 s (cerca de 10 minutos, 10 segundos). Esse decaimento só é possível porque a massa do próton é menor que a do nêutron. Pela equivalência massa-energia, quando um nêutron decai para um próton dessa forma, ele atinge um estado de energia inferior. O decaimento beta do nêutron, descrito acima, pode ser denotado pelo decaimento radioativo :


n0

p+
+
e-
+
ν
e

Onde
p+
,
e-
, e
ν
e
denotam o antineutrino próton, elétron e elétron, respectivamente. Para o nêutron livre, a energia de decaimento para esse processo (com base nas massas do nêutron, próton e elétron) é 0,782343 MeV. A energia máxima do elétron de decaimento beta (no processo em que o neutrino recebe uma quantidade cada vez menor de energia cinética) foi medida em 0,782 ± 0,013 MeV. O último número não é medido o suficiente para determinar a massa de repouso comparativamente pequena do neutrino (que em teoria deve ser subtraída da energia cinética máxima do elétron), assim como a massa do neutrino é restringida por muitos outros métodos.

Uma pequena fração (cerca de um em 1000) de nêutrons livres decai com os mesmos produtos, mas adiciona uma partícula extra na forma de um raio gama emitido:


n0

p+
+
e-
+
ν
e
+
γ

Este raio gama pode ser considerado um " bremsstrahlung interno " que surge da interação eletromagnética da partícula beta emitida com o próton. A produção interna de raios gama bremsstrahlung também é uma característica secundária dos decaimentos beta de nêutrons ligados (como discutido abaixo).

Um esquema do núcleo de um átomo indicando
β-
radiação, a emissão de um elétron rápido do núcleo (o antineutrino que o acompanha é omitido). No modelo de Rutherford para o núcleo, as esferas vermelhas eram prótons com carga positiva e as esferas azuis eram prótons fortemente ligadas a um elétron sem carga líquida.
A inserção mostra o decaimento beta de um nêutron livre como é entendido hoje; um elétron e um antineutrino são criados neste processo.

Uma minoria muito pequena de decaimentos de nêutrons (cerca de quatro por milhão) são os chamados "decaimentos de dois corpos (nêutrons)", nos quais um próton, elétron e antineutrino são produzidos como de costume, mas o elétron não consegue ganhar os 13,6 eV necessários energia para escapar do próton (a energia de ionização do hidrogênio ) e, portanto, simplesmente permanece ligada a ele, como um átomo de hidrogênio neutro (um dos "dois corpos"). Nesse tipo de decaimento de nêutrons livres, quase toda a energia de decaimento de nêutrons é transportada pelo antineutrino (o outro "corpo"). (O átomo de hidrogênio recua com uma velocidade de apenas cerca de (energia de decaimento) / (energia de repouso do hidrogênio) vezes a velocidade da luz, ou 250 km / s.)

A transformação de um próton livre em um nêutron (mais um pósitron e um neutrino) é energeticamente impossível, já que um nêutron livre tem uma massa maior do que um próton livre. Mas uma colisão de alta energia de um próton e um elétron ou neutrino pode resultar em um nêutron.

Decaimento de nêutrons ligados

Enquanto um nêutron livre tem meia-vida de cerca de 10,2 min, a maioria dos nêutrons dentro dos núcleos são estáveis. De acordo com o modelo de camada nuclear , os prótons e nêutrons de um nuclídeo são um sistema mecânico quântico organizado em níveis de energia discretos com números quânticos únicos . Para que um nêutron decaia, o próton resultante requer um estado disponível com energia inferior ao estado inicial do nêutron. Em núcleos estáveis, os possíveis estados de menor energia são todos preenchidos, o que significa que cada um deles é ocupado por dois prótons com spin para cima e para baixo. O princípio de exclusão de Pauli, portanto, não permite a decadência de um nêutron em um próton dentro de núcleos estáveis. A situação é semelhante à dos elétrons de um átomo, onde os elétrons têm orbitais atômicos distintos e são impedidos de decair para estados de energia mais baixos, com a emissão de um fóton , pelo princípio da exclusão.

Os nêutrons em núcleos instáveis ​​podem decair por decaimento beta, conforme descrito acima. Nesse caso, um estado quântico energeticamente permitido está disponível para o próton resultante do decaimento. Um exemplo desse decaimento é o carbono-14 (6 prótons, 8 nêutrons) que decai em nitrogênio-14 (7 prótons, 7 nêutrons) com meia-vida de cerca de 5.730 anos.

Dentro de um núcleo, um próton pode se transformar em um nêutron via decaimento beta inverso , se um estado quântico energeticamente permitido estiver disponível para o nêutron. Essa transformação ocorre pela emissão de um pósitron e um neutrino de elétron:


p+

n0
+
e+
+
ν
e

A transformação de um próton em um nêutron dentro de um núcleo também é possível através da captura de elétrons :


p+
+
e-

n0
+
ν
e

A captura de pósitrons por nêutrons em núcleos que contêm um excesso de nêutrons também é possível, mas é impedida porque os pósitrons são repelidos pelo núcleo positivo e se aniquilam rapidamente quando encontram elétrons.

