Neutrone

In fisica, il neutrone è una particella subatomica senza carica elettrica e con massa di 939,57 MeV/c² (leggermente superiore a quella del protone, pari a 938,27 MeV/c²). 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. Lo stesso tipo di decadimento (decadimento beta) si verifica in alcuni nuclei. Le particelle all'interno del nucleo si trasformano continuamente da protoni a neutroni e viceversa, tramite emissione ed assorbimento di pioni. Il neutrone è classificato come barione, e consiste di due quark down e un quark up.

La caratteristica dei neutroni, che li differenzia dalle altre particelle subatomiche, è l'assenza di carica elettrica. Questa proprietà dei neutroni ritardò la loro scoperta, li rende molto penetranti, e impossibili da osservare direttamente.

Anche se gli atomi, nel loro stato normale, sono privi di carica, sono migliaia di volte più grandi di un neutrone e consistono di un complesso sistema di elettroni con carica negativa, spaziati attorno a un nucleo con carica positiva. Le particelle cariche (protoni, elettroni, o particelle alfa) e le radiazioni elettromagnetiche (come i raggi gamma) perdono energia passando attraverso la materia. Esse esercitano forze elettriche che ionizzano gli atomi della materia con cui vengono a contatto. L'energia acquisita con la ionizzazione, pareggia quella persa dalla particella carica, che rallenta, o dalla radiazione, che viene assorbita. Il neutrone comunque, non è affetto da queste forze, ma solo dal corto raggio di azione della forza nucleare forte, che entra in gioco quando il neutrone è molto vicino ad un nucleo atomico. Di conseguenza un neutrone libero prosegue il suo tragitto fino a quando non si scontra "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.

Nel caso di una collisione di tipo elastico, si applicano le normali leggi del momento, come nell'urto elastico di due palle da biliardo. Se il nucleo colpito è pesante, acquista una velocità relativamente bassa, ma nel caso del protone, che ha massa approssimativamente pari a quella del neutrone, questo viene proiettato in avanti con una frazione significativa della velocità originale del neutrone, che viene corrispondentemente rallentato. Proiettili secondari di queste collisioni possono essere rilevati, in quanto sono carichi e producono ionizzazione.

L'assenza di carica del neutrone, lo rende non solo difficile da rilevare, ma anche difficile da controllare. Le particelle cariche possono essere accelerate, decelerate e deflesse da campi elettrici o magnetici, che però non hanno effetto sui neutroni. Inoltre, i neutroni liberi possono essere ottenuti solo dalla disintegrazione del nucleo; non esiste una fonte naturale. L'unico mezzo per controllare i neutroni liberi è quello di piazzare dei nuclei sulla loro traiettoria, in modo che vengano rallentati e deflessi o assorbiti dalla collisione. Questi effetti sono di grande importanza nei reattori nucleari e nelle armi atomiche.

Storia

Nel 1930, in Germania, Walther Bothe e H. Becker, trovarono che se le particelle alfa del polonio, dotate di grande energia, cadevano su materiali leggeri, specificatamente berillio, boro o litio, veniva prodotta una radiazione particolarmente penetrante. In un primo momento si ritenne fosse una radiazione gamma, anche se più penetrante dei raggi gamma allora conosciuti, e i dettagli dei risultati sperimentali erano difficili da interpretare su queste basi. Il successivo contributo venne portato nel 1932 da Irene Curie e F. Joliot a Parigi. Essi mostrarono che questa radiazione sconosciuta, se colpiva paraffina o altri composti contenenti idrogeno, produceva protoni ad alta energia. Ciò non era inconsistente con la supposta natura di raggi gamma della radiazione, ma una dettagliata analisi quantitativa dei dati rese difficile conciliare tale ipotesi. Finalmente (a fine 1932) il fisico James Chadwick, in Inghilterra, eseguì una serie di esperimenti che mostrarono come l'ipotesi dei raggi gamma fosse insostenibile. Egli suggerì che la nuova radiazione consistesse di particelle senza carica con massa approssimativamente pari a quella del protone, ed eseguì una serie di esperimenti tesi a dimostrare la sua ipotesi.

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.

Particelle subatomiche

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