Competição de tipos de decaimento beta

Três tipos de decaimento beta em competição são ilustrados pelo único isótopo cobre-64 (29 prótons, 35 nêutrons), que tem meia-vida de cerca de 12,7 horas. Este isótopo tem um próton desemparelhado e um nêutron desemparelhado, então o próton ou o nêutron podem decair. Este nuclídeo em particular tem quase a mesma probabilidade de sofrer decaimento de prótons (por emissão de pósitrons , 18% ou por captura de elétrons , 43%) ou decaimento de nêutrons (por emissão de elétrons, 39%).

Decadência do nêutron pela física de partículas elementares

O diagrama de Feynman para o decaimento beta de um nêutron em um próton, elétron e elétron antineutrino por meio de um bóson W pesado intermediário

Dentro da estrutura teórica do Modelo Padrão para física de partículas, o nêutron é composto por dois quarks down e um quark up. O único modo de decaimento possível para o nêutron que conserva o número de bárions é um dos quarks do nêutron mudar de sabor por meio da interação fraca . A decadência de um dos quarks para baixo do nêutron em um quark mais leve até pode ser conseguido através da emissão de um bóson W . Por este processo, a descrição do modelo padrão do decaimento beta, o nêutron decai em um próton (que contém um quarks down e dois up), um elétron e um antineutrino de elétron .

O diagrama de Feynman de ordem principal para
β+
 decaimento de um próton em um nêutron, pósitron e neutrino de elétron por meio de um intermediário
C+
bóson
.

O decaimento do próton para um nêutron ocorre de forma semelhante através da força eletrofraca. O decaimento de um dos quarks up do próton em um quark down pode ser alcançado pela emissão de um bóson W. O próton decai em um nêutron, um pósitron e um neutrino de elétron. Esta reação só pode ocorrer dentro de um núcleo atômico que tem um estado quântico com menor energia disponível para o nêutron criado.

Propriedades intrínsecas

Massa

A massa de um nêutron não pode ser determinada diretamente por espectrometria de massa, uma vez que não tem carga elétrica. Mas, uma vez que as massas de um próton e de um deutério podem ser medidas com um espectrômetro de massa, a massa de um nêutron pode ser deduzida subtraindo a massa do próton da massa do deutério , com a diferença sendo a massa do nêutron mais a energia de ligação do deutério (expresso como uma energia emitida positiva). Este último pode ser medido diretamente medindo a energia ( ) do únicoFóton gama de 0,7822 MeV emitido quando um deutério é formado por um próton que captura um nêutron (isso é exotérmico e ocorre com nêutrons de energia zero). A pequena energia cinética de recuo ( ) do deutério (cerca de 0,06% da energia total) também deve ser contabilizada.

A energia do raio gama pode ser medida com alta precisão por técnicas de difração de raios-X, como foi feito pela primeira vez por Bell e Elliot em 1948. Os melhores valores modernos (1986) para a massa de nêutrons por esta técnica são fornecidos por Greene, et al. . Isso dá uma massa de nêutrons de:

nêutron m =1,008 644 904 (14)  Da

O valor para a massa do nêutron em MeV é conhecido com menos precisão, devido à menor precisão na conversão conhecida de Da para MeV / c 2 :

nêutron m =939,565 63 (28)  MeV / c 2 .

Outro método para determinar a massa de um nêutron começa a partir do decaimento beta do nêutron, quando os momentos do próton e elétron resultantes são medidos.

Carga elétrica

A carga elétrica total do nêutron é e . Este valor zero foi testado experimentalmente, e o presente limite experimental para a carga do nêutron é−2 (8) × 10 −22  e , ou-3 (13) × 10 -41  C . Este valor é consistente com zero, dadas as incertezas experimentais (indicadas entre parênteses). Por comparação, a carga do próton é+1  e .

Momento magnético

Mesmo que o nêutron seja uma partícula neutra, o momento magnético de um nêutron não é zero. O nêutron não é afetado por campos elétricos, mas é afetado por campos magnéticos. O momento magnético do nêutron é uma indicação de sua subestrutura de quark e distribuição de carga interna. O valor do momento magnético do nêutron foi medido pela primeira vez diretamente por Luis Alvarez e Felix Bloch em Berkeley, Califórnia , em 1940. Alvarez e Bloch determinaram que o momento magnético do nêutron era μ n =−1,93 (2)  μ N , onde μ N é o magneto nuclear .

No modelo de quark para hádrons , o nêutron é composto por um quark up (carga +2/3  e ) e dois quarks down (carga -1/3  e ). O momento magnético do nêutron pode ser modelado como uma soma dos momentos magnéticos dos quarks constituintes. O cálculo assume que os quarks se comportam como partículas de Dirac pontuais, cada uma com seu próprio momento magnético. De forma simplista, o momento magnético do nêutron pode ser visto como resultante da soma vetorial dos três momentos magnéticos do quark, mais os momentos magnéticos orbitais causados ​​pelo movimento dos três quarks carregados dentro do nêutron.

Em um dos primeiros sucessos do Modelo Padrão em 1964, Mirza AB Beg, Benjamin W. Lee e Abraham Pais calcularam teoricamente a proporção de momentos magnéticos de prótons para nêutrons em -3/2, o que está de acordo com o valor experimental dentro de 3 % O valor medido para esta relação é-1,459 898 05 (34) . Uma contradição da base da mecânica quântica deste cálculo com o princípio de exclusão de Pauli , levou à descoberta da carga de cor para quarks por Oscar W. Greenberg em 1964.

O tratamento acima compara nêutrons com prótons, permitindo que o comportamento complexo dos quarks seja subtraído entre os modelos, e apenas explorando quais seriam os efeitos de diferentes cargas de quark (ou tipo de quark). Esses cálculos são suficientes para mostrar que o interior dos nêutrons é muito parecido com o dos prótons, exceto pela diferença na composição do quark com um quark down no nêutron substituindo um quark up no próton.

O momento magnético do nêutron pode ser calculado de maneira grosseira, assumindo uma função de onda mecânica quântica não relativística simples para bárions compostos de três quarks. Um cálculo simples fornece estimativas bastante precisas para os momentos magnéticos de nêutrons, prótons e outros bárions. Para um nêutron, o resultado final deste cálculo é que o momento magnético do nêutron é dado por μ n = 4/3 μ d - 1/3 μ u , onde μ d e μ u são os momentos magnéticos para baixo e quarks up, respectivamente. Este resultado combina os momentos magnéticos intrínsecos dos quarks com seus momentos magnéticos orbitais e assume que os três quarks estão em um estado quântico dominante particular.

Baryon Momento magnético
do modelo de quark
Computado
( )
Observado
( )
p 4/3 μ u - 1/3 μ d 2,79 2.793
n 4/3 μ d - 1/3 μ u -1,86 -1,913

Os resultados desse cálculo são encorajadores, mas as massas dos quarks up ou down foram assumidas como sendo 1/3 da massa de um nucleon. As massas dos quarks são, na verdade, apenas cerca de 1% da massa de um núcleo. A discrepância decorre da complexidade do modelo padrão para núcleons, onde a maior parte de sua massa se origina nos campos de glúons , partículas virtuais e sua energia associada que são aspectos essenciais da força forte . Além disso, o complexo sistema de quarks e glúons que constituem um nêutron requer um tratamento relativístico. Mas o momento magnético do nucleon foi calculado numericamente com sucesso a partir dos primeiros princípios , incluindo todos os efeitos mencionados e usando valores mais realistas para as massas do quark. O cálculo deu resultados que estavam de acordo com a medição, mas exigiu recursos de computação significativos.

Rodar

O nêutron é um spin 1/2partícula, ou seja, é um férmion com momento angular intrínseco igual a1/2 ħ , onde ħ é a constante de Planck reduzida . Por muitos anos após a descoberta do nêutron, seu spin exato era ambíguo. Embora tenha sido considerado um giro 1/2 Partícula de Dirac , a possibilidade de que o nêutron fosse um spin 3/2partícula permaneceu. As interações do momento magnético do nêutron com um campo magnético externo foram exploradas para finalmente determinar o spin do nêutron. Em 1949, Hughes e Burgy mediram nêutrons refletidos de um espelho ferromagnético e descobriram que a distribuição angular dos reflexos era consistente com o spin 1/2. Em 1954, Sherwood, Stephenson e Bernstein empregaram nêutrons em um experimento Stern-Gerlach que usou um campo magnético para separar os estados de spin dos nêutrons. Eles registraram dois desses estados de spin, consistentes com um spin 1/2 partícula.

Como férmion, o nêutron está sujeito ao princípio de exclusão de Pauli ; dois nêutrons não podem ter os mesmos números quânticos. Esta é a fonte da pressão de degenerescência que torna possível as estrelas de nêutrons .

Estrutura e geometria da distribuição de carga

Um artigo publicado em 2007 com uma análise independente de modelo concluiu que o nêutron tem um exterior com carga negativa, um meio com carga positiva e um núcleo negativo. Em uma visão clássica simplificada, a "pele" negativa do nêutron o ajuda a ser atraído pelos prótons com os quais interage no núcleo; mas a principal atração entre nêutrons e prótons é por meio da força nuclear , que não envolve carga elétrica.

A visão clássica simplificada da distribuição de carga do nêutron também "explica" o fato de que o dipolo magnético do nêutron aponta na direção oposta de seu vetor de momento angular de spin (em comparação com o próton). Isso dá ao nêutron, com efeito, um momento magnético que se assemelha a uma partícula carregada negativamente. Isso pode ser reconciliado classicamente com um nêutron neutro composto de uma distribuição de carga em que as subpartes negativas do nêutron têm um raio de distribuição médio maior e, portanto, contribuem mais para o momento de dipolo magnético da partícula do que as partes positivas que são , em média, mais próximo do núcleo.

Momento de dipolo elétrico

O modelo padrão da física de partículas prevê uma pequena separação de carga positiva e negativa dentro do nêutron, levando a um momento de dipolo elétrico permanente . Mas o valor previsto está bem abaixo da sensibilidade atual dos experimentos. A partir de vários quebra-cabeças não resolvidos da física de partículas , fica claro que o Modelo Padrão não é a descrição final e completa de todas as partículas e suas interações. Novas teorias que vão além do modelo padrão geralmente levam a previsões muito maiores para o momento de dipolo elétrico do nêutron. Atualmente, existem pelo menos quatro experimentos tentando medir pela primeira vez um momento de dipolo elétrico de nêutrons finitos, incluindo:

Antineutron

O antinêutron é a antipartícula do nêutron. Foi descoberto por Bruce Cork em 1956, um ano após a descoberta do antipróton . A simetria do CPT impõe fortes restrições às propriedades relativas das partículas e antipartículas, portanto, estudar os antineutrons fornece testes rigorosos sobre a simetria do CPT. A diferença fracionária nas massas do nêutron e antinêutron é(9 ± 6) × 10 −5 . Uma vez que a diferença é apenas cerca de dois desvios-padrão de zero, isso não dá nenhuma evidência convincente de violação do CPT.

Compostos de nêutrons

Dineutrons e tetraneutrons

A existência de clusters estáveis ​​de 4 nêutrons, ou tetraneutrons , foi levantada por uma equipe liderada por Francisco-Miguel Marqués no Laboratório de Física Nuclear do CNRS com base em observações da desintegração de núcleos de berílio -14. Isso é particularmente interessante porque a teoria atual sugere que esses clusters não devem ser estáveis.

Em fevereiro de 2016, o físico japonês Susumu Shimoura, da Universidade de Tóquio, e colegas de trabalho relataram que observaram os supostos tetraneutrons pela primeira vez experimentalmente. Físicos nucleares de todo o mundo dizem que essa descoberta, se confirmada, seria um marco no campo da física nuclear e certamente aprofundaria nosso conhecimento sobre as forças nucleares.

O dineutron é outra partícula hipotética. Em 2012, Artemis Spyrou da Michigan State University e colegas de trabalho relataram que observaram, pela primeira vez, a emissão de dineutrons na decadência do 16 Be. O caráter dineutron é evidenciado por um pequeno ângulo de emissão entre os dois nêutrons. Os autores mediram a energia de separação de dois nêutrons em 1,35 (10) MeV, em boa concordância com os cálculos do modelo de casca, usando interações padrão para esta região de massa.

Neutrônio e estrelas de nêutrons

Em pressões e temperaturas extremamente altas, acredita-se que nucleons e elétrons colapsem em matéria neutrônica em massa, chamada neutrônio . Presume-se que isso aconteça em estrelas de nêutrons .

A pressão extrema dentro de uma estrela de nêutrons pode deformar os nêutrons em uma simetria cúbica, permitindo um empacotamento mais compacto de nêutrons.

Detecção

O meio comum de detectar uma partícula carregada procurando por uma trilha de ionização (como em uma câmara de nuvem ) não funciona para nêutrons diretamente. Nêutrons que dispersam átomos elasticamente podem criar uma trilha de ionização que é detectável, mas os experimentos não são tão simples de realizar; outros meios para detectar nêutrons, consistindo em permitir que eles interajam com núcleos atômicos, são mais comumente usados. Os métodos comumente usados ​​para detectar nêutrons podem, portanto, ser categorizados de acordo com os processos nucleares, principalmente captura de nêutrons ou espalhamento elástico .

Detecção de nêutrons por captura de nêutrons

Um método comum para detectar nêutrons envolve a conversão da energia liberada das reações de captura de nêutrons em sinais elétricos. Certos nuclídeos têm uma seção transversal de captura de nêutrons alta , que é a probabilidade de absorver um nêutron. Após a captura de nêutrons, o núcleo composto emite radiação mais facilmente detectável, por exemplo, uma partícula alfa, que é então detectada. Os nuclídeos3
Ele
, 6
Li
, 10
B
, 233
você
, 235
você
, 237
Np
, e 239
Pu
são úteis para este propósito.

Detecção de nêutrons por espalhamento elástico

Os nêutrons podem espalhar elasticamente os núcleos, fazendo com que o núcleo atingido recue. Cinematicamente, um nêutron pode transferir mais energia para um núcleo leve, como hidrogênio ou hélio, do que para um núcleo mais pesado. Os detectores que dependem do espalhamento elástico são chamados de detectores de nêutrons rápidos. Os núcleos recuando podem ionizar e excitar outros átomos por meio de colisões. A luz de carga e / ou cintilação produzida desta forma pode ser coletada para produzir um sinal detectado. Um grande desafio na detecção rápida de nêutrons é discernir esses sinais de sinais errôneos produzidos por radiação gama no mesmo detector. Métodos como discriminação de forma de pulso podem ser usados ​​para distinguir sinais de nêutrons de sinais de raios gama, embora certos detectores baseados em cintilador inorgânico tenham sido desenvolvidos para detectar seletivamente nêutrons em campos de radiação mistos inerentemente sem quaisquer técnicas adicionais.

Os detectores de nêutrons rápidos têm a vantagem de não exigir um moderador e, portanto, são capazes de medir a energia do nêutron, o tempo de chegada e, em certos casos, a direção de incidência.

Fontes e produção

Os nêutrons livres são instáveis, embora tenham a meia-vida mais longa de qualquer partícula subatômica instável em várias ordens de magnitude. Sua meia-vida ainda é de apenas cerca de 10 minutos, então eles podem ser obtidos apenas de fontes que os produzem continuamente.

Fundo natural de nêutrons. Um pequeno fluxo de fundo natural de nêutrons livres existe em todos os lugares da Terra. Na atmosfera e nas profundezas do oceano, o "fundo de nêutrons" é causado por múons produzidos pela interação dos raios cósmicos com a atmosfera. Esses múons de alta energia são capazes de penetrar em profundidades consideráveis ​​na água e no solo. Lá, ao atingir núcleos atômicos, entre outras reações, eles induzem reações de fragmentação em que um nêutron é liberado do núcleo. Dentro da crosta terrestre, uma segunda fonte são os nêutrons produzidos principalmente pela fissão espontânea do urânio e do tório presentes nos minerais da crosta terrestre. O fundo de nêutrons não é forte o suficiente para ser um perigo biológico, mas é importante para detectores de partículas de alta resolução que procuram eventos muito raros, como (hipotéticas) interações que podem ser causadas por partículas de matéria escura . Pesquisas recentes mostraram que mesmo tempestades podem produzir nêutrons com energias de até várias dezenas de MeV. Pesquisas recentes mostraram que a fluência desses nêutrons fica entre 10 −9 e 10 −13 por ms e por m 2, dependendo da altitude de detecção. A energia da maioria desses nêutrons, mesmo com energias iniciais de 20 MeV, diminui até a faixa de keV em 1 ms.

Uma radiação de fundo de nêutrons ainda mais forte é produzida na superfície de Marte, onde a atmosfera é espessa o suficiente para gerar nêutrons a partir da produção de múons de raios cósmicos e da fragmentação de nêutrons, mas não espessa o suficiente para fornecer proteção significativa contra os nêutrons produzidos. Esses nêutrons não apenas produzem um perigo de radiação de nêutrons de superfície marciana da radiação de nêutrons descendente direta, mas também podem produzir um perigo significativo de reflexão de nêutrons da superfície marciana, que produzirá radiação de nêutrons refletida penetrando em uma nave ou habitat marciano a partir do piso.

Fontes de nêutrons para pesquisa. Isso inclui certos tipos de decaimento radioativo ( fissão espontânea e emissão de nêutrons ) e de certas reações nucleares . As reações nucleares convenientes incluem reações de mesa, como o bombardeio natural alfa e gama de certos nuclídeos, frequentemente berílio ou deutério, e fissão nuclear induzida , como ocorre em reatores nucleares. Além disso, as reações nucleares de alta energia (como as que ocorrem em chuvas de radiação cósmica ou colisões de aceleradores) também produzem nêutrons a partir da desintegração dos núcleos alvo. Os aceleradores de partículas pequenas (de mesa) otimizados para produzir nêutrons livres dessa forma são chamados de geradores de nêutrons .

Na prática, as pequenas fontes laboratoriais de nêutrons mais comumente usadas usam decaimento radioativo para alimentar a produção de nêutrons. Um conhecido radioisótopo produtor de nêutrons , o califórnio -252 decai (meia-vida de 2,65 anos) por fissão espontânea 3% do tempo com produção de 3,7 nêutrons por fissão, e é usado sozinho como uma fonte de nêutrons desse processo. Fontes de reação nuclear (que envolvem dois materiais) alimentadas por radioisótopos usam uma fonte de decaimento alfa mais um alvo de berílio, ou então uma fonte de radiação gama de alta energia de uma fonte que sofre decaimento beta seguido por decaimento gama , que produz fotoneutrons na interação de o raio gama de alta energia com berílio estável comum ou então com o deutério na água pesada . Uma fonte popular do último tipo é o antimônio radioativo -124 mais berílio, um sistema com meia-vida de 60,9 dias, que pode ser construído a partir do antimônio natural (que é 42,8% de antimônio estável-123), ativando-o com nêutrons em um reator nuclear, então transportado para onde a fonte de nêutrons é necessária.

Institut Laue – Langevin (ILL) em Grenoble, França - uma importante instalação de pesquisa de nêutrons.

Os reatores de fissão nuclear produzem naturalmente nêutrons livres; seu papel é sustentar a reação em cadeia produtora de energia . A intensa radiação de nêutrons também pode ser usada para produzir vários radioisótopos por meio do processo de ativação de nêutrons , que é um tipo de captura de nêutrons .

Reatores de fusão nuclear experimentais produzem nêutrons livres como um produto residual. Mas são esses nêutrons que possuem a maior parte da energia, e converter essa energia em uma forma útil revelou-se um difícil desafio de engenharia. Reatores de fusão que geram nêutrons são susceptíveis de criar resíduos radioativos, mas os resíduos são compostos de isótopos mais leves ativados por nêutrons, que têm períodos de decaimento relativamente curtos (50-100 anos) em comparação com a meia-vida típica de 10.000 anos para resíduos de fissão, que é longa principalmente devido à longa meia-vida dos actinídeos transurânicos com emissão alfa.

Feixes de nêutrons e modificação dos feixes após a produção

Feixes de nêutrons livres são obtidos de fontes de nêutrons por transporte de nêutrons . Para ter acesso a fontes intensas de nêutrons, os pesquisadores devem ir a uma instalação especializada de nêutrons que opere um reator de pesquisa ou uma fonte de fragmentação .

A falta de carga elétrica total do nêutron torna difícil dirigi-los ou acelerá-los. Partículas carregadas podem ser aceleradas, desaceleradas ou desviadas por campos elétricos ou magnéticos . Esses métodos têm pouco efeito sobre os nêutrons. Mas alguns efeitos podem ser obtidos pelo uso de campos magnéticos não homogêneos por causa do momento magnético do nêutron . Os nêutrons podem ser controlados por métodos que incluem moderação , reflexão e seleção de velocidade . Os nêutrons térmicos podem ser polarizados por transmissão através de materiais magnéticos em um método análogo ao efeito Faraday para fótons . Nêutrons frios de comprimentos de onda de 6–7 angstroms podem ser produzidos em feixes de alto grau de polarização, pelo uso de espelhos magnéticos e filtros de interferência magnetizados.

Formulários

O nêutron desempenha um papel importante em muitas reações nucleares. Por exemplo, a captura de nêutrons freqüentemente resulta em ativação de nêutrons , induzindo radioatividade . Em particular, o conhecimento dos nêutrons e seu comportamento tem sido importante no desenvolvimento de reatores nucleares e armas nucleares . A fissão de elementos como o urânio-235 e o plutônio-239 é causada pela absorção de nêutrons.

A radiação de nêutrons fria , térmica e quente é comumente empregada eminstalações de espalhamento de nêutrons , onde a radiação é usada de maneira semelhante à dos raios X para a análise de matéria condensada . Os nêutrons são complementares aos últimos em termos de contrastes atômicos por diferentes seções transversais de espalhamento; sensibilidade ao magnetismo; faixa de energia para espectroscopia de nêutron inelástica; e penetração profunda na matéria.

O desenvolvimento de "lentes de nêutrons" com base na reflexão interna total em tubos capilares de vidro oco ou por reflexão de placas de alumínio com covinhas impulsionou pesquisas em andamento em microscopia de nêutrons e tomografia de raios gama / nêutrons.

Um dos principais usos dos nêutrons é excitar raios gama retardados e induzir a partir de elementos em materiais. Isso forma a base da análise de ativação de nêutrons (NAA) e da análise de ativação de nêutrons gama (PGNAA). NAA é mais frequentemente usado para analisar pequenas amostras de materiais em um reator nuclear, enquanto PGNAA é mais frequentemente usado para analisar rochas subterrâneas em torno de furos e materiais a granel industriais em correias transportadoras.

Outro uso dos emissores de nêutrons é a detecção de núcleos de luz, em particular o hidrogênio encontrado nas moléculas de água. Quando um nêutron rápido colide com um núcleo leve, ele perde uma grande fração de sua energia. Ao medir a taxa na qual nêutrons lentos retornam à sonda após serem refletidos nos núcleos de hidrogênio, uma sonda de nêutrons pode determinar o conteúdo de água no solo.

Terapias médicas

Como a radiação de nêutrons é penetrante e ionizante, ela pode ser explorada para tratamentos médicos. No entanto, a radiação de nêutrons pode ter o infeliz efeito colateral de deixar a área afetada radioativa. A tomografia de nêutrons, portanto, não é uma aplicação médica viável.

A terapia de nêutrons rápidos usa nêutrons de alta energia normalmente maiores que 20 MeV para tratar o câncer. A radioterapia do câncer é baseada na resposta biológica das células à radiação ionizante. Se a radiação for aplicada em pequenas sessões para danificar áreas cancerosas, o tecido normal terá tempo para se reparar, enquanto as células tumorais geralmente não. A radiação de nêutrons pode fornecer energia a uma região cancerosa a uma taxa de magnitude maior do que a radiação gama .

Feixes de nêutrons de baixa energia são usados ​​na terapia de captura de boro para tratar o câncer. Na terapia de captura de boro, o paciente recebe um medicamento que contém boro e que preferencialmente se acumula no tumor a ser direcionado. O tumor é então bombardeado com nêutrons de muito baixa energia (embora muitas vezes mais elevados do que a energia térmica) que são capturados pelo isótopo de boro-10 no boro, que produz um estado excitado de boro-11 que então decai para produzir lítio-7 e uma partícula alfa que tem energia suficiente para matar a célula maligna, mas alcance insuficiente para danificar as células próximas. Para tal terapia de um ser aplicado ao tratamento de cancro, uma fonte de neutrões com uma intensidade da ordem de mil milhões (10 9 ) neutrões por segundo por cm 2 é preferido. Esses fluxos requerem um reator nuclear de pesquisa.

Proteção

A exposição a nêutrons livres pode ser perigosa, uma vez que a interação de nêutrons com moléculas no corpo pode causar ruptura em moléculas e átomos , e também pode causar reações que dão origem a outras formas de radiação (como prótons). As precauções normais de proteção contra radiação se aplicam: Evite a exposição, fique o mais longe possível da fonte e mantenha o tempo de exposição a um mínimo. Mas deve-se pensar em como proteger da exposição a nêutrons. Para outros tipos de radiação, por exemplo, alfa partículas , partículas beta , ou raios gama , de um material de elevado número atómico e com marcas de alta densidade para uma boa blindagem; freqüentemente, o chumbo é usado. No entanto, essa abordagem não funcionará com nêutrons, uma vez que a absorção de nêutrons não aumenta diretamente com o número atômico, como acontece com a radiação alfa, beta e gama. Em vez disso, é necessário olhar para as interações específicas que os nêutrons têm com a matéria (consulte a seção sobre detecção acima). Por exemplo, materiais ricos em hidrogênio são freqüentemente usados ​​para proteger contra nêutrons, uma vez que o hidrogênio comum espalha e retarda os nêutrons. Isso geralmente significa que blocos de concreto simples ou mesmo blocos de plástico carregados de parafina oferecem melhor proteção contra nêutrons do que materiais muito mais densos. Depois de desacelerar, os nêutrons podem ser absorvidos com um isótopo que tem alta afinidade para nêutrons lentos sem causar radiação de captura secundária, como o lítio-6.

A água comum rica em hidrogênio afeta a absorção de nêutrons em reatores de fissão nuclear: Normalmente, os nêutrons são absorvidos tão fortemente pela água normal que o enriquecimento do combustível com isótopos fissionáveis ​​é necessário. O deutério na água pesada tem uma afinidade de absorção muito menor para os nêutrons do que o protium (hidrogênio leve normal). O deutério é, portanto, usado em reatores do tipo CANDU , a fim de diminuir ( moderar ) a velocidade dos nêutrons, para aumentar a probabilidade de fissão nuclear em comparação com a captura de nêutrons .

Temperatura de nêutrons

Nêutrons térmicos

Nêutrons térmicos são nêutrons livres cujas energias têm uma distribuição de Maxwell-Boltzmann com kT = 0,0253  eV (4,0 × 10 −21  J ) à temperatura ambiente. Isso dá a velocidade característica (não média ou mediana) de 2,2 km / s. O nome 'térmico' vem de sua energia ser a do gás à temperatura ambiente ou material que eles estão permeando. (veja a teoria cinética para energias e velocidades das moléculas). Após uma série de colisões (geralmente na faixa de 10-20) com núcleos, os nêutrons chegam a este nível de energia, desde que não sejam absorvidos.

Em muitas substâncias, as reações de nêutrons térmicos mostram uma seção transversal efetiva muito maior do que as reações envolvendo nêutrons mais rápidos, e nêutrons térmicos podem, portanto, ser absorvidos mais prontamente (ou seja, com maior probabilidade) por quaisquer núcleos atômicos com os quais colidam, criando um e muitas vezes instável - isótopo do elemento químico como resultado.

A maioria dos reatores de fissão usa um moderador de nêutrons para desacelerar ou termalizar os nêutrons que são emitidos pela fissão nuclear para que sejam capturados mais facilmente, causando mais fissão. Outros, chamados de reatores reprodutores rápidos, usam nêutrons de energia de fissão diretamente.

Nêutrons frios

Nêutrons frios são nêutrons térmicos que foram equilibrados em uma substância muito fria, como o deutério líquido . Essa fonte fria é colocada no moderador de um reator de pesquisa ou fonte de fragmentação. Nêutrons frios são particularmente valiosos para experimentos de espalhamento de nêutrons .

Fonte de nêutrons frios fornecendo nêutrons mais ou menos à temperatura do hidrogênio líquido

Nêutrons ultracold

Os nêutrons ultracold são produzidos pelo espalhamento inelástico de nêutrons frios em substâncias com uma seção transversal de baixa absorção de nêutrons a uma temperatura de alguns kelvins, como deutério sólido ou hélio superfluido . Um método alternativo de produção é a desaceleração mecânica de nêutrons frios explorando o deslocamento Doppler.

Nêutrons de energia de fissão

Um nêutron rápido é um nêutron livre com um nível de energia cinética próximo aMeV (1,6 × 10 −13  J ), portanto, uma velocidade de ~14 000  km / s (~ 5% da velocidade da luz). Eles são chamados de energia de fissão ou nêutrons rápidos para distingui-los dos nêutrons térmicos de baixa energia e nêutrons de alta energia produzidos em chuvas cósmicas ou aceleradores. Nêutrons rápidos são produzidos por processos nucleares, como a fissão nuclear . Os nêutrons produzidos na fissão, como observado acima, têm uma distribuição de Maxwell-Boltzmann de energias cinéticas de 0 a ~ 14 MeV, uma energia média de 2 MeV (para nêutrons de fissão 235 U) e um modo de apenas 0,75 MeV, o que significa que mais da metade deles não se qualifica como rápido (e, portanto, quase nenhuma chance de iniciar a fissão em materiais férteis , como 238 U e 232 Th).

Nêutrons rápidos podem ser transformados em nêutrons térmicos por meio de um processo chamado moderação. Isso é feito com um moderador de nêutrons . Em reatores, normalmente água pesada , água leve ou grafite são usados ​​para moderar nêutrons.

Nêutrons de fusão

A taxa de reação de fusão aumenta rapidamente com a temperatura até que se maximize e então diminua gradualmente. A taxa D – T atinge o pico em uma temperatura mais baixa (cerca de 70 keV, ou 800 milhões de kelvins) e em um valor mais alto do que outras reações comumente consideradas para energia de fusão.

A fusão D – T ( deutério - trítio ) é a reação de fusão que produz os nêutrons mais energéticos, com 14,1  MeV de energia cinética e viajando a 17% da velocidade da luz . A fusão D – T também é a reação de fusão mais fácil de se inflamar, atingindo taxas próximas ao pico, mesmo quando os núcleos de deutério e trítio têm apenas um milésimo da energia cinética dos 14,1 MeV que serão produzidos.

Os nêutrons de 14,1 MeV têm cerca de 10 vezes mais energia do que os nêutrons da fissão e são muito eficazes na fissão até mesmo de núcleos pesados não físseis , e essas fissões de alta energia produzem mais nêutrons em média do que as fissões por nêutrons de baixa energia. Isso torna as fontes de nêutrons de fusão D – T, como os reatores de potência tokamak propostos , úteis para a transmutação de resíduos transurânicos. Os nêutrons de 14,1 MeV também podem produzir nêutrons, liberando -os dos núcleos .

Por outro lado, é menos provável que esses nêutrons de altíssima energia sejam simplesmente capturados sem causar fissão ou fragmentação . Por essas razões, o projeto de armas nucleares utiliza amplamente os nêutrons da fusão D – T de 14,1 MeV para causar mais fissão . Os nêutrons de fusão são capazes de causar fissão em materiais normalmente não físseis, como o urânio empobrecido (urânio-238), e esses materiais têm sido usados ​​nas jaquetas de armas termonucleares . Os nêutrons de fusão também podem causar a fissão em substâncias inadequadas ou difíceis de transformar em bombas de fissão primárias, como o plutônio de grau de reator . Este fato físico, portanto, faz com que materiais comuns não utilizados para armas se tornem uma preocupação em certas discussões e tratados sobre proliferação nuclear .

Outras reações de fusão produzem nêutrons muito menos energéticos. A fusão D – D produz um nêutron de 2,45 MeV e hélio-3 na metade do tempo, e produz um trítio e um próton, mas nenhum nêutron no resto do tempo. A fusão D– 3 He não produz nêutrons.

Nêutrons de energia intermediária

Fluxo de transmutação em reator de água leve , que é um reator de espectro térmico

Um nêutron de energia de fissão que desacelerou, mas ainda não atingiu as energias térmicas, é chamado de nêutron epitérmico.

As seções transversais para as reações de captura e fissão frequentemente têm múltiplos picos de ressonância em energias específicas na faixa de energia epitérmica. Estes são de menos significância em um reator de nêutrons rápido , onde a maioria dos nêutrons é absorvida antes de desacelerar para esta faixa, ou em um reator térmico bem moderado , onde nêutrons epitérmicos interagem principalmente com núcleos moderadores, não com nuclídeos actinídeos físseis ou férteis . Mas em um reator parcialmente moderado com mais interações de nêutrons epitérmicos com núcleos de metais pesados, há maiores possibilidades de mudanças transitórias na reatividade que podem tornar o controle do reator mais difícil.

As proporções de reações de captura para reações de fissão também são piores (mais capturas sem fissão) na maioria dos combustíveis nucleares , como o plutônio-239 , tornando os reatores de espectro epitérmico usando esses combustíveis menos desejáveis, pois as capturas não apenas desperdiçam o nêutron capturado, mas também geralmente resultam em um nuclídeo que não é físsil com nêutrons térmicos ou epitérmicos, embora ainda fissível com nêutrons rápidos. A exceção é o urânio-233 do ciclo de tório , que tem boas taxas de captura-fissão em todas as energias de nêutrons.

Nêutrons de alta energia

Os nêutrons de alta energia têm muito mais energia do que os nêutrons da energia de fissão e são gerados como partículas secundárias por aceleradores de partículas ou na atmosfera a partir de raios cósmicos . Esses nêutrons de alta energia são extremamente eficientes na ionização e muito mais propensos a causar a morte celular do que os raios X ou prótons.

Veja também

Fontes de nêutrons

Processos envolvendo nêutrons

Referências

Leitura adicional